イーサリアムのセカンドレイヤー拡張ソリューションであるRollupとPlasmaの原理と現状について簡単に説明します。

金融はブロックチェーンが最も簡単に実装できるシナリオです。過去 1 年間、イーサリアム エコシステムで見られた分散型金融商品の多くには、分散型融資、取引、デリバティブなどの従来の金融商品の影が残っています。金融は効率性を追求します。 Bitcoin ネットワークのトランザクション処理能力は 1 秒あたり 5 件のトランザクションで、Ethereum ネットワークのトランザクション処理能力は 1 秒あたり 15 件のトランザクションです。 Visa ネットワークの平均取引件数 2,000 件、ピーク時の効率が数万件であることと比較すると、これらは異なる時代の製品のように思えます。

ブロックチェーンの TPS (1 秒あたりのトランザクション数) はブロックチェーンの人気を大きく制限し、したがって包括的金融も制限してきました。最近、DeFiポストモダンという新しい言葉が登場しましたが、DeFiの現代はまだ到来していないと思います。過去 6 か月間人気があった DeFi は、まだキリスト以前のものかもしれません。 TPS によって制限される「最高入札者が勝つ」というトランザクション処理メカニズムにより、DeFi ブームの期間中、Ethereum ネットワークは高価になり、混雑しました。最も混雑していたときには、ガスの価値は1000グウェイを超え、1回の取引に数十ドルから数百ドルかかることも珍しくありませんでした。このような取引コストは、多くの人々が DeFi に参加できない原因にもなります。

スケーラビリティが極めて限られているという現在の問題に直面して、Ethereum コミュニティと開発者は、レイヤー 2 とシャーディング (Eth2 の重要なアップグレード) という 2 つの解決策を提案しました。 Layer2 は文字通り第 2 層のネットワークを意味します。相対的に言えば、現在のイーサリアムメインネットは、第 1 層ネットワーク (レイヤー 1) とも呼ばれます。第2層ネットワークは、現在のEthereumメインネットをベースにしたシステムです。

レイヤー 2 ソリューションは主に、レイヤー 1 の負荷を軽減し、レイヤー 1 のコンピューティング要件の大部分をレイヤー 2 に移行することに重点を置いています。シャーディングはより基本的な観点から、基本的な帯域幅を増やすという目的を達成するためにレイヤー 1 の数を増やします。 Eth2は合計4つのフェーズで実装される予定です。現在、フェーズ 0 預金契約の起動段階にあります。 Eth2 に関する具体的な情報については、この記事では詳しく説明しません。今後もEth2の最新の進捗状況を追っていきます。この記事では、Layer2 の一般的なソリューションと主要な進歩について紹介します。

DeFiが混雑していた頃、Layer2は混雑を解決する救世主の一つとして大いに宣伝され、関連コンセプトのトークンの価格も上昇し続けました。その背後で、Layer2 はどのようにして Ethereum トランザクション処理の非効率性という問題を解決するのでしょうか?

現在の Ethereum トランザクション処理能力は、主にブロック サイズとブロック時間によって制限されていることがわかっています。ブロック サイズは、現在の Ethereum ネットワーク内の 1 つのブロックが収容できるトランザクションの数を決定します。ブロック時間によって、平均して 12 秒ごとにブロックが生成されることが決定されます。

現在、主流の Layer2 ソリューションは数多く存在します。この記事では、Plasma と Rollup に焦点を当てます。ロールアップはさらに、オプティミスティック ロールアップと ZK ロールアップに分けられます。これらのソリューションは、さまざまな角度から Ethereum トランザクション処理機能の制限に関する問題を解決します。

プラズマ

Plasma は、ネットワーク処理の問題を解決しようとする Ethereum コミュニティの最初のソリューションです。これは2017年に早くも提案され、大きな期待が寄せられていました。

Plasma を導入する前に、「サイドチェーン」の概念を理解する必要があります。イーサリアムのメインネットは拡張が難しいため、開発者はサイドチェーンとも呼ばれるメインネットに接続された独立したブロックチェーンを作成し、サイドチェーン上でトランザクションを効率的に処理することでメインネットを拡張するというアイデアを思いつきました。サイドチェーンの潜在的な問題はセキュリティです。独立したブロックチェーンであるため、サイドチェーンには独自のマイナーが必要であり、セキュリティを確保するために十分な計算能力を構築する必要があります。十分な計算能力と悪事を働かないマイナーは、ビットコインやイーサリアム以外の現在のブロックチェーンにとって大きなハードルです。

サイドチェーンとは異なり、Plasma はレイヤー 2 のトランザクション データを処理し、レイヤー 1 に送信し、不正な証明のための終了メカニズムを追加します。このように、レイヤー 1 の計算能力はレイヤー 2 のセキュリティを確保するために使用されます。

理論的には、Plasma は Ethereum の TPS を 1 ～ 9k まで増加できます。その結果、プラズマは幅広い注目を集めるようになりました。しかし、その後の開発で、より実用的な問題が明らかになりました。

1. ユーザーが資金を引き出すのに時間がかかりすぎる

2. すべてのユーザーはプラズマチェーン上のすべてのトランザクションを監視する必要があります

その後、プラズマの開発は停滞し、ゆっくりと進歩しました。しかし、最近では、いくつかのプロジェクトがプラズマをベースに探求を続け、画期的な成果を上げていることが分かりました。以下に関連プロジェクトの進捗状況を紹介します。

