ブロックチェーンのスケーリング技術
ブロックチェーンは安全性、透明性、不変性を備えた分散型システムを構築できる利点があり、その普及が進んでいる。
暗号資産（仮想通貨）の送金・決済に始まり、DeFi（分散型金融）での運用、NFT（非代替性トークン）の売買、それらを組み合わせたGameFi要素と、ユースケースが誕生するにつれてユーザー数も増加してきた。
しかし、ブロックチェーンにはトランザクション処理のリソースに限界があるため、レイヤー2スケーリングソリューションが注目されている。
レイヤー2は、ブロックチェーンの基本層（レイヤー1）とは別に機能し、トランザクションやスマートコントラクトの処理をオフチェーン（ブロックチェーンの外部）で行うことで、トランザクション処理のスピードと効率を向上させる目的で開発された技術。これにより、オンチェーン（ブロックチェーン上）の負荷が軽減され、全体のスケーラビリティが向上する。
この記事では、レイヤー2スケーリングソリューションの概要やメリット、主にイーサリアム（ETH）エコシステムで注目を集めるプロジェクトについて解説していく。
- 目次
レイヤー2とは
レイヤー2とは、ブロックチェーンのスケーリング問題を解決するために作られた追加層で、レイヤー1ブロックチェーンから取引処理を引き受けて、アプリケーションの拡張性をサポートする。
レイヤー2は、レイヤー1の強固な分散型セキュリティを活用しながら、圧縮された取引データをレイヤー1に送り返すことで、1秒間に処理できる取引数を増やすことができる。レイヤー1はトランザクションの正当性を証明する情報を保存するため、最終的なセキュリティを担当する。
レイヤー2の実装により、エンドユーザーはトランザクションの高速処理を享受でき、取引手数料（ガス代）の負担も削減できる。
ブロックチェーンの「スケーリングソリューション」としては、シャーディング、パラレルチェーン、サイドチェーン等の種類があるが、それらとレイヤー2の違いはメインネットの強固な分散型セキュリティを活用しながら実現することにある。
また、レイヤー2は追加層として実装されるため、レイヤー1の構造を変更する必要がない。レイヤー1で複数のレイヤー2に対応できるため、近年多くのプロジェクトが立ち上がっている。
ブロックチェーンのスケーラビリティ問題とは？
スケーラビリティ問題とは、ブロックチェーンが1秒間に処理できるトランザクション数に限りがあるため、ユーザーや使用量が急増すると、取引処理の待機時間が長くなり、手数料が高くなり、ユーザーエクスペリエンスが低下することを指す。
イーサリアムは、取引手数料をオークション原理で決定しているため、手数料が高騰することがある。他のブロックチェーンは、処理能力が高く、手数料が安価な場合があるが、セキュリティや分散性を犠牲にしている場合がある。
こうした、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題を解決するために、レイヤー2スケーリングソリューションが開発されている。
レイヤー2の種類
「レイヤー2」というスケーリングソリューションには、Optimistic Rollups、ZK Rollups、チャネルなどの種類がある。これらは、レイヤー1ブロックチェーンから取引処理を引き受けてアプリケーションの拡張性をサポートすると同時に、レイヤー1のセキュリティを活用している。
レイヤー2スケーリングソリューションはそれぞれ技術的なアプローチが異なり、用途も異なる。代表的なネットワークの特徴を紹介していく。
ロールアップ
オフチェーンでトランザクションを実行し、複数のトランザクションを1つのブロックにまとめてレイヤー1に提出する技術だ。
ロールアップは、他のスケーリングソリューションであるチャネルやサイドチェーンと比べて誰でも参加でき、より高度なセキュリティを維持できる特性がある。Optimistic RollupsとZK Rollupsの2つに大別され、それぞれ異なるセキュリティモデルを持っている。
ロールアップは、イーサリアムのスケーラビリティ問題に対する現実的なアプローチとして、優先的に推進されている。
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Optimistic Rollups
Optimistic Rollups（オプティミスティック・ロールアップ）は、取引バッチの正当性が「楽観的」に有効であるという前提に基づいて動作し、通常は有効性を証明するデータを公開しない。しかし、取引バッチの計算に不正があった場合に備えて、「不正証明」スキームを採用している。
取引バッチが送信された後、一定期間（チャレンジ期間）が設けられ、誰でも不正がないかを確認できる。もし不正があれば、「不正証明」を提出して取引バッチを無効にし、関係したノードに罰則や報酬が与えられる。
そのため、Optimistic Rollupsのセキュリティモデルは、少なくとも1つの正直なノードが存在して、いつでも不正証明を提出できる環境により成立している。
また、Optimistic Rollupsは、イーサリアム仮想マシン（EVM）上で実行可能であり、既存のイーサリアムのdAppsやプロジェクトの移行により、複雑なユースケースを構築できる。
