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ブロックチェーンのレイヤー1とレイヤー2：その本質

初心者向け

2023年4月27日

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AIサマリー

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仮想通貨とブロックチェーンの人気は急激に高まっており、利用者と取引の数が大幅に増加しています。これにより、ブロックチェーンネットワーク運用にインフラ上のボトルネックが生じています。主流の採用を実現するには、急増する利用者、取引、データに対応するために、スケーラビリティの問題を解決するソリューションを探す必要があります。

業界が採用している主なソリューションには、レイヤー1とレイヤー2の2つがあります。

レイヤー1：基盤となるブロックチェーンアーキテクチャ
レイヤー1スケーリングソリューション：レイヤー1の基本変更
レイヤー2：レイヤー1ネットワーク上にサードパーティ統合
レイヤー2スケーリングソリューション：コードやアーキテクチャに根本的な変更を加えることなく、レイヤー1プラットフォームの速度を向上

この記事では、ブロックチェーンのトリレンマであるレイヤー1とレイヤー2について、そしてブロックチェーンがスケーラビリティを達成する方法を説明します。

ブロックチェーンのトリレンマ

ブロックチェーントリレンマという用語は、ブロックチェーンが同時に以下の3つの特徴を達成するという難問を指します。

分散化：ネットワーク全体におけるコンピューティング能力/コンセンサス配分
セキュリティ：悪意のある攻撃者やネットワーク攻撃に対する防御
スケーラビリティ：高い取引スループットをサポートするブロックチェーンの能力

どのシステムでも3つの特性のうち2つしか達成できず、1つを諦めることを余儀なくされています。

ブロックチェーントリレンマの例

通常、ブロックチェーンはブロックチェーンのトリレンマに苦戦しています。いくつかの代表的な例を見てみましょう。

イーサリアム

イーサリアムは分散型で安全性が高く、約56万1,000名のバリデーターが存在します。イーサリアムのブロックチェーンを攻撃することはほぼ不可能です。ネットワークを侵害するには、検証者の51%以上を攻撃者が占める必要があります。しかし、これはスケーラビリティのトレードオフを伴うため、イーサリアムのネットワーク手数料は、活動の激しい時期にロケットにかかります。

Binanceスマートチェーン（BNBチェーン）

イーサリアムとは対照的に、BNBチェーンでは最大21名のバリデーターしか許可されません。したがって、BNBチェーンは分散化されていないことが明らかです。しかし、これにより高度なセキュリティとスケーラビリティを達成できます。

ブロックチェーンのスケーラビリティが重要な理由

スケーラビリティという言葉の定義は、専門家によって異なります。しかし、ブロックチェーンのスケーラビリティは、その中核を成すシステムにおいて、任意の時点での利用者の総数に関係なく、すべての利用者に豊かな体験を提供する能力を意味します。

スループットという用語は、システムが1秒あたりに処理するトランザクション数を指します。Visaのような企業/決済チャネルは、VisaNet電子決済ネットワークで約2万TPSを処理しますが、ビットコインのメインチェーンは3～7TPSしか実行できません。

容量の違いは衝撃的かもしれませんが、その背景には簡単な説明があります。ビットコインは分散型システムを採用しており、VisaNetは集中型システム上で動作します。前者は、より多くの処理能力と時間を利用して、利用者のプライバシーを保護します。各データ取引は、ノードネットワークによる承認、マイニング、配布、検証など、複数のステップを踏む必要があります。

仮想通貨がビジネス界で不可欠な力になると予想されるため、ブロックチェーン開発者はブロックチェーンの取り扱い範囲を拡大しようとしています。ブロックチェーンレイヤーを作成し、レイヤー2のスケーリングを最適化することで、処理時間を短縮し、TPSの数を増やしたいと考えています。

ブロックチェーンのスケーラビリティの問題

イーサリアムを例にとりましょう。ブロックチェーン技術では、コンセンサスメカニズムは、分散ノードの単一のネットワーク状態に関する合意を可能にするフォールトトレラントシステムです。これらのプロトコルにより、すべてのノードが取引に同意し、同期されます。これにより、イーサリアムチェーンの上書きや攻撃が非常に困難になります。

イーサリアムの安定性とセキュリティにより、ICOの流行が始まり、個人はブロックチェーン上で仮想通貨と分散型アプリケーション（DApp）を作成できるようになりました。その結果、利用者の流入とイーサリアムでの取引件数の増加が見られました。システムが詰まると、イーサリアムのネットワーク上で取引を処理する当事者に支払われる取引手数料またはガスが増加しました。

ブロックチェーンネットワークが詰まると、保留中の取引がメモリプールに入り、処理に時間がかかります。これに対処するため、マイナーはガス価格が高い取引を優先し始め、それを確認します。これにより、取引に必要な最低コストも上がります。

価格上昇のサイクルは、ガス代が急騰し、すべての人にとって状況が悪化する段階にまで達します。レイヤー2のスケーリングは、この問題の解決策を提供し、取引コストを削減することを目的としています。

