オフチェーン拡張デプス解析

1. 拡張の必要性

ブロックチェーンの未来のビジョンは、分散化、安全性、そしてスケーラビリティを実現することです。しかし、通常はそのうちの2つしか満たすことができず、これをブロックチェーンの不可能三角問題と呼びます。現在、ブロックチェーンの発展におけるホットな話題の1つは、分散化と安全性を保証しつつ、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、つまりスケーリング問題を解決することです。

ブロックチェーンの去中心化、安全性、及びスケーラビリティの定義:

• 分散型:誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できます。ノードの数が多いほど、分散の度合いが高くなります。

• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかか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からの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ています。ユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBのブロック容量制限がネットワークの混雑を引き起こしました。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で意見が分かれ、最終的に2017年8月1日にビットコインは初めての重大なハードフォークを迎え、BCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークは、安全性と分散化を確保するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しました。2017年のCryptoKittiesから、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTに至るまで、市場のスループットに対する需要は増加し続けています。しかし、イーサリアムは1秒あたり15～45件の取引しか処理できず、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDAppsは運営コストを賄うことが困難です。理想的なスケーリングソリューションは、分散化と安全性を犠牲にすることなく、取引速度とスループットを向上させることです。

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2. スケーラビリティソリューションの種類

"レイヤー1メインネットを変更するかどうか"に基づいて、スケーリングソリューションはオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大きなカテゴリに分けることができます。

2.1 オンチェーンスケーリング

コアコンセプト:メインネットプロトコルの一層を変更することでスケーリング効果を達成するソリューション、現在の主要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主に2つのソリューションがあります:

1. ブロックスペースを拡大し、各ブロックにパッケージされるトランザクションの数を増やしますが、ノードデバイスの要求が高まり、分散化の程度が低下します。

2. シャーディング、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割し、異なるノードが異なる記帳を担当することで、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げることができるが、全体ネットワークの安全性は低下する。

メインネットプロトコルの変更は予測できない悪影響をもたらす可能性があり、基盤となる微細なセキュリティの脆弱性がネットワーク全体のセキュリティを深刻に脅かすことがあります。

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。

オフチェーン拡張ソリューションはLayer2とその他のソリューションに細分化できます:

レイヤー2:

• ステートチャネル
• サイドチェーン
• プラズマ
• オフチェーン(最適化されたRollupとゼロ知識Rollup)

その他:

• バリディウム

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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、チャネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する際にのみユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しています。ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われ、取引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。

ステートチャンネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ターン制アプリケーション」、例えば2人用のチェスゲームに適しています。各チャン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、このコントラクトはチャンネルに預けられた資産を制御し、状態の更新を検証し、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上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、双方の署名確認の後にチャンネルが正式に開通します。チャン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行うことを可能にし、送金の純額が預けられたトークンの合計を超えない限り(。参加者は交互に状態の更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。通常、双方が合意した状態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ンネルが閉じられる場合にのみメインネットの確認に依存します。チャンネルを閉じる際、いずれかの参加者はメインネットに取引リクエストを提出でき、全員の署名が承認されると即座に実行されます。そうでなければ、「チャレンジ期間」が終了するまで残りの資金を受け取ることができません。

ステートチャンネルは、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、取引コストを低下させることができます。

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)## 3.1.2 タイムライン

• 2015/02:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライヤがライトニングネットワークのホワイトペーパー草案を発表。

• 2015/11:ジェフ・コールマンが初めてState Channelの概念を体系的にまとめ、ビットコインのPayment ChannelはState Channelのサブケースであると提唱した。

• 2016/01:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライヤが正式にビットコインのライトニングネットワークのホワイトペーパーを発表し、ペイメントチャネルのスケーリングソリューションを提案しました。

• 2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様Spritesを提案。

• 2018/06:Counterfactualが詳細な一般化されたステートチャネルの設計を提案。

• 2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が紹介されました。

• 2019/02:ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはこのアイデアに基づいて構築された最初のプロトコルです。

• 2019/10:Pisaは参加者の継続的なオンライン問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。

• 2020/03:Hydraはファストアイソモルフィックチャネルを提案しました。

3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフロー:

1. アリスとボブは、EOAから資金をオンチェーン契約アドレスに入金することでステートチャンネルを開通します。

2. アリスとボブはオフチェーンで無制限に取引を行い、暗号署名メッセージを通じて相互に通信できます。両者は二重支払いの悪用を防ぐために、各取引に署名する必要があります。

3. アリスがチャネルを閉じたい場合、契約に最終状態を提出する必要があります。ボブが署名して承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を解放します。ボブが応答しない場合、契約はチャレンジ期間が終了した後に資金を解放します。

悲観的な状況では、BobがあるラウンドでAliceの状態更新の署名に応答しない場合、Aliceは契約に最後の有効な状態を提出して挑戦を始めることができます。契約は、Bobが一定の時間内に次の状態を提出することで応答できることを許可します。もしBobが応答すれば、双方は取引を続けることができます。応答しなかった場合、契約は自動的にチャネルを閉じ、資金をAliceに返還します。

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)## 3.1.4 長所と短所

価値：

• 予約は即確定
• 高スループット
• 低料金
• プライバシー性が高い

短所：

• 可用性が低い
• 非効率的な資金調達
• 大額の取引を処理するのが難しい
• 複雑なスマートコントラクトには適用されません

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:

