オフチェーン拡張デプス解析

著者：エレイン・シュー、ヘッティ・ジャン、ジュン・ワン、ワロン・リン、イリウ・リン

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、去中心化、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つしか実現できないことがあり、これはブロックチェーンの不可能な三角問題と呼ばれています。長年にわたり、人々は去中心化と安全性を保証しながら、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探求してきました。

まず、ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティについて定義しましょう:

• 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。
• 安全性:ブロックチェーンシステムのコントロールを取得するコストが高いほど、安全性が高まり、より大規模な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。

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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。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で意見が分かれており、一方はブロックの拡大を支持し、もう一方は隔離証人の方案を支持していました。2017年8月1日、ブロックの拡大を支持する側が新しいクライアントシステムを運用し始め、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、新しい通貨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、その後のDeFi、GameFi、NFT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ず、取引コストが増加し、決済時間が長くなっています。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できるだけ高めることです。

2. スケーリングソリューションの種類

私たちは「主ネットを一層変えるかどうか」を基準として、拡張方案をオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の二大カテゴリに分けました。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト: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、以下に2つを簡単に列挙します:

• プラン1はブロックスペースを拡大することで、各ブロックにパッケージされるトランザクションの数を増やすことですが、これによりノードの要求が増加し、分散化の程度が低下します。
• 方案二は分割であり、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分け、異なる分割が異なる記録を担当します。これによりノードの負担が軽減されますが、ネットワーク全体の安全性は低下します。

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引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるセキュリティの脆弱性が全体のネットワークの安全性に深刻な脅威をもたらすからです。

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
• その他のソリューション: 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では、チャネルが開いている、閉じている、または紛争を解決しているときにのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があると規定されています。ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われ、取引コストを削減し、取引回数の制限をなくすことができます。

ステートチャネルは、2人のチェスゲームのようなターン制アプリケーションに適したシンプルなP2Pプロトコルです。各チャネルは、マルチシグスマートコントラクトによって管理され、チャネルに預けられた資産を制御し、ステータスの更新を検証し、参加者間の争議を仲裁します。

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:ライトニングネットワークホワイトペーパー正式発表
• 2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様Spritesを提案
• 2018/06: Counterfactual が一般化状態チャネルの詳細設計を提示
• 2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念を導入
• 2019/02:ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張されました
• 2019/10:PisaによるWatchtowersの概念拡張が、参加者が常時オンラインである必要があるという問題を解決します。
• 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. アリスとボブは、メインネットの契約に資金を預けて署名確認することで、ステータスチャネルを開通します。
2. アリスとボブはオフチェーンで回数無制限の取引を行うことができ、各取引は両者の署名確認が必要です。
3. アリスがチャネルを閉じる場合、契約に最終状態を提出する必要があります。ボブが署名して承認すれば、契約は即座に資金を分配します。ボブが応答しない場合は、「チャレンジ期間」が終了するまで資金を受け取ることができません。

悲観的な場合のワークフロー:

BobがAliceの状態更新の署名に応じない場合、Aliceは契約に自分の最後の有効な状態を提出して挑戦を開始できます。Bobは一定の期間内に次の状態を提出して応答できます; 応答しない場合、契約は自動的にチャネルを閉じ、資金をAliceに返します。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 予約は即確定
• 高スループット
• プライバシー性が良い -万芸

短所：

• 資金を事前にロックする必要があります
• 参加者はオンラインのままである必要があります
• 少ない参加者をサポート
• 大規模な退出問題を解決できません

3.1.5 アプリケーション

ビットコインのライトニングネットワーク:

• 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月に76,236の決済チャネルがあり、チャネル資金は5049 BTCです。
• エコシステムは、支払い、ウォレット、ノード管理などの複数のカテゴリをカバーし、100以上のアプリケーションがあります。

イーサリアムライトニングネットワーク:

• 2017年に設立され、2020年にメインネットバージョンをリリース
• 利用のハードルが高く、生態系の発展が遅い
• Layer2 Rollupネットワークでの運用に移行する

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が追加されました
• ハイフリークエンシーインタラクションアプリケーションに適した電子競技プラットフォーム
• クロスチェーンブリッジcBridgeなどの製品がリリースされました

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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を改善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バリデーター側に記録され、メインチェーンに送信されます。

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ました
• 2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
• 2017/04:POA Networkテストネットがオンライン
• 2017/10: Matic Networkがローンチ
• 2018/01:Skaleテストネットがオンライン
• 2020/06:Matic PoSチェーンメインネットがローンチ
• 2021/02: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