ロールアップ

Rollup は現在最も人気のあるレイヤー 2 ソリューションであり、実装される可能性が最も高いソリューションです。前述のように、Ethereum ネットワークの各ブロックに含めることができるトランザクションの数には制限があります。 Rollup は、何千ものトランザクションをバンドルして圧縮し、処理された簡潔なデータを Ethereum メイン ネットワークに同期することで TPS を向上させ、ネットワーク トランザクション処理能力の制限の問題を解決します。

Rollup と Plasma の違いは、Plasma はトランザクション処理の結果を Layer1 に同期することです。ロールアップ圧縮処理後にレイヤー1に同期されたトランザクションデータには各トランザクションの基本情報が含まれていますが、各トランザクションの情報を把握するためにレイヤー1にデータを直接アップロードすることはできません。

上記の説明から、Rollup ソリューションによってトランザクション処理機能が直線的に向上することもわかります。パッケージ化および圧縮されるトランザクションが増えるほど、パッケージ化されたデータが大きくなります。実際のテストでは、Rollup によって TPS が 100 倍向上します。現在の Ethereum ネットワーク (つまり、Ethereum の第 1 世代) では、最大 TPS は 2k に達します。これは Visa の平均処理能力です。 Eth2 のシャーディングと組み合わせると、理論上の TPS は 20k 以上に達し、これは Visa ネットワークのピーク レベルに近いかそれを上回ります。

圧縮データの正確性を保証する方法に応じて、Rollup は ZK Rollup と Optimistic Rollup に分けられます。

ZK ロールアップ

ZK Rollup は、ゼロ知識証明 zk-SNARK の暗号化技術を通じてセキュリティを確保します。 ZK はゼロ知識の略です。

ゼロ知識証明: 証明者は検証者に有用な情報を提供することなく、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ます。

ZK ロールアップ = トランザクション圧縮 + ゼロ知識証明 (zk-SNARK)

ZK Rollupの核となるアイデアは、オフチェーンでトランザクションの合意に達し、ゼロ知識証明を通じてオフチェーンのトランザクションステータスのセキュリティを確保しながら、トランザクションデータを圧縮し、最終的にデータをメインチェーンに同期させることです。

次の図を比較すると、ゼロ知識証明がトランザクションデータをどのように圧縮するかをより直感的に理解できます。

トランザクションデータを圧縮する目的は、各トランザクション内の署名情報に対してゼロ知識証明処理を実行することによって達成されます。現在の ZK Rollup ソリューションは、現在の Ethereum ネットワークの TPS を 30 倍に増加させ、1 秒あたり約 500 件のトランザクションの処理能力に到達できます。

しかし、スマートコントラクトのゼロ知識証明を作成するプロセスは長いため、現在のゼロ知識証明アルゴリズムは汎用スマートコントラクトには適していません。現在の ZK Rollup ソリューションは、通常の転送トランザクションなどのシナリオに適しています。

楽観的なロールアップ

ZK Rollup はスマート コントラクトを適切にサポートできず、ゼロ知識証明の生成に長い時間がかかることから、2019 年 6 月に Optimistic Rollup ソリューションが提案されました。このソリューションは、ゼロ知識証明を削除し、ペナルティ メカニズムを追加してデータ セキュリティを確保しながら (ZK Rollup ソリューションよりもわずかに低い)、一般的なスマート コントラクトをより便利にサポートします。

Optimistic Rollup ソリューションは、EVM (Ethereum Virtual Machine) と基本的に互換性のあるフル機能の環境である OVM (Optimistic Virtual Machine) を使用します。 OVM により、DApp を Layer2 に移植することが容易になり、プロジェクト関係者がさまざまな Layer2 拡張ソリューションを導入する必要がなくなります。代わりに、さまざまなレイヤー 2 構造を使用するには、OVM に接続するだけで済みます。

したがって、Optimistic Rollup は現在 DeFi アプリケーションに適しています。このソリューションでは、TPS を 100 まで増加でき、BLS 署名集約テクノロジーによりさらに 500 まで増加できます。

各ソリューションの採用

現在、Plasmaソリューションをベースとする主なチームは、メインネット上でPlasma MVPがローンチされているOmiseGo（OMG）と、それに協力することを確認しているTether（USDT発行者）です。

ZK Rollupソリューションをベースにしているチームには、Matter Labs、Hermezなどがあります。最も広く採用されているMatter Labsチームを例​​にとると、彼らが開発したzkSyncはメインネットでローンチされており、2021年には普遍的に互換性のあるSolidityコードをローンチする予定です。現在のエコシステム協力プロジェクトには、Curve、Gitcoin、Balancerなどがあります。

Optimistic Rollup ソリューションをベースとするチームは主に Optimism です。彼らが開発したOVMは9月25日にテストネットワークで公開され、Uniswap、Synthetix、Coinbase Walletとのエコシステム協力に至った。

写真はUnsplashのNick Fewingsによるものです

将来何が起こるでしょうか？ Ethereum のスケーラビリティ問題を解決するための最も効果的な方法の 1 つとして、Layer2 には継続的な最適化と開発が必要です。レイヤー2の普及と採用が進むにつれて、現在のイーサリアムネットワークが狭い道から広い道へとアップグレードされ、より多くの人がDeFi製品を使用し、分散型金融を体験できるようになることが期待されます。将来、Eth2 シャードが稼働すると、Ethereum ネットワークが地上輸送から陸、海、空の輸送システムへと成長すると予想されます。

その時までに、私たちは本当に DeFi の現代に突入することになるかもしれません。