オフチェーン拡張デプス解析

著者: Cobo Ventures

1. スケーラビリティの必要性

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。しかし、通常、ブロックチェーンはそのうちの2つしか実現できず、これをブロックチェーンの不可能な三角形問題と呼びます。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模索してきました。

まず、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、スケーラビリティを定義しましょう:

• 非中央集権: 誰でもノードとなってブロックチェーンシステムに参加でき、ノードの数が多いほど非中央集権の度合いが高くなる。
• セキュリティ: ブロックチェーンの制御を獲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、スケーリング問題から生じました。2017年8月1日、Bitcoin ABCが独自に開発した8MBのクライアントシステムが稼働し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、新しいコインBCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークは、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、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、GameFi、NFTなどのアプリケーションの台頭まで、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が、イーサリアムは1秒あたり15〜45件の取引しか処理できません。これにより、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDAppsは運営コストを負担することが難しくなっています。理想的なスケーリングソリューションは、分散化とセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの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. スケーリングソリューションの種類

私たちは「メインネットのレイヤーを変更するかどうか」を基準として、スケーリングソリューションを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ています。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト:主ネットプロトコルの1層を変更することでスケーラビリティを達成するソリューションであり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

オンチェーン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、この記事では詳しく説明せず、2つの例を簡単に挙げます:

• ブロックスペースの拡大: 各ブロックにパッケージするトランザクションの数を増やしますが、「分散化」の度合いは低下します。
• 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、異なるシャードが異なる記録を担当します。ノードの計算負荷を軽減し、取引処理速度と分散化の程度を向上させることができますが、全体のネットワークの「セキュリティ」を低下させる可能性があります。

レイヤー1のメインネットプロトコルを変更することは、予測できない悪影響を引き起こす可能性があり、基盤となる微細なセキュリティホールは、ネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすことになります。

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拡張ソリューション。

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:

• Layer2:ステートチャンネル、プラズマ、ロールアップ
• その他のオプション:サイドチェーン、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、チャネルが開いている、閉じている、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るため、取引の時間とコストを削減し、取引回数が制限されないようにします。

状態チャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターン制アプリケーション"、例えば二人のチェスゲームに適しています。各チャネルは、メインネット上で稼働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ており、この契約はチャ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。

3.1.2 タイムライン

• 2015/02:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャ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る。
• 2016/01:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが正式にライトニングネットワークのホワイトペーパーを発表。
• 2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様であるSpritesが提案されました。
• 2018/06: Counterfactual は、一般化状態チャネルの詳細設計を提示します。
• 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Watchtowersの概念を拡張し、参加者が常にオンラインである必要がある問題を解決しました。
• 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

ステートチャネルのワークフロー:

1. 参加者はメインネットにマルチシグ契約を展開し、資金をロックして入金し、双方の署名確認後にチャネルが開通します。
2. 参加者はオフチェーンで回数無制限の無料取引を行うことができます。
3. 参加者は交互にステータス更新を送り合い、相手の署名確認を待ちます。
4. チャネルを閉じる際、任意の参加者はメインネットでトランザクションリクエストを提出できます。全員の署名が承認された場合、直ちに実行されます。そうでない場合は「チャレンジ期間」が終了した後に実行されます。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 取引の即時確認
• 低料金
• 高スループット
• プライバシーが良い

短所：

• 資金をロックする必要があります
• 継続的にオンライン監視が必要です
• 複雑なインタラクションが実現しにくい
• チャンネルを閉じる際に課題に直面する可能性があります
• マルチパーティ取引に拡張するのが難しい

3.1.5 アプリケーション

主にビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのレイデンネットワーク、そしてCeler Networkが含まれます。

ビットコイン・ライトニングネットワーク:

• 2015年2月に初めて提案されました
• 2018年3月にメインネットバージョンがリリースされました
• 現在(2022年11月)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。
• エコシステムには、決済、ウォレット、ノード管理など100以上のアプリケーションが含まれています。

イーサリアムライトニングネットワーク:

• 2017年設立
• 2020年5月に最初のメインネットクライアントを発表
• 現在は発展が遅く、使用のハードルが高い、より先進的なスケーリング技術が登場した

セラーネットワーク:

• 2018年設立
• 2019年7月メインネットローンチ
• 現在はクロスチェーンL2拡張プラットフォームに転身しました

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は最も成熟しており、エコシステムも最も豊かです。イーサリアムのレイダーネットワークとCeler Networkが相次いで転換しました。全体的に見て、ステートチャンネル技術は少額高頻度の支払いシーンに適していますが、複雑なアプリケーションシーンでは限界があります。

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3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンはビットコインの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あり、より複雑な契約やコンセンサスメカニズムの改善を利用できます。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、メインチェーンに付随してメインチェーンの問題解決を助ける基盤となります。

