Ethereum 2.0 とレイヤー 2 ソリューションが互いにメリットをもたらす方法

過去 1 年ほどブロックチェーン業界に注目していた方であれば、Ethereum の「合併」やレイヤー 2 ソリューションについて聞いたことがあるはずです。ただし、これらはかなり技術的な概念であり、多くの人が見落としている可能性があります。この記事では、これらが何であるか、そして今後どのように相互に関連していくかについて、より分かりやすい概要を提供しようとします。

イーサリアムの現在の構造

背景として、Ethereum の現在の構造と既存のスケーラビリティの問題を理解しておくと役立ちます。 Ethereum ブロックチェーンは分散型パブリック台帳です。中央集権的な権限を必要とせずに人々がオープンに構築および取引できる、大規模なオープンソース オペレーティング システム (またはグローバル コンピューター) と考えてください。

イーサリアムブロックチェーン（および輻輳）の説明

Ethereum ネットワーク上で発生するすべてのトランザクションは、「ブロック」に記録されます。たとえば、Ethereum ネットワーク経由で相手方にトークンを送信する場合、トランザクションはブロックに含まれ、送信前に承認されるようになります。各ブロックは通常、多数のトランザクションで構成されており、これらのトランザクションはさまざまな人から発信されます。ブロックがネットワークに受け入れられると、そのブロックは以前に受け入れられたブロック（データ チェーン内）にリンクされ、そのブロック内のすべてのトランザクションが通過できるようになります。ブロックはトランザクションの正確な時間と順序を確認し、ブロックが変更されたり、既存の 2 つのブロックの間にブロックが挿入されたりしないように安全にリンクされているため、「ブロックチェーン」は改ざん不可能で不変です。

ブロック承認プロセスを調べ始めると、状況はさらに複雑になります。各ブロックは、イーサリアム ネットワーク上の「マイナー」によって組み立て（または採掘）され、取引を行う人々はマイナーに一定量の「ガス」を支払います。ガスは取引手数料、または取引を計算するコストと考えてください。

各ブロックのサイズは、最終的にネットワーク上で一度に発生できるトランザクションの数を決定し、ネットワークのブロック ガス制限によって決まります。この記事の執筆時点では、イーサリアムの平均ブロック サイズは 3,000 万ガス単位です。つまり、ブロックは、そのすべてのトランザクションで消費されるガスの合計量が 3,000 万単位未満の場合にのみ有効です。つまり、ネットワークが混雑している場合、保留中のトランザクションがすべて 1 つのブロックに収まらず (各トランザクションにガスが必要で、制限を超えてしまうため)、ネットワークが混雑する可能性があります。

Ethereum 平均ガス制限チャートは、Ethereum ネットワークの過去の平均 1 日のガス制限 (2016 年から現在) を示しています。最大ブロック サイズが 1 MB である Bitcoin とは異なり、Ethereum には技術的に最大ブロック サイズがありません (マイナーは Ethereum のブロック ガス制限を共同で増減できます)。ただし、ブロックごとに消費されるガスを制限すると、Ethereum ブロックチェーンの成長と、マイナーやノードの運用コストを管理するのに役立ちます。画像ソース: Etherscan

つまり、この混雑は、現在の Ethereum ネットワークがスケーリングに問題を抱えている理由の一例です。 「マージ」は、ネットワークの速度、効率、スケーラビリティを向上させ、ボトルネックを回避し、より多くのトランザクションを同時に処理することを目的とした Ethereum 2.0 の一部です。現在のネットワークは 1 秒あたり 30 件のトランザクションを処理できますが、Ethereum 2.0 は 1 秒あたり 100,000 件のトランザクションを処理できると約束しています。

合併/イーサリアム 2.0

Ethereum 2.0 アップグレードは、Ethereum ブロックチェーンの複数段階のアップグレードであり、ネットワークのインフラストラクチャに対するさまざまな変更 (最も顕著なのは、Proof-of-Work (PoW) コンセンサス メカニズムから Proof-of-Stake (PoS) モデルへの切り替え) を通じて、ネットワークのスケーラビリティとセキュリティを向上させることを目的としています。モデル間の違いに関する詳細は近日中に発表される予定です。

まず、合併は Ethereum 2.0 のアップグレードを推進する唯一のイベントではありません。アップグレードはさまざまな部分で構成されており、マージもそのうちの 1 つです (ただし、重要な部分です)。 3 つの主要なコンポーネントは、(i) ビーコン チェーンのアップグレード、(ii) マージ、(iii) シャーディングです。技術的には、これにはさらに多くのアップグレードが含まれますが、これらの比較的小規模なアップグレードは、ネットワークの円滑な運用を確保するために設計されており、他のアップグレードと並行して実装されます。

