OKEx リサーチ インスティテュート: イーサリアムの中盤の戦い - ロールアップの現実と幻想

イーサリアムの誕生以来、その低いトランザクション処理能力により、イーサリアムネットワークの混雑が頻繁に発生し、ガス料金も高くなり、イーサリアムエコシステムの発展が著しく制限されてきました。このため、イーサリアムの拡大の問題は常に市場の懸念事項となってきました。 DeFiの爆発的な普及を背景に、サイドチェーン、ステートチャネル、プラズマなどのレイヤー2拡張ソリューションは市場の要求を満たすことができず、Rollupが時代の寵児となりました。

もちろん、Rollup は純粋なレイヤー 2 ソリューションではなく、レイヤー 1 とレイヤー 2 のハイブリッドのようなものです。つまり、データはオフチェーンで計算、パッケージ化、圧縮され、その後オンチェーンで保存されます。さらに、データの真正性と有効性の問題を解決し、資産のセキュリティを確保するために、Rollupは「有効性の証明」を使用したZK-RollupとPlasmaの「不正防止」を使用したOptimistic Rollupを開始しました。

要約すると、ZK-Rollup と Optimistic Rollup にはそれぞれ長所と短所があります。 ZK-Rollup は、低コストで高速なため、支払いや取引などの非契約分野に適しています。 Optimistic Rollup は現在、OVM の存在によりスマート コントラクト アプリケーション分野に適しています。しかし、ZK-Rollup プロジェクトによるチューリング完全な EVM の導入により、将来的には ZK-Rollup が Optimistic Rollup に取って代わる可能性があります。

ただし、Rollup のスケーラビリティの上限はブロック ガス消費の上限に依存するため、DeFi エコシステムの緊急のニーズを解決するには、Ethereum の短期から中期のスケーラビリティ ソリューションしか利用できません。長期的には、Ethereum のスケーラビリティ問題を根本的に解決するには、Ethereum 2.0 シャーディング テクノロジの円滑な実装にも依存します。

ただし、Rollup プロトコルは価値を獲得でき、経済的に持続可能であることは注目に値します。 Rollup プロジェクトによって発行されるトークンには、大きな投資の可能性があると予測されます。

約2年間の休止期間を経て、イーサリアムのロールアップ拡張計画はついに実を結びつつあります。今年2月、オプティミズムはシリーズAの資金調達を完了し、3月にメインネットを立ち上げることを発表しました。 Matter Labs の ZkSync も昨年メインネットを立ち上げており、今年はチューリング完全性をサポートするスマート コントラクトを立ち上げる予定です。さらに、業界の注目を集めているもう1つのRollupソリューションであるArbitrumも、今年中にメインネットを立ち上げる予定です。

表1. ロールアップソリューションの進捗状況

出典: OKExリサーチ研究所

ロールアップの夜が終わり、朝日が昇ると、市場はそれに対する期待と追求でいっぱいになります。しかし現実には、多くの投資家やイーサリアムユーザーはRollupを明確に理解していませんが、一般的にはRollupは重要であり、イーサリアムの未来であるというコンセンサスに達しています。

この文の前半は正しいです。ロールアップは確かに現在のイーサリアムにとって重要です。しかし後半部分は不正確です。 Rollup は Ethereum の未来ではありません。より正確に言えば、Rollup は Ethereum の中期から短期の拡張計画のみを表しており、ネットワークの混雑問題を解決するための Ethereum の中期的な戦いです。長期的には、イーサリアムのスケーラビリティ問題を根本的に解決するには、イーサリアム 2.0 のシャーディング技術の円滑な実装にも依存します。

Rollup の将来を正しく理解して予測し、その中で富を得る機会をつかむためには、Rollup の歴史的背景、原則、メカニズムを分析する必要もあります。

1. イーサリアムのスケーリング戦争とロールアップの台頭

イーサリアムの誕生以来、その非効率なパフォーマンスは市場から常に批判されてきました。イーサリアムネットワークのTPS（トランザクション処理能力）は1秒あたり約15件のトランザクションであるのに対し、Visaネットワークは1秒あたり2,000件のトランザクションであり、ダブルイレブン期間中、アリペイは1秒あたり50万件のトランザクションに達しました。トランザクション処理能力の低さにより、特に2017年の強気相場と2020年に出現したDeFi（分散型金融）の波の期間中、イーサリアムネットワークの混雑が頻繁に発生し、ガス料金が高額になりました。この現象は特に顕著で、イーサリアムエコシステムのさらなる発展を著しく制限しました。

