イーサリアム研究者ポリニヤ: モノリシック L1 ブロックチェーンが行き止まりなのはなぜか?

原作者: ポリニャ
編集者：南風、Unitimes

私は「楽観的ロールアップと ZK ロールアップ」について記事を書いたことはありません。みんな素晴らしいです。私が書いた記事は、極めて非効率で、スケーラビリティがなく、安全性や回復力に欠けるモノリシック L1 ブロックチェーンに反対するものであり、私たちはこれらの L1 ネットワークへの資本の不合理な割り当てを目にしてきました。私の唯一の目的は、ブロックチェーンが技術的、経済的、社会的に持続可能な方法で世界中に普及するのを見ることです。モノリシックな L1 ブロックチェーン ネットワークは持続不可能なだけでなく、必要なスループットを提供することができず、桁違いに不足することになります。しかし、これはもはや問題ではありません。ブロックチェーンを拡張するには、モジュール式実行レイヤーとデータ可用性サンプリングが必要です。これほど明確になったことはありません。私たちがこれに早く気づき、このアプローチに移行すればするほど、ブロックチェーン業界はより良くなるでしょう。はい、それは単なる私の意見です。いつものように、この記事は専門的な研究論文というよりは、アマチュアの意識の流れのまとまりのない文章として扱ってください。

モノリシックL1ブロックチェーンは（依然として）極めて非効率的である

私は2020年にRollupsについて書き始め、昨年の今頃にブログ記事を公開しました。当時は「Cardanoや他のL1スマートコントラクトプラットフォームが登場し、ユーザーは一夜にしてEthereumから他のL1ネットワークに移行するだろう」というのが主流の見解でした。その後のストーリーは、「L2 ネットワークは一時的な解決策であり、拡張する唯一の方法は L1 ネットワークである」というものでした。しかし、2021 年後半に行われた最も控えめなテストでさえ、これらの代替 L1 ネットワークの物語は驚くべき速度で崩壊しました。

Binance Smart Chain (BSC) は、状態の肥大化によりシステム要件が高くなります。その結果、ノードが同期しなくなり、多くの問題が発生します。ここでの問題は、当初は非常に低いシステム要件を指定しているが、国家が肥大化するにつれてシステム要件が飛躍的に増加することを人々に知らせていないことである。現在、適切な監査やテストを行わずに、無謀なネットワーク変更を行っています。もちろん、Erigon に切り替えて複数のチェーンを持つことで、段階的なメリットが得られますが、常に厳しい制限が存在します。

Solana はそのような間違いを犯しませんでした。彼らは最初から非常に高いシステム要件について非常にオープンでした。さて、私は Solana のさまざまな失敗や問題を批判するつもりはまったくありません。これは主に、Solana が初期のベータ製品であるという事実によるものです。ロールアップ、dapps、モノリシック L1 ネットワークなど、ベータ プロジェクトでは機能不足によるバグや問題が常に発生するため、開発者がこれらの問題を修正できることを願っています。問題は、時間の経過とともに Solana が成熟し、テストされ、バグが修正され、手数料市場が実装されるにつれて、技術的および経済的な持続可能性に多大なコストをかけて、増分スループットを提供する必要があることです。 Solana は本質的にスケーラブルではありません。 Optimistic Rollups は Solana よりもはるかに優れたソリューションであり、すぐに成熟するでしょう。

Polygon PoSは、Ethereumに次いで最も採用されているチェーンと言えます。現在、Polygon PoS は代替 L1 チェーンではなく、確かに「コミット チェーン」ですが、依然としてモノリシック チェーンであり、 L1 ネットワークと同じ非効率性の影響を受けます。 Polygon PoS は限界に達し、スパム取引の影響を受け、最小ガス価格が上昇しました。しかし、その後も多くのプロジェクトがスパム行為を行ったため、ガス価格は 0.1 ドル以上も上昇しました。明確に言えば、これは、混雑時にトランザクションの 99% が失敗し、小さな MEV ボットだけが成功するSolana や Cardano よりもはるかに良い結果です。名誉のために言っておくと、Polygon チームは他のモノリシック ブロックチェーン プロジェクトとは異なり、これらの制限を公に認め、実際に高いスケーラビリティを実現するZK-Rollup に全力を注いでいます。行動は言葉よりも雄弁であり、Polygon チームがゼロ知識テクノロジーに 10 億ドルを投資したことは称賛に値する。