Ethereum 2.0 のアップグレードを推進する主なコンポーネントは 3 つあります。

これらはそれぞれ、Ethereum ネットワークの PoS モデルへの移行における独自の部分です。ビーコンチェーンは2020年12月1日に初めてリリースされ、イーサリアムエコシステムにプルーフオブステークを導入しました。チェーンは別のブロックチェーンとして存在し、現在は Ethereum メインネット (「メイン ネットワーク」の略) 上のトランザクションを処理しません。ただし、ビーコン チェーンはまもなくメインネットと統合され、実行レイヤーのトランザクションを含むすべての Ethereum ネットワーク データのコンセンサス エンジンになります。この合併は、Ethereum のブロック生成エンジンとして Beacon Chain (Proof of Stake) を使用するという公式な移行を表しています。

例え話をしてみましょう。イーサリアムがまだ恒星間旅行の準備ができていない宇宙船であると想像してください。ビーコン チェーンにより、コミュニティは新しいエンジンと頑丈な船体に相当するものを構築しました。徹底的なテストの後、飛行のために古いエンジンが新しいエンジンに交換されました。これにより、新しい、より効率的なエンジンが既存の宇宙船と融合し、数光年の距離を移動して宇宙を征服する準備が整います。 - Ethereum.org による合併の例えでは、新しいエンジンはビーコン チェーン (Proof of Stake)、古いエンジンは Proof of Work、宇宙船は Ethereum です。

Ethereum 2.0 アップグレードの 3 番目の主要コンポーネントはシャード チェーンであり、これは Ethereum ネットワークのスケーリングに重要な役割を果たします。多くの人の間でよくある誤解は、合併後すぐにイーサリアム ネットワークが拡張され、より効率的になるというものです。ただし、これらのスケーリング効果は、シャーディングが導入されるまで（2023 年中に導入される予定）効果を発揮し始めません。

シャーディングは基本的に、ネットワークのスケーラビリティを向上させるために、イーサリアムのネットワーク全体を「シャード」と呼ばれる小さな部分に分割します。シャード チェーンは、すべての操作を単一のブロックチェーンに集中させるのではなく、これらの操作を 64 個の新しい/ミニ ブロックチェーンに水平に分散します。負荷を分割することで、各バリデータはネットワーク全体のすべてのトランザクションを処理する必要がなくなります。これにより、既存のプルーフ・オブ・ワーク モデルと比較して、ネットワークの混雑が軽減され、ネットワーク上の 1 秒あたりのトランザクション数が増加します。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）

これまで、イーサリアム ネットワークはプルーフ オブ ワークを通じて保護されてきました。このモデルは以前に導入されており、他の機能の中でも、ブロックを検証するためのマイナーが含まれています。ただし、合併後は、マイニング（プルーフ・オブ・ワーク）は、イーサリアム ネットワーク上で有効なブロックを生成する手段ではなくなります。代わりに、ビーコン チェーンの Proof-of-Stake バリデータがこの役割を引き受け、すべてのトランザクションの有効性を処理する責任を負います。

PoS モデルと PoW モデルの違いは何ですか?つまり、マイナーにブロックを検証させる代わりに、イーサリアムの所有者はイーサリアムのスマートコントラクトにコインを賭けるのです。ネットワークを通じて伝播された新しいブロックが有効かどうかを確認する責任があるのは、これらの利害関係者 (バリデーターとも呼ばれます) です。

PoS モデルに切り替える理由は何ですか?理由はいくつかあります。その中でも最も重要なのは、このモデルがシャーディングに対してより安全であることです。これは、前述のように、Ethereum ネットワークのスケーリングにおいて重要な役割を果たすことになります。

シャーディングはネットワークを複数の部分に分割します。この構造によりスケーラビリティが向上する可能性がありますが、ネットワーク内の特定のシャードが攻撃に対してより脆弱になります。ネットワークの特定のシャード（ミニブロックチェーンのようなもの）を攻撃するには、ハッシュレートのごく一部を蓄積するだけで済みます。そうでなければ、シャーディングを実装せずにブロックチェーン全体を制御する必要があります。さらに、PoW を使用すると、マイナーは攻撃するシャードを具体的に選択できます (より厳密に言えば、ハッシュ パワーを提供するシャードを選択できます)。したがって、PoW マイナーは互いに共謀し、制御権を獲得するために 1 つのシャードに集中する可能性があります。マイナーがシャード内のブロック生成者の大多数を掌握した場合、マイナーはネットワークを混乱させるリスクを冒してネットワークを操作することができます。 PoS は、バリデーターがどのシャードで作業するかを選択できないようにすることで、このリスクを軽減します。代わりに、バリデータは単一のシャードにランダムに割り当てられ、ステーカー間の共謀の可能性が低減されます。