図1. Yifangネットワークにおける1日あたりの平均取引数とガス消費量の推移

出典: Etherscan、OKExリサーチ研究所

ブロックチェーンネットワークの混雑を解決し、パブリックチェーンのスケーラビリティを向上させることが、徐々に業界の注目の的となってきました。さまざまなブロックチェーン拡張計画も登場しており、主に次の 2 つのカテゴリが含まれます。

オンチェーン拡張ソリューションは、レイヤー 1 ソリューションとも呼ばれ、主にブロックチェーン自体のトランザクション容量を増やすことで拡張を実現します。一般的なレイヤー 1 ソリューションには、ブロック容量の増加 (32M の大きなブロックを使用する BCH など)、分離された証人 (BTC、デジタル署名をトランザクション データから分離し、元のブロック構造を変更して容量の拡張を実現)、およびシャーディング テクノロジ (Ethereum 2.0、メイン チェーンのステータスと履歴レコードを異なるシャードに分割して容量の拡張を実現) などがあります。

オフチェーン拡張ソリューション (レイヤー 2 ソリューションとも呼ばれます) は、主に第 2 層プロトコルを通じてほとんどのトランザクションをオフチェーンで実行し、コストを削減して効率を向上させます。現在主流のレイヤー 2 ソリューションには、ステート チャネル、サイド チェーン、Plasma が含まれます。

図2. 主なブロックチェーン拡張計画

出典: OKExリサーチ研究所

イーサリアムの開発初期には、サイドチェーン技術がブロックチェーンの拡張問題に対する最善の解決策であると一般に信じられていました。いわゆるサイドチェーンは、メインチェーンと並行する別の独立したブロックチェーンです。一部のトランザクションを管理された方法でサイドチェーンに転送することで、メインチェーンを拡張できます。しかし、これには 2 つの重大な問題があります。まず、サイド チェーン上の資金のセキュリティが保証されないことです。ハッカーがサイドチェーンを制御すると、サイドチェーン上の資金を盗むことができます。 2 番目に、サイドチェーンはデータの可用性を保証できません。ハッカーがサイドチェーンを制御している限り、基礎となるトランザクションデータの共有を拒否することができ、メインチェーンのセキュリティに大きな打撃を与えることになります。

図3. サイドチェーン技術ソリューションの原理

出典: OKExリサーチ研究所

サイドチェーンの問題を解決し、イーサリアムの拡張を実現するために、イーサリアムの創設者であるVitalikは2017年に「Plasma」と呼ばれるレイヤー2拡張ソリューションを立ち上げました。Plasmaの特別な点は、不正防止メカニズムを設計していることです。Plasmaは特定の基礎データをユーザーに送信して保管し、データの可用性の問題を解決します。さらに、Plasma には「終了期間」設計があります。たとえハッカーがサイドチェーンの制御権を獲得し、資金を引き出そうとしたとしても、どのユーザーも「終了期間」内に異議を申し立てる証拠を提出することができます。異議申し立てが成功した場合、誰も資産を引き出すことができなくなり、運営者は罰金を科せられます。これにより、データの信頼性、有効性、正確性が保証され、資金のセキュリティの問題が解決されます。

しかし、Plasma はサイドチェーンの問題を解決する一方で、新たな問題も生み出しています。まず、ユーザーは 2 週間に 1 回オンラインになって Plasma チェーンを監視する必要があります。そうしないと、「終了期間」を逃すと、ハッカーが資産を引き出すことができます。 2 つ目は、データの可用性を確保するために、ユーザーは基礎となるトランザクション データを自分で保存する必要がありますが、これにより、ユーザーに多大なストレージ コストが発生します。したがって、Plasma はユーザーフレンドリーではなく、エクスペリエンスは非常に悪いです。 2018 年の弱気相場を背景に、かつてイーサリアム コミュニティから大きな期待を集めていた Plasma ソリューションは徐々に放棄されていきました。

