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オフチェーン拡張: 状態チャネルからライトニングネットワークへの技術進化と応用
オフチェーン拡張デプス解析
1. スケーリングの必要性
ブロックチェーンの未来のビジョンは、分散化、安全性、スケーラビリティですが、通常はそのうちの2つしか実現できず、これは不可能の三角形問題と呼ばれています。長年にわたり、人々は分散化と安全性を確保しながら、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させる方法、つまりスケーラビリティの問題を解決する方法を探求してきました。これは現在のブロックチェーンの発展過程におけるホットなトピックの1つです。
ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティの定義:
非中央集権: 誰でもノードになってシステムの生産と検証に参加でき、ノードの数が多いほど非中央集権の度合いが高まり、ネットワークが少数の大規模中央集権参加者に支配されないことを保証します。
セキュリティ:システムの制御を取得するコストが高いほど、セキュリティは高くなり、チェーンはより多くの参加者による攻撃に耐えることができます。
スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。
ビットコインネットワークの初めての重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題に起因します。ユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBの各ブロック上限を持つビットコインネットワークは混雑の問題に直面し始めました。2015年から、ビットコインコミュニティはスケーラビリティの問題に関して意見の相違があり、一方はブロックの拡大を支持し、もう一方は隔離証明Segwitソリューションを使用してメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えていました。2017年8月1日、ブロックの拡大を支持するBitcoin ABCは自ら8MBクライアントシステムを開発し稼働を開始し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークを引き起こし、新しい通貨BCHが誕生しました。
イーサリアムネットワークもネットワークのセキュリティと分散化を保証するために、ある程度のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しています。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限して取引量を制限するのではなく、単一のブロックに収容できる燃料費の上限を設定する形に変わっていますが、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです。
2017年のCryptoKitties、DeFiの夏、そしてその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場のスループットの需要が増加していますが、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり15〜45件のトランザクション(TPS)しか処理できず、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsは運用コストを負担するのが難しくなり、全体のネットワークはユーザーにとって遅くて高価になっています。ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決する必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、非中央集権性とセキュリティを犠牲にせずに、ネットワークの取引速度と取引スループットをできるだけ向上させることです。
2. 拡張ソリューションの種類
"メインネットを一層変更するかどうか"を基準として、拡張方案をオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の二大類に分けます。
2.1 チェーン上のスケーリング
コアコンセプト:一層のメインネットプロトコルを変更することによってスケーラビリティを実現するソリューションで、現在の主なソリューションはシャーディングです。
チェーン上のスケーリングにはさまざまなソリューションがありますが、この記事では詳細には触れず、以下に二つのソリューションを簡単に列挙します:
プラン1はブロックスペースを拡大することであり、つまり各ブロックがパッケージ化する取引の数量を増やすことですが、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、ノードの参加のハードルが上がり、「分散化」の程度が低下します。
方案二はシャーディングであり、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割します。すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、すなわち異なるノードが異なる記帳を担当します。並列計算により、複数の取引を同時に処理できます。このようにして、ノードの計算負荷と参加のハードルを低下させ、取引処理速度と非中央集権化の程度を向上させます。しかし、これは全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「セキュリティ」が低下します。
主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予測不可能な悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずかなセキュリティホールがネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすからです。ネットワークは、フォークを強いられたり、修復のためのアップグレードが中断されたりする可能性があります。例えば、2018年のZcashインフレ脆弱性事件では、ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されたものであり、2018年にエンジニアがその基盤となるコードに高リスクの脆弱性が存在することを発見しました。つまり、トークンが無限に発行できるというものでした。その後、チームは8ヶ月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正された後にこの事件を公表しました。