「バリデーターはシャード間で非常に頻繁に（おそらくブロックごとに 1 回）再編成を行うので、特定のシャードを攻撃の標的にするのは実際には非常に難しいことに留意することが重要です。これが、シャーディングが少なくとも理論的にはトリレンマを打破することに成功している大きな理由です。」 — ヴィタリック・ブテリンは2018年に、プルーフ・オブ・ステークがシャーディングによってもたらされるセキュリティ上の脆弱性を軽減するのにどのように役立つかについて講演しました。

プルーフ・オブ・ワークのコンセンサスメカニズムと比較すると、プルーフ・オブ・ステークモデルはエネルギー消費が少なく、より分散化され、より安全です。

• エネルギー消費 – PoS はコンピューティング能力を効果的に置き換えます。マイニングのためのプルーフ・オブ・ワーク計算に大量のエネルギーを使用する必要がなくなりました。

• 分散化 — PoS モデルでは通常、トランザクションを確認して承認するためにネットワーク上でより多くのコンピューターと参加者 (つまりノード) が必要になるため、PoW モデルよりも分散化が進んでいます。

• セキュリティ - PoS はシャーディングを通じて 51% 攻撃に抵抗する能力が高いだけでなく、バ​​リデーター攻撃に対する抑止効果も大きくなっています。これは主に、PoS ネットワークを保護するバリデーターがプロトコルに大量の ETH (執筆時点では 32 ETH) をステークする必要があるためです。これらのバリデータがネットワークを攻撃しようとしたり不正行為をしたりした場合、プロトコルは関連する ETH を自動的に破壊することができます。

Ethereum 2.0 はスケーラビリティに関して高い目標を掲げています。ただし、これらのアップグレードが完全に有効になるまでにはまだ時間がかかります。その間、イーサリアム ネットワークがスケーラビリティの目標を達成する方法はあるのでしょうか?次に、レイヤー 2 ソリューションについて説明します。

レイヤー2ソリューション

ブロックチェーンをスケーリングする主な目的は、分散化やセキュリティを犠牲にすることなく、トランザクション速度 (より速いファイナリティ) とトランザクション スループット (1 秒あたりのトランザクション数の増加) を向上させることです。スケーリングについては、オンチェーン スケーリングとオフチェーン スケーリングという 2 つの方法で考えると役立ちます。

オンチェーンスケーリング（レイヤー1; L1）

オンチェーン スケーリングには、レイヤー 1 ネットワークへの変更またはアップグレードが含まれます。イーサリアムの場合、これには、ネットワーク上でトランザクションが処理され、確定されるイーサリアム メインネットへの変更が含まれます。 Solana、Cardano、Avalanche など、他にも多くのレイヤー 1 があり、それぞれ独自の特徴と目的を持っています。

レイヤー 1 に変更を加えることは非常に複雑なプロセスになる可能性があり、多くの場合、かなりの作業が必要になります。技術的な制限により、一部の変更やアップグレードはほぼ不可能です。イーサリアムのプルーフ・オブ・ステークへのアップグレードを例にとると、イーサリアムのアップグレードは何年もの開発期間を経ており、まだ完了していません。

これらの複雑さを考慮すると、オフチェーン スケーリングがネットワークをスケーリングする別の方法として登場しました。

オフチェーンスケーリング（レイヤー2）

オンチェーン スケーリングとは異なり、オフチェーン スケーリングではレイヤー 1 ネットワークに変更を加える必要はありません。これらのソリューションは、既存のレイヤー 1 (Ethereum など) の上または横に構築され、メインネットとは独立してトランザクションを実行および処理できる場所として機能します。レイヤー 1 の処理負荷の多くをこれらのオフチェーン ネットワークにオフロードすることで、メインネットはスケーラビリティを犠牲にすることなく、セキュリティなどの他の問題に集中できます。簡潔にするために、この記事ではすべてのオフチェーン スケーリング ソリューションを「レイヤー 2」という用語で表します。

レイヤー 2 にはさまざまな種類があるため、各ソリューションのニュアンスを理解するのは難しい場合があります。

たとえば、Ethereum のコンテキストでは、レイヤー 2 の特徴の 1 つは、これらのソリューションがどのようにセキュリティを実現するかということです。一部のレイヤー 2、楽観的ロールアップ、zk ロールアップ、およびステート チャネルは、セキュリティを Ethereum メインネット (つまりレイヤー 1) から直接取得します。このカテゴリーでは、ロールアップが主要なスケーリング ソリューションとなっており、Arbitrum と Optimism は現在 20 億ドル近くを獲得しています (どちらもオプティミスティック ロールアップです)。