実際、2018 年の大規模な強気相場がなかったとしても、Plasma は Ethereum エコシステムの発展に適応するのが困難だったでしょう。 2019年以降、DeFiが徐々に登場し、Uniswapに代表されるAMMは最高のものの一つになりました。 Uniswap の流動性プロバイダー (LP) の場合、取引プールに預ける資産は簡単に変更されるため、取引のたびに LP にチャレンジして検証するという Plasma ソリューションの要件を満たすことは不可能です。実際、多くの DeFi プロトコルはユーザーの同意なしにアカウントのステータスを変更できるため、Plasma は DeFi 時代に衰退する運命にあります。

図4. レイヤー2スケーリングソリューションの進化

出典: OKExリサーチ研究所

同様に、ステート チャネルもサイドチェーンや Plasma が直面している問題に直面しています。ステート チャネルは論理的に明確な所有者がいないオブジェクト (Uniswap など) を表すことができず、オブジェクトにはすべて明確な資産所有者が存在する必要があります。

したがって、DeFi が Ethereum エコシステムにとってますます重要になるにつれて、ステート チャネル、サイド チェーン、Plasma のいずれも Ethereum の実際のニーズを満たすことができなくなります。ヴィタリックがロールアップの普及に決定的な役割を果たしたと言うよりも、時代がロールアップを選んだと言った方がよいでしょう。では、Rollup の何が特別なのでしょうか?

2. ロールアップ原則分析

Rollup を分析する前に、Plasma がどのようにスケーリングするかを理解しましょう。オフチェーンでは、Plasma オペレーターはバッチ処理を待機しているトランザクションを集約して、Merkle ツリーを生成します。ツリー内の各リーフは、取引資産の情報を表すことができます。トランザクションがない場合、リーフの値は 0 になります。その後、Plasma は Merkle ツリーのルートをメイン チェーンに送信し、Merkle ツリーのブランチを保管のためにユーザーに送信します。

したがって、メインチェーンは実際にはマークルルートのハッシュ値のみを保存します。 Merkle ルートのインデックスを通じて、ブランチ リーフ内の特定のトランザクション情報を見つけることができます。ただし、この特定のトランザクション情報はユーザーによってオフチェーンで保存されるため、オンチェーンブロックのスペースを大幅に節約し、メインチェーンの拡張を実現します。

図5. プラズマ膨張の原理

出典: プラズマホワイトペーパー、OKExリサーチインスティテュート

しかし、前述したように、ユーザーが特定の取引情報をオフチェーンで保存すると、データの可用性が損なわれ、DeFi アプリケーションには適していません。この目的のために、Ethereum コミュニティは、トランザクション データを圧縮してチェーン上に配置するという新しいソリューションを提案しました。これが Rollup ソリューションです。

具体的には、Rollup はトランザクション データを Merkle ツリーに圧縮し、チェーン上に保存します。同時に、Merkleツリーのルート（状態ルート）がスマートコントラクトに保存されます。 Rollup のオペレーターは、圧縮されたトランザクション セットであり、以前の状態ルートと新しい状態ルート (トランザクション処理後の新しい Merkle ツリー ルート) を含む要約トランザクションのバッチ (バッチ) を公開できます。スマート コントラクトは、資産の転送を可能にするために状態ルートをチェックして更新します。

もちろん、上記から、Rollup は純粋なレイヤー 2 ソリューションではなく、レイヤー 1 とレイヤー 2 のハイブリッドに近いことがわかります。つまり、データはオフチェーンで計算およびパッケージ化されますが、オンチェーンで保存されます。したがって、Rollup をセミオフチェーン拡張またはセミレイヤー 2 ソリューションと呼ぶ方が適切です。

図6. ロールアップ展開原理

出典: Vitalik。ロールアップの不完全なガイド、OKEx リサーチ インスティテュート

鮮明な比喩を使うと、今、私たちはたくさんの映画を保存する必要があります。 Plasma は、コンピューターに映画を保存し、ディレクトリ ファイルのみを USB フラッシュ ドライブに保存するのと似ています。このディレクトリ ファイルのガイダンスに従って、コンピューター上の任意の映画の場所を簡単に見つけることができます。一方、ロールアップ方式では、まずムービーを圧縮してからすべてを USB フラッシュ ドライブに保存します。この方法では、USB ドライブにさらに多くのムービーを保存できます。