Cardanoについて言えば、これも非常に初期のベータ製品であり、Solana と同様に手数料市場を実装する必要があります。 Cardano のシステム要件は低いままです。最近、Cardano コミュニティで Rollups への関心が高まっているのを目にしており、とても嬉しいです。ただし、 Cardano 自体にデータ可用性サンプリングが実装されるまで、これらすべては無駄になります。

私たちは、期待に応えられなかった他の多くのプロジェクトを見てきました。ブロックスペースが飽和すると、 Avalanche C-Chain手数料は急騰します。つまり、これはモノリシック ブロックチェーン チェーンの基本的な特性です。サブネットはセキュリティや分散化の断片化をもたらし、同様に厳しい制限（つまり、料金の高騰）の対象となります。 Avalanche の「オンライン パーニング」については、様子を見ましょう。ただし、これは Geth の「オフライン パーニング」を実装し、より高い頻度でパーニングを行うようです。これは Geth への素晴らしい追加機能かもしれませんが、状態の肥大化という根本的な制限を解決するものではありません。私たちはハーモニーの失敗などを目にしてきました。しかし、次世代のスケーラビリティ ソリューションを構築している次のプロジェクトにも注目したいと思います。Ethereum 、Tezos、Celestia、Polygon Avail からのデータ可用性サンプリングです。 MinaとAleoからの有効性の証明ロールアップはたくさんあり、毎週新しいものが登場しているようです。 「モジュラーアーキテクチャ」の時代に入ったことは明らかです。新しいモノリシック L1 ブロックチェーンを真剣に構築している人はほとんどいません。緊急時には、 Polkadot や NEAR のような「プロトモジュラー」プロジェクトは、上記に挙げた問題の多くは解決しないものの、持続可能性とセキュリティを維持する中期的なソリューションとなります。持続可能性とセキュリティを気にしないのであれば、Dfinity/ICP は興味深いものを構築しています。

また、モノリシック L1 ブロックチェーンには、次世代テクノロジーへのアップグレードという前進の道があることも明確にしておきたいと思います。たとえば、Avalanche は、バリデータ セット全体によって検証される「データ可用性サンプリング サブネット」を最下層に実装し、モジュール実行層を導入することができます。これがロードマップ上の優先事項でない限り、この変化が業界全体に広がるまで私はこの主張を推し進め続けるつもりです。

現在、すべてのチェーンがロールアップである必要はなく、何らかの形式のモジュール設計を持つ必要もありません。セキュリティが重要でない場合や、ロールアップで実装するのが困難または不可能な新機能を実装したい場合には、ソブリン L1 チェーンが依然として役立ちます。確かに、これは非常にニッチな市場ですが、現実に存在します。 Cosmosエコシステムはこの点で素晴​​らしい仕事をしており、 Polygon Edgeも魅力的なソリューションを構築していますが、私はこれらのチェーンが有効であることが証明され、IBC (チェーン間通信) が有効性の証明を検証するために進化することを期待しています。 L1ブロックチェーン間の「ブリッジ」についても同様です。しかし、有効性の点で完璧であることが証明されている L1 クロスチェーン ブリッジ、たとえば =nil; の「 Mina <> Ethereum Bridge 」でも、基盤は構築中ですが、より脆弱なチェーン (Mina チェーン) は攻撃されないことを前提とする必要があります。対照的に、 Rollups の「ブリッジ」は完全なセキュリティ保証を提供できるため、より脆弱な Rollup チェーンが攻撃された場合でも、より強力なチェーンのセキュリティを継承できます。

最後に、話し合いのタイミングが重要です。現在、Optimistic Rollups はまだ準備ができていないため、これらの非ベータ版モノリシック L1 ブロックチェーンを使用することは依然として意味があります。オプティミスティック ロールアップとモノリシック L1 チェーンはどちらも成熟度/不安定性の度合いが異なるため、ケースバイケースで評価する必要があることに注意してください。しかし、この投稿ではそれについては議論しません。私の唯一の関心は、ブロックチェーンが長期的に大規模かつ持続的に拡張できるかどうかです。しかし、 Optimistic Rollups は急速に成熟しており、持続可能なソリューションになるための明確な道筋があります。これを実現するにはエンジニアリング作業が必要です。少なくとも 1 つの Optimistic Rollup が完全に分散化され、データ圧縮が行われ、流動性の高い「ブリッジ」が実現し、1 年以内に拡張される可能性は十分にあります。 Optimistic Rollups がゴールデンタイムの準備が整うと、すべてのモノリシック L1 ブロックチェーン ネットワークは終了となります。