Optimistic rollupの代表例には、Arbitrum（ARB）やOptimism（OP）、Boba Networkがある。特に、Arbitrumに預け入れられた資産総額（TVL）は17億ドル、Optimismは9.4億ドルに上る（DeFillama：執筆時点）。
米大手仮想通貨取引所コインベースが開発を主導するイーサリアムの独自L2ネットワーク「Base」もOptimistic rollupの一種であり、Optimismベースで構築されている。Baseのテストネットは23年2月23日に稼働した。Baseはガス代の支払いにETHを使用し、独自トークンを発行する予定はないとしている。
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ZK-Rollups
ZK-Rollupsは、レイヤー2でトランザクション処理と状態保存を行い、レイヤー1に最小限の要約データだけを送信する技術だ。
有効性証明と呼ばれるゼロ知識証明技術を使用し、レイヤー2で処理された最終的な状態変更が、バッチ内のすべてのトランザクションを実行した最終結果であることを証明する。
ゼロ知識証明とは、証明者が「実際の情報」を検証者に開示することなく、情報に関する知識を持っていることを暗号で証明する方法。イーサリアムのようなパブリックチェーンの透過的な環境で、プライバシーを保護しながらデータを活用する手段として注目を集めている。
▶️仮想通貨用語集
ZK-Rollupsは高速であり、チャレンジ期間が不要であるが、計算と検証にコストがかかり、ガス代が増加する可能性がある。
また、ZK-Rollupsは、Optimistic Rollupと異なり、イーサリアム仮想マシン（EVM）と互換性がないため、開発者は新たにスマートコントラクトやツールの開発が必要になる部分が多い。
ZK-Rollupsの中でも代表的なプロジェクトであるLoopringやZkSync、PolygoZkEVMは、オープンしたばかりの段階であるためユーザー数が少なく、レイヤー1への書き込みにかかる固定費をその時点のユーザーで共有分担するため、ガス代が割高になる場合がある。現時点では、ArbitrumやOptimismに比べてガス代が高い場面も度々確認されている。
出典：L2 Fees
そのため、zk-Rollupsはシンプルなユースケースに適していると見られ、ペイメントやDEX機能に特化したLoopringやZKSpace、トークンスワップ・NFT機能をサポートするzkSync、プライバシー機能を実装するAztecなど、特定のアプリケーションに特化したプロトコルで使用されてきた。
しかし、StarkWare社が開発するStarkNetは、独自のスマートコントラクトCairoをベースに、CairoVM（仮想マシン）を搭載。dAppsプラットフォームを提供2022年11月に許可型メインネットStarkNet Alphaをローンチ。その後、パーミッションレスなStarkNet Betaへ移行する予定。3月17日時点にエコシステムで1000人以上の開発者と400以上のGitHubレポジトリを誇る。
さらに、最近ではイーサリアム仮想マシンに互換性のあるZK-EVMが登場しており、より広大なエコシステムが形成されることが期待される。ZK-Rollupとその派生技術は、今後ゼロ知識技術が進化することで、より効率的で実用的なものになる可能性がある。
ZK-EVM
ZK-EVMは、ゼロ知識証明を使用してプログラムの実行の正当性を検証するための仮想マシン。イーサリアムのスマートコントラクトを実行することができるため、dAappsの開発者はよりスムーズにスケーラビリティとセキュリティを活用したアプリを構築できる。
ZK-EVMはまだ開発段階であり、メインネットローンチを行っているプロジェクトは少ないが、複数のテストネットが存在している。開発者やユーザーは、ZK-EVMを利用した以下のような製品をテストすることができる。
1.zkSync（ZKSync Era）：開発主体はMatter Labs。3月24日にメインネット（β）ローンチ、200以上のプロジェクトが待機中。「アカウント抽象化」をサポート。
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2.Polygon zkEVM：開発主体はPolygon Labs。3月27日にメインネット（β）ローンチ。50以上のプロジェクトが稼働。
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3.Scroll：開発主体はScroll Technologies。23年2月にイーサリアムのテストネット「Goerli」で、アルファテストネットをローンチ。東京で開催されるイーサリアムのハッカソンイベント「ETHGlobal（イーサグローバル）」に参加予定。
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4.Linea（ConsenSys zkEVM）：開発主体はConsenSys。メタマスクやInfuraなどのツールに最初から対応。一般向けテストネットを3月28日にローンチした。