3.2.2 タイムライン

• 2012/01:ビットコインサイドチェーンの概念が初めて提唱された
• 2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
• 2017/04: POAネットワークテストネット開始
• 2017/10: Matic Networkがローンチ
• 2017/12:POA Networkメインネットローンチ
• 2018/01:Skaleテストネットがオンラインになりました
• 2018/10:xDai Chainテストネット上线
• 2020/06:Skaleメインネットローンチ
• 2020/06:Matic PoS Chainメインネットのローンチ
• 2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
• 2021/02:Axie InfinityサイドチェーンRoninメインネットのローンチ
• 2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併し、Gnosis Chainを結成
• 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、主に二つのクロスチェーン技術があります:

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がリアルタイムでお互いの状態を記録します。

主要プロセス:

• ユーザーは資産を特殊なアドレスに送信します
• 確認期間が終了した後、サイドチェーンに証明を提出する
• チャレンジ期間の終了を待つ
• 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. 不協和アンカー(非対称ペッグ): サイドチェーンのバリデーターがメインチェーンのアクティビティを監視し、メインチェーンは認証者メカニズムを通じてサイドチェーンのトランザクションを検証します。

認証者レコード:

• スマートコントラクトID、バリデーターIDなどの情報
• 転送リスト
• エラーレポートリスト
• すべての署名を集約する

現在、より多くのサイドチェーンは、第三者の公証人(PoA)またはRelayersの中間層を使用してクロスチェーンを実現しています。

サイドチェーンメカニズムのまとめ: サイドチェーン:メインチェーンで資産をロックし、サイドチェーンでパッケージ化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印された資産を破棄し、メインチェーンで資産を解除する

サイドチェーン資産の安全性はサイドチェーンのコンセンサス機構に依存します。

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####3.2.4長所と短所

価値：

• 迅速な確認
• 低料金
• 高スループット
• 高い柔軟性

短所：

• セキュリティが不十分
• 分散化の度合いが低い
• クロスチェーンコストが高い
• 流動性の分散

3.2.5 アプリケーション

これらには、xDai( Gnosis Chain)、Polygon、Roninが含まれます。

xDai(Gnosis Chain):

• 2018年9月にメインネットがローンチされました
• 2021年11月にGnosisと合併
• PoSDAOコンセンサスメカニズムを採用
• 現在のTVLは約$53Mで、35の進行中のプロジェクトがあります。

ポリゴン:

• 2017年設立
• 2020年6月メインネットローンチ
• 現在L2拡張アグリゲーターに転換しています
• 37k+ DApps、1.8Bの総トランザクション、135M+のユーザーがいます

ロニン:

• 2021年3月メインネットローンチ
• Axie Infinityゲーム用に開発
• PoAコンセンサスを採用し、最大25のバリデーターノード
• 深刻なハッカー攻撃を受けた

3.2.6 アプリ比較

xDaiは支払いシーンに特化し、Polygonはスケーリングアグリゲーターとして発展し、Roninはゲーム専用に設計されています。全体として、サイドチェーンは性能と柔軟性において良好なパフォーマンスを示していますが、安全性と分散化においては不足があります。

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3.3 プラズマ

3.3.1まとめ

Plasmaは、ユーザーがサイドチェーンオペレーターへの信頼を最小限に抑えることを目的とした、スケーラブルなDAppを構築するためのフレームワークです。Plasmaの基本原則は、Plasmaチェーンにセキュリティの問題が発生しても、ユーザーの資産はメインネットに戻すことができるということです。

3.3.2 タイムライン

• 2017/08:ヴィタリックとジョセフ・プーンがPlasmaホワイトペーパーを発表
• 2018/01:ヴィタリックがPlasma MVPを提案
• 2018/03:ヴィタリックがPlasma Cashを提案
• 2018/06:ダン・ロビンソンがプラズマデビットを提案
• 2018/11: BANKEX Foundation presents プラズマプライム
• 2018年末:開発進捗の停滞
• 2019年から:イーサリアムコミュニティはロールアップの探索を開始した

3.3.3 技術原則

三つのコアアイデア:

• オフチェーン実行:メインネットはすべての取引を検証しない
• 州のコミットメント:オペレーターは定期的にマークルルートを提出します
• 退出メカニズム:ユーザーは引き出し可能な資金を証明する必要があります

使用フロー:

1. ユーザーはメインネット契約に入金します
2. ユーザーはPlasmaチェーンで取引します
3. オペレーターがトランザクションをパッケージし、状態のコミットを提出する
4. ユーザーは退出するには証明書を提出し、チャレンジ期間を待つ必要があります

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3.3.4 メリットとデメリット

価値：

• 高スループット
• 低料金
• メインネットのセキュリティを継承する

短所：

• 複雑な退出メカニズム
• データの可用性の問題
• 制限されたスマートコントラクト機能
• 大量出口の問題

3.3.5 アプリケーション

主に含まれる