オフチェーンスケーリングの完全な分析:ステートチャネル、サイドチェーン、プラズマの3つの主要テクノロジーの詳細な比較

2025-07-18 18:51:32

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ですが、通常はそのうちの2つしか実現できません。これがブロックチェーンの不可能な三角問題です。長年にわたり、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、つまりスケールアップの問題を解決する方法を探求してきました。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティを定義しましょう:

非中央集権:誰でもノードに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程度が高くなる。
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による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。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

ビットコインネットワークの最初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の増加に伴い、1MBのブロック上限を持つビットコインネットワークは混雑の問題に直面し始めました。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について意見の相違があり、最終的に2017年8月1日にビットコインの歴史上初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。

同様に、イーサリアムネットワークもネットワークの安全性と非中央集権を保障するために、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。イーサリアムはビットコインのようにブロックサイズを制限していませんが、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設定することで、Trustless Consensusの実現とノードの広範な分布を確保することを目的としています。

2017年のCryptoKitties、DeFiの夏、そしてその後の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、市場はスループットの需要が増加していますが、イーサリアムは依然として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、大多数のDAppsは運営コストを負担することが困難になり、ネットワーク全体がユーザーにとって遅くて高価になっています。ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決する必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、非中央集権性と安全性を犠牲にすることなく、ネットワークの取引速度とスループットを可能な限り向上させることです。

2. スケーリング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"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スケーリングとオフチェーンスケーリングの2つの大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:メインネットプロトコルのレイヤーを変更することでスケーラビリティを実現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。

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ますが、この記事では詳しくは述べず、簡単に2つを挙げます:

方案一はブロックスペースを拡大することであり、すなわち各ブロックにパッケージされる取引の数を増やすことですが、高性能ノードデバイスに対する要求が高まり、「分散化」の程度が低下します。
プラン2はシャーディングで、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割し、異なるノードが異なる記帳を担当します。これによりノードの計算負荷と参加のハードルが低下し、取引処理速度と分散化の程度が向上しますが、全ネットワークの計算能力が分散されるため、ネットワーク全体の「セキュリティ」が低下することを意味します。

レイヤー1のメインネットプロトコルを変更すると、予測できない悪影響を及ぼす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずか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からです。

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を提供する。

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:メインチェーンの上に構築されたセカンドレイヤーネットワーク
サイドチェーン:独立したブロックチェーンで、メインチェーンと並行して動作する
プラズマ: 特殊なサイドチェーンの一種
Validium:データの可用性がオフチェーンで拡張されるソリューション

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

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、または紛争を解決する時に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と規定しています。ユーザー間のインタラクションはオフチェーンで行い、取引の時間とコストを削減し、制限のない取引回数を実現します。

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」に適しており、例えば2人のチェスゲームなどです。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、状態更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。参加者はネットワークに契約をデプロイした後、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設されます。チャンネルは参加者間で無制限のオフチェーン無料取引を可能にします(、ただし転送の純資産価値が預けられたトークンの総額を超えない限り)。参加者は交互に相手に状態更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。通常、双方が合意した状態更新はメインネットにアップロードされず、争いが発生するかチャンネルが閉鎖される場合にのみメインネットの確認が必要になります。チャンネルを閉鎖する際、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、全員の署名が承認されれば即座に実行されます。それ以外の場合は、「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。

以上のように、ステートチャネルのソリューションは、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、取引コストを低減できます。

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、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:Joseph PoonとThaddeus Dryja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し、ビットコインのライトニングネットワークのスケーリングソリューションであるPayment Channel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: Generalised State Channel Networksは、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念を導入しました。
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はすべての参加者が常にオンラインでいる必要があるという問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。
2020/03:Hydraがファスト同型チャネルを提案。

3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフロー:

アリスとボブは、個人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によって、これらの資金が契約内にロックされます。二人が署名を確認した後、ステートチャンネルが正式に開通します。
アリスとボブはオフチェーンで無制限に取引を行うことができ、暗号署名メッセージを通じて相互に通信します。双方は二重支払いを防ぐために、各取引に署名する必要があります。これらのメッセージを通じて、彼らは自分のアカウントの状態更新を提案し、相手が提案した状態更新を受け入れます。
アリスがチャネルを閉じて取引を終了したい場合、自分のアカウントの最終状態を契約に提出する必要があります。ボブが署名を承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を対応するユーザーに返還します。ボブが署名に応答しない場合、契約はチャレンジ期間終了後に資金を対応するユーザーに返還します。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.1.4 メリットとデメリット

価値：

予約は即確定
高スループット
低コスト
プライバシー性が良い

短所：

資金をロックする必要があります
参加者はオンラインでいる必要があります
マルチパーティ取引の処理が難しい
複雑なスマートコントラクトには適していない
集中化リスク
ユーザーエクスペリエンスが悪い

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:

ビットコインネットワークの小額決済チャネルは、オフチェーンの小額決済チャネルと仲介者によって取引ネットワークを構成し、ビットコインネットワークのスケーラビリティ問題を解決します。
2015年2月にホワイトペーパーの草案が発表され、2018年3月にメインネットのバージョンがリリースされました。
2022年11月時点で、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。
エコシステムには、支払い、ウォレット、ノード管理、ブラウザ拡張など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:

イーサリアムに基づく小額決済チャネルで、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、2020年5月に最初のメインネットクライアントがオンラインになりました。
現在は広く採用されていない理由には、利用のハードルが高いことや、より進んだスケーラビリティ技術の登場などが含まれます。

セラーネットワーク:

本質的には、インセンティブ層を追加したライトニングネットワークです。
2018年に設立され、2019年7月にイーサリアムメインネットが立ち上がりました。
クロスチェーンをサポートするL2スケーリングアグリゲーションプラットフォームに変わり、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などの製品を発表しました。

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年に初めて提案され、ビットコイン取引を加速させるために登場したブロックチェーンの形態です。サイドチェーンは、より複雑な契約を使用したり、コンセンサス機構(を改善したり、PoS)やブロックパラメータを通じて特定の機能に合致させることができます。サイドチェーンの取引結果は、最終的にメインチェーンに送信される際に、バリデーター側に記録されます。このようなブロックチェーンモデルは新しいブロックチェーンの形態ではなく、メインチェーンに付随して問題を解決するためのインフラストラクチャです。

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チャットルームで提案された
2014/10: ビットコインのサイドチェーン論文が初公開: 対称ペッグと非対称ペッグ
2017/04:POA NetworkはイーサリアムのProof of Authenticationコンセンサスに基づくサイドチェーンテストネットをオンライン化します。
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テストネット上线
2018/10:xDai Chainテストネットオンライン
2020/06:Skaleメインネットのローンチ
2020/06:イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainメインネットの立ち上げ
2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
2021/02:Axie InfinityゲームサイドチェーンRoninメインネットの運用が開始されました
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