レイヤー1とは？

レイヤー1は、他のブロックチェーンやDAppが構築される主要なブロックチェーンネットワークです。ブロックチェーン上で実行される取引や操作をサポートできます。スケーラビリティを向上させるには、レイヤー1がブロックチェーンのコードやアーキテクチャを直接変更する必要があります。たとえば、ブロックの確認速度の向上や、ブロックのデータを含む容量の増加などです。

イーサリアム、Binanceスマートチェーン、ソラナは、最も有名なレイヤー1です。

レイヤー1スケーリングソリューションを見てみましょう。

レイヤー1スケーリングソリューション

コンセンサスメカニズム

異なるブロックチェーンは、異なるコンセンサスメカニズムを利用します。

ビットコインなどのブロックチェーンは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）を利用しています。PoWシステムは非常に安全ですが、遅くなる可能性があります。その理由は、暗号アルゴリズムを解くには相当なコンピューティング能力が必要なからです。イーサリアムはPoWコンセンサスメカニズムから始まり、多くの利用者がイーサリアムネットワークに参入した際、深刻なネットワーク混雑につながりました。

イーサリアムはその後、「マージ」を介して証拠金（PoS）コンセンサスメカニズムを使用するよう切り替えられ、ネットワークからのコンセンサスによって新しいブロックを処理し、検証しています。この切り替えにより、イーサリアムの速度を10～20トランザクション/秒（TPS）から2万TPS以上に変更できます。これは、分散化とセキュリティを維持しながら実現されます。

チェーンフォーク

レイヤー1スケーリングソリューションは、通常、ブロックチェーンの開発チームによって導入されます。チェーンをフォークするとは、ブロックチェーンをアップグレードまたは調整することを意味します。フォークにはソフトフォークとハードフォークの2種類があります。

ソフトフォークは、既存のブロックチェーンと互換性のあるアーキテクチャの変更です。一方、ハードフォークは、既存のブロックチェーンアーキテクチャとは異なるブロックチェーンアーキテクチャへの変更です。

ソフトフォークの例としては、ビットコインネットワークのSegWitソフトフォークが挙げられます。これにより、ネットワークのパフォーマンスがブロックあたり約1,600トランザクションから3,000トランザクションに向上しました。

一方、ビットコインのブロックサイズを8MBに増やすなど、ブロックチェーンに大きな変更を加えるには、ハードフォークが必要です。これにより、2つのバージョンのビットコインが作成されます。1つは更新済みで、もう1つは古いネットワークです。

シャーディング

シャーディングは、大規模な取引セットを「シャード」と呼ばれる小さなデータセットに分割するスケーリング手法の1つです。ネットワークはこれらのネットワークシャードを同時に処理し、すべての取引を順次処理するのではなく、複数の取引を順次処理します。これはより速く、より効果的なメカニズムです。

さらに、ブロックチェーンのコピー全体を保持するのではなく、各ネットワークノードは特定のシャードに割り当てられます。個々のシャードは、クロスシャード通信プロトコルを利用してアドレス、残高、一般的な状態を交換し、メインチェーンに証拠を提供します。

シャーディングが統合されたブロックチェーンの例は、ZiliqaとTezosです。

ただし、シャーディングは実験的なものであり、レイヤー1はまだ実装されていない点にご注意ください。

レイヤー2とは？

レイヤー2は、ブロックチェーンプロトコル上に実行することで、ブロックチェーンプロトコルのスケーラビリティと効率性を向上させます。これにより、外部の並列ネットワークを使用してレイヤー1から離れた取引が可能になります。

取引結果を完成させるために、レイヤー2はメインチェーンから取引のバンドルを受け取り、その取引を代わりに処理してから、レイヤー1にバンドルします。レイヤー1ブロックチェーンは、データ処理の大部分を補助アーキテクチャに抽象化することで、混雑が少なくなり、最終的にはスケーラビリティが向上します。

レイヤー2の主な例として、ポリゴン、オプティミズム、Arbitrum、zkSync、ビットコインのライトニングネットワークが挙げられます。

レイヤー2スケーリングソリューション

レイヤー2スケーリングソリューションの一部をご紹介します。

ネストされたブロックチェーン

ネストはレイヤー2スケーリングソリューションの1つであり、ブロックチェーンプロトコルは他のブロックチェーンを内部または上部に収容します。ネストされたブロックチェーンアーキテクチャは、通常、より広範なネットワークにルールとパラメータを設定するメインブロックチェーンを伴い、実行はセカンダリチェーンの相互接続されたウェブ上で行われます。

ネストされたチェーンは、親チェーンと子チェーンの両方で構成されます。親チェーンが子チェーンに委任され、トランザクションが実行されます。取引は子チェーンによって実行され、その結果が親チェーンに通知されます。親チェーンは、取引が完了するとレイヤー1に結果を提供します。

紛争解決に必要でない限り、基盤となるベースブロックチェーンは、ネストされたチェーンのネットワーク運用には参加しません。全員が協力しているため、最も優れたスケーリング方法の1つであり、より迅速です。このパラダイムの分裂は、メインチェーンの処理負荷を軽減し、スケーラビリティを大幅に向上させます。