3.2.3 技術原則

サイドチェーンには、メインチェーンと通信する主に二つの方法があります:

1. 双方向アンカリング(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現在の状態を記録し、SPV技術を使用して取引を検証します。

2. 不調和なアンカー(非対称ペッグ): サイドチェーンのバリデーターはメインチェーンの活動を監視しますが、メインネットはサイドチェーンの状態を確認できず、サイドチェーンの取引を検証するために認証者メカニズムを導入する必要があります。

現在ますます多くのサイドチェーンが第三者ノータリゼーション(PoA)メカニズムやリレイヤー中間層を使用してメインチェーンのブロックステータスを確認しています。

サイドチェーンメカニズムのまとめ:

• アセットは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する
• アセットを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wrapped assetを焼却し、メインチェーンでアセットをロック解除する

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####3.2.4長所と短所

価値：

• 高度なカスタマイズ性
• 複雑なスマートコントラクトをサポート
• クロスチェーン資産移転
• 独立したガバナンスメカニズム

短所：

• セキュリティが低い
• 中心化リスク
• クロスチェーン通信の複雑度が高い
• 双方向のアンカリングには長い確認時間が必要です

3.2.5 アプリケーション

xDai Chain( Gnosis Chain)になりました。

• 2018年9月にメインネットがローンチされ、2022年4月にGnosisと合併しました
• PoSDAOコンセンサスメカニズムを採用
• TVL約5300万ドル、エコシステムには35の進行中のプロジェクトがあります

ポリゴン:

• 2020年6月にメインネットが立ち上がり、Matic PoSチェーンとプラズマチェーンが稼働しました
• 2021年ブランドがPolygonにアップグレードされ、アグリゲーターに転換しました。
• すでに37k+の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ゲーム用に開発されたサイドチェーン
• 2021年3月にメインネットがローンチされ、PoAコンセンサスメカニズムを採用しました
• 2022年3月に6.24億ドルのハッキング攻撃を受けました

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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。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た場合でも、すべてのユーザーの資産はPlasmaチェーンから引き出され、メインネットに戻されることができるということです。

3.3.2 タイムライン

• 2017/08:Plasmaホワイトペーパー発表
• 2018/01: プラズマアプリケーション初の公式プラズマMVPを提案
• 2018/03: 大量引き出しの問題を解決するためにPlasma Cashが提案されました
• 2018/06:Plasmaデビットを提案
• 2018/11: Plasma Prime導入
• 2019年から:イーサリアムコミュニティはロールアップソリューションの探索を開始しました

3.3.3 技術原則

プラズマの核となる考え方:

• オフチェーン実行:大部分の作業はメインネットの外で処理される
• ステータスコミットメント: Merkle Rootを使用してPlasmaチェーン状態の圧縮バージョンを保存する
• 退出メカニズム: ユーザーはメインネットに対して、引き出すことができ、金額が正しい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Plasma契約に資金を預けます
2. ユーザーはPlasmaチェーン上で取引を行います
3. オペレーターは取引をパッケージ化し、状態コミットメントをメインネットに提出します。
4. ユーザーが出金リクエストを開始し、チャレンジ期間後に資金を引き出すことができます。

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3.3.4 長所と短所

価値：

• 高スループット
• 取引手数料が安い
• 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
• ユーザーは頻繁に監視する必要があります
• 機能の制限

3.3.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

• プラズマグループ → オプティミズム(オプティミスティックロールアップ)
• OMGネットワーク → ボバネットワーク(オプティミスティックロールアップ)
• ポリゴン(以前のMatic Network) → フルスタックL2ソリューション

まとめ: Plasmaは技術的な移行策であり、技術自体の問題に制約されているため、主な応用はすぐにRollupsに基づいたソリューションの開発に移行しました。

3.4 ロールアップ

3.4.1 まとめ

Rollupsのコア思想は、計算プロセスと状態ストレージをオフチェーンに置き、メインチェーン上に状態のコミットメントと圧縮されたトランザクションデータを保存することです。

Rollupsは2種類に分かれます:

• オプティミスティックロールアップ:詐欺証明によって正確性を保証する
• ZK Rollups:有効な証明を通じて(ゼロ知識証明)によって正確性を保証します

3.4.2 技術原則

コアメカニズム:

• オフチェーン仮想マシンによる取引と状態の保存
• 圧縮された取引データと状態ルートをメインチェーン契約にアップロードする