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EVM同等（EVM-Equivalence）について
EVM-Equivalence（同等）とは、イーサリアム仮想マシン（EVM）と同じ機能を持つことを指し、既存のスマートコントラクトや開発ツール、ウォレットなどをそのまま利用できる利点がある。Polygon zkEVMやScrollは、EVM-Equivalenceを採用している。
一方、EVM-Compatible（互換）は、EVMと似た機能を持つことを意味する。EVMとは完全に同じではなく、オペコードやデータ構造の一部が異なるため、移植時に修正が必要となる。ZKSync EraではEVM-Compatibleを採用し、GemholicECOというプラットフォームが誤って「transfer()」関数を使用して資金が拘束された。
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チャネル
チャネルは、2人以上のユーザーがオフチェーンでトランザクションを行い、最終的な状態をレイヤー1に送信する技術。
マルチシグ（複数署名）コントラクトに資金をデポジットして、ビットコインの場合はScript言語を使ってP2P取引を行う。チャネルがクローズされると、オフチェーンで行われた取引の最終状態がレイヤー1に反映される。
参加者間での事前の合意が必要であり、使用はチャネルを開設する相手と合意できる範囲に制限される。しかし、ユーザー間で直接チャネルを開設していなくても、間接的に取引が可能になるような仕組みも提供されている。
主にペイメントチャネルとステートチャネルの2種類があり、ビットコインの場合はLightning Network、イーサリアムの場合はRaiden Networkが代表的な例となる。
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サイドチェーン（プラズマ）
サイドチェーンは、レイヤー1の資産をブリッジし、別のブロックチェーン上で利用可能にする技術。メインチェーンとは別のプロトコルやルールで動作し、カスタマイズも可能だが、セキュリティやデータの可用性はメインチェーンからは独立している場合が多い。
しかし、Plasma（プラズマ）においては、オフチェーンブロックの「ルート（トランザクションを含むブロックのハッシュ値の集約）」がイーサリアムに公開されるため、メインチェーンのセキュリティを継承しているとみなされている。
Polygon PoSチェーン（旧MATIC）は、PlasmaとProof of Stakeを組み合わせたハイブリッドチェーンであり、PoSコンセンサスメカニズムを使用してイーサリアムに接続された別のブロックチェーンを作成し、そこで取引を処理してからイーサリアムのメインチェーンに定期的にコミットしている。
レイヤー2とサイドチェーンの違い
サイドチェーンはメインチェーンと双方向ペグで接続された別のブロックチェーン。メインチェーンのスケーラビリティやプログラム可能性を高めるために、特定のユースケースや機能に特化したアプリケーション開発をサポートする。
双方向ペグはあるチェーン上の資産を別のチェーンにロックし、その対応する資産を別のチェーンで解放することで資産の移動を実現するが、サイドチェーン上の取引結果（状態）はレイヤー1に送信されない。
状態データはサイドチェーンが保存しており、データの可用性（複数のノードがデータを分散保持）はサイドチェーンのバリデーターに依存する点でセキュリティリスクが懸念される。
一方、レイヤー2はあくまでも追加層であり、全体のセキュリティと整合性を維持する部分でメインチェーン（レイヤー1）への接続を前提としている。レイヤー2は圧縮した取引結果（状態）を定期的に送信し、メインチェーンがデータの可用性を確保する。
レイヤー2の各実装では、データの可用性を確保するための独自の仕組みが設けられている。例えば、Optimistic Rollupsの場合、参照情報となる「状態データ」はメインチェーンにあり、誰でもそのデータを利用して、ロールアップ内で行われた作業の正確性を検証できる。
ロールアップオペレーターが悪意のある行為（例：不正なブロックの作成）を行ったとしても、検出されるようインセンティブが組み込まれている。
まとめ
2021年以降、イーサリアムのスケーリングを実現するためのレイヤー2プロジェクトが多数設立されてきた。OptimismやArbitrumなどのプロジェクトは独自トークンを発行し、プロジェクトの分散化を図っているため、それぞれのリスクを考慮する必要がある。
例えば、ロールアップのシーケンサーがダウンした場合、自分の資金へのアクセスできない可能性がある。そのため、L2の利用には事前に調査を行い、リスクを評価して投入資金を検討することが重要となる。
レイヤー2の技術、リスク、信頼の前提に関する詳細については、各プロジェクトの包括的なリスク評価フレームワークを提供する「L2BEAT」で確認することが推奨されている。
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