サイドチェーン、バリディウム、プラズマチェーンもあります。これらのレイヤー 2 ソリューションには、セキュリティが Ethereum メインネットから独立した新しいチェーンの作成が含まれます。 Polygon は、このカテゴリの人気のある Tier 2 の例です。現在までに、Polygon は総額約 20 億ドルをロックしており、Zed Run や Quickswap などの人気の Web3 ゲームやアプリケーションをサポートしています。まったく同じではありませんが、レイヤー 2 では、Ethereum のガス料金を 10 ～ 100 倍削減し、1 秒あたり数千件のトランザクションを処理できます (現在、Ethereum のベース レイヤーは 1 秒あたり 15 ～ 45 件のトランザクションを処理しています)。

複雑ではありますが、さまざまなレイヤー 2 ソリューションを用意することで、Ethereum ネットワークのあらゆる部分における全体的な混雑を軽減し、単一障害点を防ぐことができます。レイヤー 2 はさまざまなユースケース (DeFi、NFT、ゲームなど) に合わせて最適化することもできるため、エコシステム全体が多様な設計の恩恵を受けることができます。

Ethereum 2.0 とレイヤー 2 ソリューションは共存できますか?

ここで、Ethereum 2.0 アップグレードの目的と、Ethereum ネットワーク上に構築された既存のレイヤー 2 ソリューションについて少し考えてみましょう。本質的には、それらはすべて、スケーラビリティという同じ問題を解決することを目指しています。

レイヤー 2 ソリューションは、主に Ethereum ベース レイヤーで発生するボトルネックを解決するために構築されています。しかし、Ethereum 2.0 がリリースされ、拡張性を考慮して構築されたベース レイヤー自体が飛躍的に効率化されるとしたら、レイヤー 2 の目的は何でしょうか。これにより Tier 2 は時代遅れになるのでしょうか?

この質問に答えるには、イーサリアムを主流にし、全人類に奉仕するというイーサリアムのビジョンを振り返ることが役立ちます。全人口の 4% 以上が暗号通貨を所有していることを考えると、これは将来的に拡大する必要のある壮大なビジョンです。イーサリアム 2.0 のアップグレードによってネットワークのスループットが大幅に拡大したとしても、混雑することなく世界中の何十億人もの潜在的な毎日の暗号通貨ユーザーをサポートできるかどうかは疑問が残ります。

したがって、Ethereum 2.0 と既存のレイヤー 2 ソリューションとの関係は共生的になる可能性があります。これは、さまざまなスケーラビリティ ソリューションが調和して機能し、将来のトランザクション速度とスループットに指数関数的な影響を与える可能性があることを意味します。イーサリアムがビジョンの達成を計画しているのは、どちらか一方ではなく、これらの複合的な効果です。

「これは『ロールアップはシャーディングではない』ということではなく、『シャーディングの上にロールアップがある』ということです。つまり、ロールアップはシャーディング以前からすでに存在しているか、まもなく登場するでしょう。また、シャーディングなしのロールアップでも、スループットは 100 倍向上します。」 — ヴィタリック・ブテリンのイーサリアムスケーリングに関するTwitter投稿からの抜粋

したがって、シャーディングに加えて、1 秒あたり 15 ～ 45 トランザクション (TPS) から 100,000 TPS への大幅な増加では、乗算効果であるレイヤー 2 ソリューションも考慮されます。たとえば、レイヤー 2 によってスループットが約 100 倍に増加し、シャーディングによってスループットが約 64 倍に増加した場合、シャーディングの上にレイヤー 2 を配置すると、スループットが約 6400 倍に増加します。これらの相乗効果により、ネットワークは拡張可能となり、将来的にはより高い需要に対応できるようになるかもしれません。

Ethereum コミュニティの他の人々も、Ethereum 2.0 と既存のレイヤー 2 ソリューションとの将来の関係について同様の考えを表明しています。

「イーサリアム L1 がより効率的になるにつれて、現在の追加の利点を維持しながら L2 もより効率的になります。」 — アラン・チウ、ボバ・ネットワークのCEO/創設者

「合併後も、本当に主流の採用を実現するためには、できるだけ多くのスケーリングソリューションが必要になります。」 — アハメド・アル・バラギ、ビコノミー共同創設者

最後に、Ethereum 2.0 のアップグレードは、レイヤー 2 ソリューションの認識と全体的な有用性に間違いなく影響を与えるでしょう。しかし、イーサリアムは現在よりもはるかに多くの需要があるであろう未来を検討し、拡大しています。このビジョンが実現すれば、レイヤー 2 スケーリング ソリューションは、エコシステムにおいて長期にわたって重要な役割を果たし続けることになります。

元のタイトル: 「Ethereum: Ethereum 2.0 とレイヤー 2 ソリューションの相互利益」(Ethereum 2.0 は既存のレイヤー 2 ソリューションを時代遅れにするのか?)