これまで私は非常に長期的な視点で物事を考えてきたため、ZK-Rollups についてより肯定的な観点から議論してきたかもしれません。私は常に、ZK-Rollups が最終段階になると信じており、すべての Optimistic Rollups は ZK-Rollups に変わるか、不正防止システムに代わる有効性証明を使用するようになると信じています。しかし、それは3年後になるかもしれません。

上記の最初の部分の結論は、モノリシック L1 ブロックチェーンは行き止まりであるということですが、この点に関する証拠は圧倒的であるため、この点を徹底的に強調したいと思います。次はこの記事の第 2 部です。この第 2 部では、Rollups のすべてのイノベーションが起こっており、最も野心的なスケーラビリティ ロードマップがある Ethereum を中心に取り上げます。

楽観的ロールアップと ZK ロールアップ

それでは、Optimistic Rollups と ZK-Rollups について説明しましょう。ちなみに、最近 Obscuro (TEE Rollup) と Urbit の Naive Rollup について知りました。 Rollups のデザイン スペースは空白のキャンバスなので、さまざまな種類の Rollups を作成できます。しかし、ここでは、不正証明(楽観的ロールアップ) と有効性証明(ZK ロールアップ) に基づく安全なロールアップについて具体的に説明します。

取引手数料

まず、アプリケーション固有のロールアップから始めましょう。明らかに、ここでは ZK-Rollups が先頭に立っています。 Loopring や zkSyncなどのソリューションは決済分野で人気があり、ERC-20 トークンの転送手数料は約 0.10 米ドルです。本稿執筆時点では、ZK-Rollupテクノロジーに基づく分散型取引プラットフォームであるZigZagの固定手数料は、ガス料金と取引手数料を含めて0.28ドルです。一方、分散型デリバティブ取引所dYdXにはユーザー向けのガス料金はありませんが、プラットフォームの取引手数料を計算することができます。取引量が多い日には、取引ごとに Ethereum に 0.08 ドルのガス料金が支払われます。取引量が少ない日には、約 0.10 ドルになります。

現在、Optimistic Rollup はこの範囲の手数料を提供できる可能性があります。実際、Worldcoin プロジェクトが使用を計画しているHubble (Optimistic Rollup ベースの L2 ネットワーク) の ERC-20 転送手数料は現在0.10 ドル未満の範囲です。スマート コントラクト ロールアップに移ります — 現在のOptimism および Arbitrumネットワークの手数料がなぜこんなに高いのでしょうか?執筆時点では、Lefees.info によると、Optimism のトークン交換手数料は 0.85 ドルですが、Arbitrum では 1.35 ドルと、非常に高すぎます。

答えは簡単です。これらの Optimistic Rollups 自体は最適化されておらず、Optimistic Rollups にデプロイされた初期の dApps プロジェクトのほとんどは、Ethereum 上の元のプロジェクトのフォーク バージョンであり、Optimistic Rollups 用に設計されていません。最近、Optimistic Rollups に特化して最適化されたAave V3により、手数料が約 10 分の 1 に削減されました。

しかし、今後さらに最適化が行われる予定です。署名の集約/圧縮により、トランザクションごとに約 1,000 GAS が直接節約されます。コールデータの基本的な圧縮により、即座に 2.5 倍の節約が可能になり、さらに高度なスキームも近々登場する予定です。 Optimistic Rollups とそこに展開された dApps が最適化されるにつれて、Optimistic Rollups の取引手数料は簡単に 0.01 ～ 0.10 ドルの範囲に達するでしょう。

待ってください、これはイーサリアム開発ロードマップのサージフェーズ（つまり、シャーディングによるロールアップのスケーラビリティの大幅な改善）が到来する前の状況です。 2022 年後半の Ethereum 上海ハードフォーク アップグレード (Ethereum 統合後の最初のアップグレード) がうまくいけば、最初のステップはおそらく「 BLOB 搬送トランザクション」(Vitalik が提案した新しいトランザクション形式) の導入となり、コールデータのコストがほぼゼロになり、Optimistic Rollups が実際に安くなるでしょう。

現在、ZK-Rollups には高い固定費がかかります。現在、ZK-Rollups は通話データ コストがこの固定コストを上回っているため、より安価になっています。ただし、通話データ コストが無視できるようになると、取引手数料は完全に ZK-Rollups の固定コストによって占められるようになります。一方、ZK-Rollups の実行には、はるかにコストがかかります。

明らかに、さまざまな証明システムがあり、コストも異なりますが、一般的な見積もりは 0.01 ～ 0.02 ドルです。これは ZK-Rollups の最小コストになります。ただし、オプティミスティック ロールアップは、必要に応じてさらに低く設定できます。成熟したオプティミスティック ロールアップのコストの 99% はデータの呼び出しコストであるため、無視できるコストで約 5200 TPS の BLOB スペースにアクセスできます。