2.2 オフチェーン拡張
コアコンセプト:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更せずにスケーリングソリューションを提供する。
オフチェーンのスケーリングソリューションはLayer2と他のソリューションに細分化できます:
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3. オフチェーン拡張の方案
3.1 ステートチャネル
3.1.1 まとめ
ステートチャンネルは、チャンネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する時にのみ、ユーザーがメインネットとインタラクションを行う必要があり、ユーザー同士のインタラクションをオフチェーンで行うことによって、ユーザーの取引の時間とコストを削減し、取引回数に制限がないことを実現します。
ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ターンベースのアプリケーション」に適しています。例えば、2人のチェスゲームです。各チャネルは、メインネット上で動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理され、これはチャネルに預けられた資産を管理し、ステータスの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します(。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトをデプロイした後、資金を預けてロックし、両者が署名を確認した後にチャネルが正式に開通します。チャネルは、参加者間で無制限の回数のオフチェーン無料取引を可能にします)、彼らの送金のネットバリューが預けたトークンの総額を超えない限り(。参加者は交互に相手にステータスの更新を送り、相手の署名確認を待ちます。一度相手が署名確認をすれば、そのステータス更新は完了とみなされます。通常、両者が同意したステータスの更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じたりチャネルが閉じられたりする場合にのみ、メインネットの確認に依存します。チャネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者がメインネットで取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員一致の署名承認を得た場合、オンチェーンで即座に実行されます。つまり、スマートコントラクトはチャネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を考慮し、ロックされた資金を配分します。もし他の参加者が署名承認をしなかった場合、全員が「チャレンジ期間」の終了を待たなければなりません。
以上のように、ステートチャネルのソリューションはメインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、取引コストを低減します。
)# 3.1.2 タイムライン
)# 3.1.3 技術原則
図1は、従来のチェーン上の作業フローを示しています：アリスとボブは、メインネットにデプロイされたスマートコントラクトと対話し、ユーザーはチェーン上にトランザクションを送信してスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は、上で議論した時間とコストの問題を引き起こすことです。
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図2は、ほとんどの状態チャネルプロトコルが従う一般的なワークフローを示しています:楽観的な状況では、アリスとボブは以前と同じ操作を実行する必要がありますが、今回は状態チャネルを使用し、オンチェーン契約と対話するのではありません。
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図3は悲観的な状況におけるステートチャネルのワークフローを示しています: 最初に、2人の参加者は資金を)インタラクション1、2(に預け入れ、その後ステート更新)青い破線(を交換し始めます。ある時点で、ボブがアリスから送られたステート更新署名)インタラクション3(に応答しないと仮定します。この時、アリスは契約に自分の最後の有効なステートを提出することで挑戦を開始できます)インタラクション4(。この有効なステートには、ボブの以前の署名も含まれており、最後の取引がボブの承認を受けたことを証明します。そして、最終ステートがボブの確認を受けたことになります。次に、契約はボブが一定の期間内に次のステートを契約に提出することで応答することを許可します; ボブが応答すれば、2人はステートチャネル内で取引を続けることができます; ボブがその期間内に応答しなければ、契約は自動的にステートチャネルを閉じ、資金をアリスに返します)インタラクション5(。
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)# 3.1.4 メリットとデメリット
価値：
短所：
(# 3.1.5 アプリケーション
ビットコイン・ライトニングネットワーク
概要：
ライトニングネットワークはビットコインネットワークの小額決済チャネルであり、その全体的な技術の進化は次のようになります: 2/2マルチシグによる一方向決済チャネルの構築、RSMC)Revocable Sequence Maturity Contract###の追加により双方向決済チャネルの構築が可能になり、さらにHTLC###Hash Time Lock Contract(の追加により決済チャネルが多人数決済に拡張され、最終的に決済ネットワークであるライトニングネットワークが構築されます。オフチェーンの小額決済チャネルを介して、仲介者を利用して取引ネットワークを形成することで、ビットコインネットワークのスケーラビリティの問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は、"デポジット)チャネルの構築(→ライトニングネットワーク取引)チャネル状態の更新(→払い戻し/決済)チャネルの終了("というプロセスに従います; 理論的にはライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できます。
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