では、Rollup はどのようにして圧縮を実現するのでしょうか? ---次の表に示すように、主にNonce、Gasprice、Gas、To、Value、Signatureなどのトランザクションパラメータを圧縮します。

表2. ロールアップ圧縮方式

出典: Vitalik。ロールアップの不完全なガイド、OKEx リサーチ インスティテュート

以前は、トランザクションには 112 バイトのストレージ スペースが必要でしたが、現在は 12 バイトのみが必要で、1 バイトのコストは約 16 GAS です。 Ethereumでは、Gasの上限は1250万です。 Rollup には 500,000 Gas を費やす必要があると想定します。次に、Rollup でのトランザクション処理能力は次のようになります。

(ブロックガス消費量上限 – ロールアップガス消費量) / 1バイトあたりのガス消費量 / トランザクションあたりのバイト数 / ブロック時間 = (12,500,000 – 500,000) / 16 / 12 /14 = 4464 トランザクション/秒

現在、イーサリアムの送金には約 21,000 ガスが消費されます。つまり、そのすべてが送金に使用された場合は、イーサリアムの最大トランザクション処理能力は次のようになります。ブロック ガス消費制限 / 単一送金 ガス消費量 / ブロック時間 = 12,500,000 / 21,000 / 13 = 45 トランザクション/秒

これは、Rollup により転送シナリオで Ethereum の TPS が 100 倍増加することを意味します。同様に、Vitalik の計算によると、ERC20 転送と Uniswap アプリケーションのシナリオでは、同じ条件下で Ethereum TPS を 100 ～ 400 倍に拡張できます。

これまでの分析は順調に進んでいますが、サイドチェーン技術に似た重要な問題を見落としていました。それは、Rollup オペレーターがデータを改ざんして資産を盗むのをどのように防ぐかということです。 Ethereum コミュニティは、「有効性の証明」を使用する ZK-Rollup と Plasma の「不正防止」を使用する Optimistic Rollup という 2 つのソリューションを提案しました。

3. ZKロールアップとオプティミスティックロールアップ

まず、有効性の証明を実装する ZK-Rollup ソリューションを見てみましょう。 ZK-Rollup は、トランザクションのセキュリティを確保するために、ZK-SNARK (ゼロ知識簡潔非対話型知識引数) を使用します。

「ゼロ知識証明 (ZKP)」は、1980 年代初頭に S. Goldwasser、S. Micali、C. Rackoff によって提案されました。これは、証明者が検証者に有用な情報を提供することなく、特定のステートメントが正しいことを検証者に納得させることができることを意味します。

典型的な例: 隙間のある円形の廊下。出口と入り口は非常に近い（目視できる距離内）のですが、廊下の真ん中あたりに鍵でしか開けられないドアがあります。アリスはボブに自分がドアの鍵を持っていることを証明しなければなりません。ゼロ知識証明を使用して、ボブはアリスが入口から廊下に入り、出口から廊下から出て行くのを観察します。この時点では、ボブは鍵に関する情報を一切取得していませんが、アリスが鍵を持っていることは完全に証明できます。

図7. ゼロ知識証明の例

出典: OKExリサーチ研究所

上記から、ZKP には計算上の非対称性があることがわかります。 ZK-Rollup ソリューションでは、Rollup オペレーターが多くのリソースを投入して ZK-SNARK 計算を実行し、それを集約されたトランザクション (バッチ) にまとめ、スマート コントラクト (検証者) がトランザクションのセキュリティを迅速かつ安価に証明できます。したがって、ZK-Rollup には多くの利点があります。プライバシーを保護しながら、データの信頼性と有効性を迅速かつ簡単に検証できます。しかし、その欠点は、計算の複雑さが大きく、技術的な難易度が高く、仮想マシンのサポートが難しいことです。

以前の Plasma ソリューションでは、トランザクション データの信頼性、有効性、正確性を実現し、資産のセキュリティを確保できる、設計された「不正防止」メカニズムを導入しました。楽観的ロールアップでは、このメカニズムが使用されます。このタイプのロールアップは、すべての履歴状態ルートと各バッチのハッシュ値を追跡します。バッチのポスト状態ルートが間違っていることに気付いた人は、ブロックチェーンに証明を公開して、バッチが間違って計算されたことを証明できます。スマート コントラクトは証明を検証し、バッチと後続のバッチをロールバックします。