ちなみに、この最小コストは Validium にも適用されるため、 Optimistic Rollups は Validium (データの可用性をオフチェーンで維持) よりも安価になります。 zkPorter (Validium ソリューション) のトランザクション コストは 0.01 ～ 0.03 ドルですが、Optimistic Rollups のコストはそれよりはるかに低くなります。個人的には、取引品質の理由からこのアプローチはお勧めしませんが、この場合、Optimistic Rollups は最終的に「利益」が高くなり、それを利害関係者に再分配したり、公共財の資金調達や開発などに使用したりできるようになります。

もちろん、最終的には約 5200 TPS で飽和し、それを超える大きな需要があれば、データ通話のコストは再び上昇し始めます。しかし、その頃までにDankshardingが立ち上げられ、このスペースはまず 125,000 TPS に拡大され、その後数年以内に数百万 TPS にまで拡大される予定です。 (ちなみに、「TPS」の数字はロールアップについて説明するときには意味がありませんが、説明には役立ちます。) 長期的には、データを呼び出すコストがボトルネックになることはなく、ボトルネックとなるのはロールアップ自体です。繰り返しますが、ボトルネックとなるのは Ethereum ではなく、Rollups 自体です。

長期的には、 ZK-Rollups が成熟するにつれて、ASIC 証明器が登場し、ZK-Rollups のコストは無視できるほど小さくなります。その時点で、ZK-Rollups の利点、特に即時引き出し (待機なし) が優先されます。高度に圧縮された状態デルタ (dYdX など) を使用する一部のユースケースでは、Optimistic Rollups よりもはるかに安価になります。

最終性

これに関して、よくある誤解は、Optimistic Rollups には 7 日間のノックアウト期間があるというものです。しかし実際には、オプティミスティック ロールアップは ZK ロールアップよりも速く L1 と同じファイナリティを達成します。 Optimistic Rollups では 5 ～ 10 分ごとにトランザクションのバッチがコミットされるので、これがレイテンシです。この 7 日間は、少なくとも 1 つのエンティティがこの最終性を維持することを前提として、この最終性が維持されることを保証するためのものです。 Optimistic Rollups が拡大するにつれて、これらのトランザクション バッチはより頻繁に送信され、約 20 TPS に達すると、Optimistic Rollups はすべてのブロックで送信できるようになり、その時点で Optimistic Rollups のファイナリティは L1 のファイナリティと等しくなります。 ZK ロールアップには固定コストがはるかに高いため、ブロックごとにコミットするには、達成するためにはるかに多くのアクティビティ (> 100 PTS) が必要になります。ただし、Vitallik が提案したこの BLOB トランザクション EIP (Ethereum Improvement Proposal) を使用すると、ZK-Rollups を再設計していくつかの証明を BLOB にコミットできるため、これは問題にならない可能性があります。

では、この 7 日間の Optimistic Rollups とは何でしょうか?チャレンジ期間は 7 日間であるため、Optimistic Rollups から L1 チェーンに資金を引き出すトランザクション タイプには、7 日間の確定期間が設けられています。クロスチェーン NFT などの一部のケースでは、これが課題となる場合があります。ただし、Optimistic Rollups ではすでに多くの「ブリッジ」が開始されており、Optimistic Rollups が成熟するにつれて、アクティビティと流動性が増加し、この 7 日間のチャレンジ期間は問題ではなくなります。より大きな問題は、ZK ロールアップにより、オプティミスティック ロールアップでは不可能な多くの新しいユース ケースとロールアップ間のアクティビティが可能になることです。

たとえば、Danksharding を使用すると、ZK-Rollups は L1 を同期的に呼び出すことができ、crLists を介して L1 の事前確認を実装すると、異なる ZK-Rollups 間である程度の構成が可能になるとさえ推測しています。楽観的ロールアップは、これらの新しい革新的なシナリオからは除外されます。補足: Optimistic Rollups はプライベート トランザクションを実行できますが、ZK-Rollups ではそのようなトランザクションをはるかに低いコストで実行できます。