その一例がOMGプラズマプロジェクトです。OMGプラズマプロジェクトは、イーサリアムのレイヤー2ブロックチェーンとして機能し、より安価で迅速な取引を実現します。

State Channel（ステートチャネル）

ブロックチェーンとオフチェーン取引チャネル間の双方向通信は、ステートチャネルを介して促進できます。ステートチャネルは、基本的にネットワークに隣接するリソースであり、レイヤー1のノードによる検証を必要とせずに、マルチシグまたはスマートコントラクトメカニズムを使用してアクティビティを実行します。

レイヤー1に取引データを提出しなくても、取引を実行できます。取引が完了すると、チャネルの最終状態がレイヤー1に送信され、検証が行われます。このメカニズムにより、取引速度が向上し、ネットワークの全体的なスループットが向上します。ステートチャネルは、比類なきスピードとプライバシーを備えています。マイニング業者などの第三者を経由する必要がなくても、ステートチャネルは既存のスケーリングソリューションの中でも最も優れた手段の1つです。

イーサリアムのレイデンネットワークとビットコインのライトニングネットワークはどちらも、ステートチャネルの例です。どちらもハッシュドタイムロック契約（HTLC）によって実行される状態チャネルを使用します。ライトニングネットワークでは、短時間で多くのマイクロトランザクションを完了できますが、Raidenではチャネルを通じてスマートコントラクトを実行することもできます。

ライトニングネットワークのようなステートチャネルも、参加者だけが取引について知っているため、完全に安全です。逆に、イーサリアムレイヤー1ブロックチェーンは、すべての取引を公的に監査可能な台帳に記録します。

サイドチェーン

大規模なバッチ取引では、サイドチェーンが頻繁に使用されます。サイドチェーンは、独自のバリデーター（およびコンセンサスメカニズム）を持つブロックチェーンネットワークであり、レイヤー1と共存して速度とスケーラビリティを向上させます。

サイドチェーン設計では、レイヤー1の主な責任は、一般的なセキュリティを維持し、バッチ取引記録を検証し、競合を解決することです。サイドチェーンがメインチェーンからの取引の処理を完了すると、資産はロックされます。また、ほとんどのサイドチェーンには、メインネットとサイドチェーン間の活動に異常がないかを再確認するフェデレーションやその他の独立したサードパーティが存在します。スマートコントラクトまたは人間のコレクションのいずれかがフェデレーションを構成することができます。

サイドチェーンとステートチャネルには2つの主な違いがあります。

サイドチェーンで行われた取引は、参加者間で非公開ではなく、台帳上で公開されます。
メインチェーンやその他のサイドチェーンは、サイドチェーンのセキュリティ上の欠陥の影響を受けません。

ロールアップ

ブロックチェーン環境で人気が高まっているスケーリングアプローチの1つは、ロールアップです。ロールアップでは、レイヤー1の取引グループがまとめられ、オフチェーンで処理され、メインチェーンにロードバックされます。

そのため、レイヤー1はすべてを個別に処理する必要はありません。ロールアップにより、イーサリアムのようなレイヤー1ネットワークは、よりスケーラブルになります。ロールアップの機能も異なります。楽観的なアプローチを採用する人もいれば、知識ゼロの手法を採用する人もいます。

ロールアップには以下の2種類があります。

楽観的なロールアップ：これらは、デフォルトで取引が有効であることを前提としています。したがって、不正を検出するために計算を行うのは、問題がある場合のみです。
ゼロ知識ロールアップ：これらのロールアップは、オフチェーンで計算を実行します。その後、検証証明をベースレイヤーまたはメインチェーンに提出します。

ロールアップは、取引スループットの向上、参加率の開放、利用者のガス代の削減に役立ちます。

レイヤー1とレイヤー2の制限事項

ブロックチェーンのレイヤリングには、いくつかのメリットがあります。たとえば、レイヤー1ソリューションの主な利点は、ベースレイヤーが変更されるため、開発者が既存のアーキテクチャに何も追加する必要がないことです。

一方、レイヤー2スケーリングソリューションは、ベースレイヤープロトコルを改ざんしません。また、これらのソリューションにより、超高額の取引手数料やマイナー認証の無駄な時間を支払うことなく、複数のマイクロトランザクションが可能になります。

ただし、これらのブロックチェーンレイヤーには、考慮すべき制限があります。

既存のプロトコルへの追加

ブロックチェーンレイヤーの主な問題は、既存のプロトコルに追加することです。ビットコインとエテリウムの時価総額は、いずれも数十億です。利用者は毎日数百万ドルを取引しています。したがって、不要なコーディングや実験によってプロセスを複雑にすることは意味がありません。これは、多額の資金が必要になるためです。

レイヤー1とレイヤー2の未来は？

スケーラビリティは、現時点でブロックチェーン業界で暗号資産を大量に採用できない理由の1つです。仮想通貨の需要が高まるにつれ、ブロックチェーンプロトコルの拡張圧力も高まるでしょう。どちらのブロックチェーンレイヤーにも一定の限界があるため、将来の解決策はスケーラビリティのトリレンマに対処できるプロトコルを構築することです。