Optimistic は Plasma の不正防止メカニズムを選択しましたが、これは Plasma と同様に「終了期間」が長く (約 1 週間)、資金の利用効率が大幅に低下することを意味します。しかし、良いニュースとしては、DeFiエコシステムが成熟するにつれて、「退出期間」中にユーザーに資金を提供する流動性プロバイダーが多数出現し、資金利用の相殺の問題を効果的に解決できるということです。さらに、最も重要なのは、Optimistic Rollup が Plasma の OVM も継承していることです。つまり、Ethereum EVM と互換性のあるスマート コントラクトを Optimistic Rollup ネットワークに展開できるということです。これは、DeFi にとって特に重要です。

表3. ZK-RollupとOptimistic Rollupのパフォーマンス比較

出典: Vitalik。ロールアップの不完全なガイド、OKEx リサーチ インスティテュート

要約すると、ZK-Rollup と Optimistic Rollup にはそれぞれ長所と短所があります。 ZK-Rollup は、低コストで高速なため、支払いや取引などの非契約分野に適しています。 Optimistic Rollup は現在、OVM の存在によりスマート コントラクト アプリケーション分野に適しています。しかし、ZK-Rollup プロジェクトによるチューリング完全な EVM の導入により、将来的には ZK-Rollup が Optimistic Rollup に取って代わる可能性があります。

4. ロールアップの将来と富の機会

上記から、他のレイヤー 2 ソリューションと比較して、Rollup はデータのセキュリティとデータの可用性をより適切に保証できることがわかります。しかし、Rollup は本当に Ethereum の未来なのでしょうか?

あまり。 Rollup拡張プランから、ブロックガス消費量の上限がRollupプランの上限であることがわかります。これはラッシュアワー時に地下鉄に乗るのと似ています。地下鉄の車両（ブロック）にもっと多くの人を乗せるために、車両にもっと多くの人を詰め込みます（圧縮）。しかし、どれだけ圧縮しても限界はあります。今後ブロックチェーンの応用が進んでいくと、容量を最大100倍に拡張するだけで満足してしまうのでしょうか？したがって、長期的には、イーサリアムの拡張の将来は、イーサリアム 2.0 シャーディング技術の円滑な実装にかかっています。

しかし、イーサリアムの公式計画によると、イーサリアム 2.0 シャーディングの実装は 2030 年まで待たなければならないかもしれない。しかし、現在でも DeFi の人気により、イーサリアムは長い間混雑しており、ガス料金は高くなっている。数年前のステートチャネルやプラズマなどのレイヤー2ソリューションはDeFiの要件を満たすことができず、シャーディング技術は遠い目標でした。 「過去は変えられない、未来は追いかけられない」ということわざにあるように、Rollup は当然、イーサリアムの短期および中期的な拡張計画に対処するための最善のソリューションとなり、イーサリアム 2.0 に向けた中間中継者となります。

もちろん、Vitalik が Rollup を推進するもう 1 つの理由は、Rollup プロトコルが価値を獲得でき、経済的に持続可能であることです。

まず経済的価値についてお話ししましょう。 Rollup は Ethereum の混雑を緩和し、ガス料金を削減できます。コスト削減の一部は、Rollup プロトコルの収益 (手数料や MEV など) に変換され、経済的に持続可能になります。

では、なぜ Rollup は価値を獲得できるのでしょうか?これは、Rollup の特殊性に関連しています。データはメイン チェーン上に配置され、データの計算のみがオフチェーンで実行されます。このレイヤー 1 とレイヤー 2 のハイブリッド ソリューションにより、Rollup はメイン チェーン上の特別な Dapp アプリケーションになります。したがって、Rollup プロジェクトは、メインチェーン上で Rollup プロトコルに基づいてトークンを発行し、トークンを通じてプロトコルの価値を獲得することができます。

今後数か月以内にRollupが爆発的に普及すると、多くのRollupプロジェクトトークンが発行されることが予想されます。プロトコルの経済的価値をトークンに付加する意思のあるプロジェクトのトークンは、大きな投資の可能性を秘めています。