スループット

アプリケーション固有のロールアップは非常にスリムで、非常にスケーラブルです。私の記憶が正しければ、2020 年半ばには、StarkEx は 9,000 ～ 18,000 TPS を実証していました。ただし、スマート コントラクト ロールアップの場合、状況はさらに困難になります。 StarkNet は dYdX や Immutable X よりも低いスループットしか実現できないため、スループットの最適化が最優先事項であることがわかりました。 Optimism と Arbitrum はどちらも EVM クライアントをベースとしているため、a) 実戦でテストされたコードベースと、b) 比較的最適化されたクライアントを備えています。数日前、並列処理が必要になる前に EVM がどの程度拡張できるかを尋ねたところ、Alexey Sharp は、Erigon は 500M Gas/sec まで拡張できると示唆しました。したがって、最適化された EVM ベースの Optimistic Rollups の余地は大きく、マルチスレッド クライアントまたは複数のインスタンス/再帰的な Rollups を介してさらに多くのものを提供できます。

これが私たちの議論の核心です。Optimistic Rollups には正直な少数派の仮定があるため、システム要件をあまり厳しく押し付けることはできません。明確に言えば、これはモノリシック L1 の正直な多数派の仮定ではなく正直な少数派の仮定であるため、楽観的ロールアップはどのモノリシック L1 ブロックチェーンよりも安全です。ただし、ZK-Rollups は有効性証明によって簡単に検証できるため、制限はデフォルトで ZK-Rollups よりも低くする必要があります。

しかし、Optimistic Rollups には、ステートレス クライアントという解決策があります。 Optimism のロードマップでこれについて言及されているのを見ましたが、どこにあったか思い出せません。ステートレス クライアントを使用すると、Optimistic Rollups の検証が非常に簡単になり、適切なツールを使用すればトランザクションの検証も非常に簡単になります。さらに、ロールアップの状態は L1 から直接簡単に再構築できるため、ロールアップは状態の有効期限を活用することで L1 よりも積極的になります。ステートレス性と高頻度の状態有効期限が達成されると、ロールアップは状態の肥大化という深刻な問題を克服することになります。さらに、UTXO (未使用トランザクション出力) のようなシステムを通じて並列処理を実行する Fuel V2 などの新しいソリューションもあります。

そうは言っても、ZK-Rollups は、再帰的な有効性の証明を通じてネットワークの最大スループットを達成するための、よりエレガントなソリューションであり続けます。 StarkNet 自体が成熟するにつれて、その上に構築されたアプリケーション固有の ZK ロールアップが膨大なスループットを持つようになり、全体として StarkNet があらゆる Optimistic Rollups をはるかに超えて拡張されるようになると考えられます。ただし、トレードオフはアトミックな構成可能性です — ZK-Rollups チームの魔法使いたちがすぐにこれを理解しない限りは!

要約する

結局のところ、すべてはタイムラインに関することです。

アプリケーション固有のチェーンの場合、ほとんどの場合、ZK-Rollups がすでに最適なソリューションになっています。これは、dYdX、zkSync、Loopring、または Immutable X を使用したことがある人にとっては非常に明白です。いくつかのトレードオフはありますが、これらすべては年末までに完了する予定です (dYdX V4 のように)。

スマート コントラクト: モノリシック L1 チェーンは、まだあと 1 年は重要性を保ちます。これらのモノリシック L1 チェーンの終焉は明らかであり、不正証明、有効性証明、および DA (データ可用性) 証明に緊急に頼る以外に選択肢はありません。

楽観的ロールアップは ZK ロールアップよりも高速にスケーリングされます。 Optimistic Rollups のコードベースの多くは成熟しており、順序付けとアップグレードが分散化されると、Optimistic Rollups は大規模に導入できるようになります。 2022 年末までに、Optimistic Rollups のガス料金は 1 セント未満となり、完全に分散化され、Ethereum L1 と基本的に同じセキュリティとファイナリティを備え、迅速な引き出しに十分な流動性を備える可能性があります。また、 Optimistic Rollups は、2023 年にステートレス性とステートの有効期限が実装され、引き続き改善されます。

ZK-Rollups は今後も進化、成熟、テストされ、証明時間の最適化、GPU 証明器への移行、そして最終的には ASIC 証明器への移行が行われます。新しい仮想マシンとシーケンサー ノードも、時間の経過とともに成熟し、拡張されます。 2023 年末までに、ZK-Rollups が追いつき、Optimistic Rollups に取って代わると予想しています。しかし、Optimistic Rollups は 2024/25 年まで有用であり続けるでしょう。その頃には、ほとんどの Optimistic Rollups が ZK-Rollups になるか、少なくとも不正防止システムが妥当性の証明に置き換えられると予想されます。

私の時間枠は 5 ～ 10 年だと何度も言っています。しかし、ロールアップと DAS (データ可用性サンプリング) は急速に進歩しており、終わりが見えてきており、5 年以内には実現するだろうと私は考えています。

校正をしてくれたRedditユーザーのu/proof_of_lakeに感謝します。