デプス解析:オフチェーン拡容方案及びその未来の発展

2025-07-28 11:15:11

オフチェーン拡張デプス解析

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、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、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問題と呼びます。これまでの数年間、人々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、すなわちスケーリング問題の解決策を探し続けてきました。

分散化、セキュリティ、スケーラビリティの定義:

分散型: 誰でもノードとなってブロックチェーンシステムの生成と検証に参加でき、ノードの数が多いほど分散型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を得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、スケーラビリティの問題に起因しています。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を引き起こし、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、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、DeFiサマー、さらにその後の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に対する需要が増加していますが、イーサリアムは1秒あたり15〜45件のトランザクションしか処理できず、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、ほとんどのDappsが運用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、分散化と安全性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. スケーラビリティソリューションの種類

"一層のメインネットを変更するかどうか"を基準にすると、拡張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二つの大きなカテゴリーに分けることができます。

2.1 チェーン上のスケーリング

核心概念: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向上させる解決策であり、現在の主要なアプローチ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、ここでは2つの方法を簡単に挙げます:

プラン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取引の数を増やしますが、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、分散化の程度が低下します。
方案二:シャーディング、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割し、異なるシャードが異なる記帳を担当し、並行計算により複数の取引を同時に処理できる; これによりノードの計算負荷と参加のハードルが下がり、取引処理速度と分散化の程度が向上するが、全体のネットワークの安全性が低下する。

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安全性に深刻な脅威を与える可能性があります。

2.2 オフチェーン拡容

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。

オフチェーンのスケーリングソリューションはLayer2とその他のソリューションに細分化される。

Layer2:ステートチャネル、プラズマ、オプティミスティックロールアップ、ZKロールアップ
その他: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、チャンネルがオープン、クローズ、または紛争が解決される時のみ、ユーザーがメインネットとインタラクションする必要があることを規定しています。ユーザー間のインタラクション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。

ステートチャネルは「ターンベースのアプリケーション」に適しており、例えば二人用のチェスゲームなどです。各チャネルは、オンチェーンで実行され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、このコントラクト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・ドリ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ました。
2016/01:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが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正式に発表。
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は詳細な一般化されたステートチャネルの設計を提案しました。
2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が紹介されました。
2019/02: ステートチャンネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそ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が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がファスト同型チャネルを提案。

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3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフロー:

参加者はメインネットのスマートコントラクトに資金を預けてロックし、双方の署名確認後にチャネルが開通します。
参加者はオフチェーンで回数制限なく無料取引を行うことができます。
参加者は交代でステータス更新を送信し、署名確認を行います。
チャネルを閉じる際、いずれかの参加者はメインネットで取引リクエストを提出できます。全員の署名が承認されれば、すぐに実行されます。そうでなければ、「チャレンジ期間」が終了するまで待ちます。

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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####3.1.4長所と短所

価値：

取引の即時確認
高スループット
低料金
高いプライバシー性

短所：

資金をロックする必要があります
通道の開設と閉鎖にはGas費用がかかります
参加者は継続的にオンライン監視を行う必要があります
多方面の取引が難しい

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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
- マイクロペイメントチャネル、オフチェーンのマイクロペイメントチャネルを通じて取引ネットワークを構築する
- 2015年に提案され、2018年にメインネットバージョンがリリースされました
- 2022年11月時点で、76,236の決済チャネル、5049 BTCがロックされています
イーサリアムライトニングネットワーク
- イーサリアムベースのマイクロペイメントチャネル、ライトニングネットワークに似ています
- 2017年に設立されましたが、広く採用されていません
- 現在改造中で、L2ネットワーク上での運用を計画しています
セラーネットワーク
- インセンティブ層のライトニングネットワークを追加する
- 高頻インタラクション型アプリケーションに適しています。例えば、eスポーツプラットフォーム。
- DeFiプロトコルLayer2.finance、情報クロスチェーンプロトコルCeler IM、資産クロスチェーンブリッジcBridgeをリリースしました

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、イーサリアムのライトニングネットワーク、Celer Networkは、設計思想、アプリケーションシーン、発展状況において違いがあります。ビットコインのライトニングネットワークは比較的成熟しており、ライトニングネットワークは現在あまり使用されていませんが、Celer Networkはより多くのアプリケーションシーンに拡張しています。

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3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンの概念は2012年に提案され、2014年に初めて関連する記事が発表されました。サイドチェーンはビットコイン取引を迅速化するために現れ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使用することができます。サイドチェーンの取引結果は最終的にメインチェーンのバリデーター側に記録されます。

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案される
2014/10:ビットコインサイドチェーン論文初めて発表
2017/04:POA NetworkはEthereumのProof of Authenticationコンセンサスに基づくサイドチェーンのテストネットをオンライン化しました
2017/10: Matic Networkがローンチ
2017/12:POA Networkメインネットのローンチ
2018/01:Skales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メインネットのローンチ、イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainの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ゲームのサイドチェーンRoninメインネットが稼働開始
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

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3.2.3 技術原則

サイドチェーンは主に2つの方法でメインチェーンと通信します:

双方向アンカリング(シンメトリックペッグ): 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現在の状態を記録します。
非協調的アンカリング(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活動を監視するが、メインチェーンはサイドチェーンの状態を確認できず、認証者メカニズムを導入する必要がある。

サイドチェーンメカニズムのまとめ:

アセットをメインチェーンからサイドチェーンへ: メインチェーンはアセットをロックし、サイドチェーンはラップドアセットを生成します。
資産がサイドチェーンからメインチェーンへ: サイドチェーンでラップ資産を破棄し、メインチェーンで資産をアンロックする

サイドチェーン上の資産の安全性は、サイドチェーンの安全性、主に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。

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####3.2.4長所と短所

価値：

高い拡張性
迅速な確認
取引手数料が安い
複雑なスマートコントラクトを実現可能

短所：

セキュリティ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
分散化が少ない
クロスチェーン送金は待機時間が長い必要があります
単一障害点のリスクが存在する

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3.2.5 アプリケーション

xDai (の名前がGnosisに変更されましたChain)
- トークン$xDaiは米ドルに1:1でペッグされています
- PoSDAO認証モードを採用
- 2018年9月にメインネットが立ち上げられ、2022年4月にGnosisと合併
- 現在のTVLは約$53milで、35の進行中のプロジェクトがあります
ポリゴン
- 2017年に設立され、2020年6月にメインネットが公開されました
- サイドチェーンのMatic PoSチェーンとプラズマ溶液のMatic Plasma Chainの提供
- 2021年2月ブランドがPolygonにアップグレードされ、スケーリングソリューションアグリゲーターに転換しました。
- 現在、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
- Axie Infinityゲーム専用サイドチェーン
- PoA(権限証明)コンセンサスメカニズムを採用
- 2021年3月メインネットローンチ
- 2022年3月に6.24億ドルのハッカー攻撃を受けました

3.2.6 アプリ比較

xDai、Polygon、Roninは、設計思想、アプリケーションシーン、発展状況において違いがあります。xDaiは安定した通貨の支払いに焦点を当て、Polygonは多様なスケーリングソリューションを提供し、Roninはゲームシーンに特化しています。それぞれが特色と利点を持っています。

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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に対する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。オペレーターが悪事を働いた場合でも、Plasmaはユーザーの資金が盗まれるのを防ぎます。Plasmaの基本的な原則は、Plasmaチェーンにセキュリティ上の問題が発生した場合でも、すべてのユーザー資産が依然として引き出され、メインネットに返還されることです。