• 2015年2月ホワイトペーパー草案発表
• 2016年1月正式版ホワイトペーパーが発表され、Lightning Labsが設立されました
• 2018年3月に初のメインネットバージョンLND 0.4をリリース
• 2021年6月にエルサルバドルがビットコインを法定通貨として採用し、9月にライトニングネットワークウォレットChivoを発表しました。
• 2022年に多くの取引所がライトニングネットワークの入出金をサポート
• 2022年11月、ライトニングネットワークには76,236の支払いチャネルがあり、チャネル資金は5049 BTCです。

エコロジーの発展:

• ベース:BTCネットワーク
• コアインフラストラクチャ: ライトニングネットワークソリューション、ノードおよび流動性サービス
• 上位アプリケーション: 支払いと金融サービスなど

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イーサリアムライトニングネットワーク:

• 2017年に設立され、創設者はイーサリアムのコア開発者です
• 2017年10月、ICOは3,000万ドル以上を調達しました。
• 2020年5月、最初のRaiden Light Clientがリリースされました
• 2021年末に多くの取引所がRDNトークンを上場廃止する

未広く採用されていない理由:

• 使用の敷居が高い
• より進んだスケーラビリティ技術の出現

現在エコシステムの発展は遅れており、Ethereum L2 Rollupネットワーク上で動作するスケーリングソリューションに改造中です。

セラーネットワーク:

• 本質はインセンティブレイヤーを増加させるライトニングネットワークです。
• オフチェーン拡張技術とインセンティブ経済モデルを通じて、迅速で低コストのハイフリークインタラクティブDAppsを構築する
• eスポーツプラットフォームなどの高インタラクション頻度シーンに適用
• 2018年に設立され、2019年3月にトークンを発行
• 2019年7月イーサリアムメインネットのローンチ
• 現在はクロスチェーンをサポートするL2拡張アグリゲーションプラットフォームに転型しました

)## 3.1.6 アプリケーションの比較

ビットコインのライトニングネットワーク:

• 最も成熟した状態チャネルの実装
• 幅広く応用されており、エコシステムが豊かです

イーサリアムライトニングネットワーク:

• エコシステムの発展が停滞
• L2ロールアップソリューションに正転型

セラーネットワーク:

• インセンティブ層の設計が追加されました
• クロスチェーンL2アグリゲーションプラットフォームに転換しました

3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンの概念は2012年にビットコイン開発者チャットルームで初めて提案され、2014年に初の関連論文が発表されました。

サイドチェーンは、ビットコイン取引を加速するために登場したブロックチェーンの形態で、より複雑な契約やコンセンサスメカニズムの改善が可能です。サイドチェーンの取引結果は最終的にバリデーター側に記録されます。このモデルは、メインチェーンに付随し、メインチェーンの問題解決を支援するインフラストラクチャです。

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)## 3.2.2 タイムライン

• 2012/01:ビットコインのサイドチェーンの概念がチャットルームで提起されました
• 2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
• 2017/04:POA Networkテストネットがオンラインになりました
• 2017/10:マティックネットワークが開始
• 2017/12:POA Networkメインネットがローンチ
• 2018/01:Skaleテストネットオンライン
• 2018/10:xDai Chainテストネット上线
• 2020/06:Skaleメインネットの立ち上げ
• 2020/06:Matic PoS Chainメインネットがローンチ
• 2021/02:マティックがポリゴンに改名
• 2021/02:Axie InfinityのRoninサイドチェーンがローンチ
• 2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併
• 2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

3.2.3 技術原則

サイドチェーンには、メインチェーンとコミュニケーションを取る主に二つの方法があります:

1. 双方向アンカー###対称ペッグ(: メインチェーンとサイドチェーンのバリデーターは、相互の現在の状態をリアルタイムで記録します。双方向SPV技術を使用して、メインチェーンのトークンがサイドチェーンに送信されると、SPVロックアウトプットが生成され、サイドチェーンのバリデーターのみがSPV証明を使用してロックを解除できます。

主要プロセス:

• ユーザーがアセットをSPV-Locked Outputの特別アドレスに送信する
• 確認期間を待ち、SPVプルーフをサイドチェーンに提出する
• コンテスト期間を待って二重支払い攻撃を避ける
• 完了後、ユーザーはサイドチェーンで新たに発行されたパッケージ資産を使用できます。

2. 不調和なアンカー)非対称ペッグ(: サイドチェーンのバリデーターは、メインチェーンのアクティビティをリアルタイムで監視します。メインチェーンがサイドチェーンに送金する際、サイドチェーンは自動的に記録できますが、サイドチェーンからメインチェーンに送金する際はCertifiersメカニズムを導入する必要があります。Certifiersは重要な情報を記録し、集約署名を使用してサイドチェーンから返送された取引を検証します。

簡単に言うと、サイドチェーンメカニズム: サイドチェーン:メインチェーンで資産をロックし、サイドチェーンでラップされた資産を生成する メインチェーン:サイドチェーンで封装された資産を破棄し、メインチェーンで資産を解除する

サイドチェーンの資産の安全性は、サイドチェーンのコンセンサスメカニズムに依存します。サイドチェーンで生成された資産がメインチェーンと一致しない場合、これらの資産を破棄してメインチェーンにロック解除を要求すると、資金が盗まれるリスクがあります。

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)## 3.2.4 長所と短所

価値：

• 高い柔軟性
• メインチェーンの負担を軽減する
• 高度にアップグレード可能
• 良好な互換性

短所：

• 分散化の度合いが低い
• セキュリティが比較的低い
• サイドチェーンのバリデーターを信頼する必要があります
• クロスチェーン送金