Ethereumのサイドチェーンとレイヤー2の違いとは?

Ethereumネットワークに数百万人のユーザーが参加し、開発者が日々Ethereumアプリケーションを構築する中、Ethereumはトランザクション数によって制限を受けています。Ethereumのトランザクション処理能力、つまりトランザクションスループットは15トランザクション/秒に限られており、そのため手数料が高騰し、多くの人にとって利用しづらいほど混雑することが増えています。

Ethereumネットワークはメインチェーンであり、その上で直接発生するトランザクションはすべて「オンチェーン」で、それ以外は「オフチェーン」とみなされます。サイドチェーンやレイヤー2のようなオフチェーンソリューションの一部が、Ethereumのスケーリングに役立ち、トランザクション速度とネットワークが処理できるトランザクションデータ量を増加させることができます。この記事では、サイドチェーンとレイヤー2ソリューションとは何か、そしてそれらがスケーラビリティにどう役立つのかを説明します。

サイドチェーンとレイヤー2はどのような問題を解決するのか？

サイドチェーンとEthereumのレイヤー2ソリューションは、Ethereumのスケーリングを助けるという課題に取り組んでいます。オンチェーンでパフォーマンスをスケールアップしようとする試みは、多くの場合Ethereumの分散性かスケーラビリティのどちらかをトレードオフすることになります。これはスケーラビリティ・トリレンマとして知られています。

Ethereumレイヤー1の複雑さを増すことは理想的ではありません。というのも、新しい改善を継続的に議論し、決定し、実装するためのガバナンスの負担がプラットフォームにとって高まるからです。サイドチェーンとレイヤー2ソリューションは、セキュリティと分散性を維持しながら、すべての人にとってEthereumを改善する継続的かつ漸進的なイノベーションを可能にします。

サイドチェーンとレイヤー2ソリューションの主な違いは何か？

サイドチェーンとEthereumレイヤー2ソリューションの主な違いは、レイヤー2がEthereumメインネットワークのセキュリティを継承するのに対し、サイドチェーンは独自のセキュリティに依存するという点です。

Ethereumサイドチェーンとは？

Ethereumサイドチェーンとは、Ethereumのメインチェーンと並行して稼働する別個のブロックチェーンネットワークのことです。 サイドチェーンは双方向のペグシステムを通じてメインチェーンに接続され、両チェーン間で資産を交換できるようになっています。

サイドチェーンには基本的に2つのタイプがあります。一方のチェーンがもう一方に依存しているタイプと、互いに独立しているタイプです。

あるチェーンがEthereumのような別のチェーンに依存している場合、そのチェーンは親チェーンの子チェーンとみなすことができます。一般的に、子チェーンは自らの資産を生成せず、親チェーンからの転送によってすべての資産を得ます。

サイドチェーンは独自のコンセンサスプロトコルを持っており、多くの場合特定の種類のトランザクション向けに設計されているため、より高速で低コストです。しかし、これは同時に、Ethereumのセキュリティ特性を通常は継承しないということも意味しており、サイドチェーンを使用する際は資金のカストディを失い、そのサイドチェーンのセキュリティ（自身のコンセンサスプロトコルに参加するノードを含む）のみに依存することになります。

サイドチェーンはメインチェーンの混雑を軽減し、誰にとってもコストを下げ、Ethereumエコシステムの使いやすさとスケーラビリティを向上させます。開発者もサイドチェーンを使って、メインチェーンでは利用できない新しい機能やユースケースを探索し、テストすることができます。

代表的なサイドチェーンには、Polygon PoS、Skale、Rootstockなどがあります。Ethereum 2.0には、最近ローンチされたBeacon Chainに接続されるシャードチェーンと呼ばれる独自のサイドチェーンのバリエーションがあり、これは最終的にPoS（プルーフ・オブ・ステーク）ベースのEthereumのメインチェーンとなることを目指しています。

サイドチェーンはどのように機能するのか？

サイドチェーンは、双方向ペグシステムまたはブリッジを通じてメインチェーンに接続することで機能します。 メインチェーンからは、ETHをロックボックスとして機能する出口アドレスに送ることができ、それによって他の場所で使用できないようになっています。

このトランザクションが完了し、追加のセキュリティのための「コンテスト期間」が経過すると、「Simple Payment Verification」（SPV）と呼ばれる証明が発行されます。これがトリガーとなって、サイドチェーン上のロックボックスからスマートコントラクトを通じて同じ価値が解放されます。サイドチェーンからメインチェーンへ「転送」する場合も、全く同じプロセスが逆方向に実行されます。

サイドチェーンでの開発方法は？

サイドチェーンは、Ethereumの計算エンジンであるEthereum Virtual Machine（EVM）をベースにしており、このEVMとの互換性のおかげで、開発者はアプリケーションをサイドチェーンで使いたい場合でも変更を加える必要がありません。すべて同じSolidityというソフトウェアレイヤーを共有しており、同じWeb3 APIを通じてアクセスできるため、単に同じコードをデプロイするだけで済みます。

レイヤー2プロトコルとは？

レイヤー2プロトコルとは、Ethereumチェーン内に存在しながら、二次的なフレームワークを通じてより高いスケーラビリティを達成できるチェーンのことです。これにより、活動の大部分を第2層で処理することで、メインレイヤーの混雑が軽減されます。サイドチェーンとは異なり、レイヤー2は一般的にメインチェーンのセキュリティ特性を継承します。

レイヤー1は基盤となるブロックチェーンです。Ethereumはレイヤー1ブロックチェーンであり、さまざまなレイヤー2ブロックチェーンが構築される基盤となっています。簡単に言えば、レイヤー2はトランザクションの束を圧縮し、それをEthereumのメインネットワークに送信します。

レイヤー2スケーリングソリューションとは？

レイヤー2スケーリングソリューションには、チャネル、Rollups、Plasmaが含まれます。 それぞれのソリューションについて解説します。

1. ステートチャネル

ステートチャネルでは、ユーザー同士が直接オフチェーンで取引を行い、オンチェーンのトランザクションを最も重要な情報のみに抑えます。具体的には、ブロックチェーンの一部がスマートコントラクトによってロックされ、そのトランザクションに関わる参加者全員が合意しない限り更新できないようになっています。

参加者は、ブロックチェーンに送信できるトランザクションを作成し署名することで、互いの間でステートを更新します。チャネルの使用を終了したい場合は、退出して最後のステート更新をメインチェーンに送信し、それによって再びステートがロック解除されます。

2. Rollups

Rollupは、Ethereumのメインブロックチェーンの外でトランザクションの実行を行い、複数のトランザクションをまとめてバッチにしてからメインのEthereumネットワークに送り返します。RollupsはEthereumがトランザクションを処理することなくその正当性を検証できるよう、証明に依存しています。

Rollupsの2つのタイプとは？

一般に、Rollupsには2つのタイプがあります。ゼロ知識（ZK）RollupsとOptimistic Rollupsです。

1. ゼロ知識Rollups（ZK rollups）

**ゼロ知識Rollups（ZK rollups）**は正当性証明を使用します。トランザクションの各バッチには、Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge（SNARK）と呼ばれる暗号学的証明が含まれており、これはEthereumのメインレイヤー上のコントラクトによって検証されます。

メインチェーンに保存する必要があるのは正当性証明だけで、かさばるトランザクションデータではないため、このオフチェーンでの計算は処理時間と処理能力を大幅に節約でき、ゼロ知識rollupsをより高速かつ効率的にします。

2. Optimistic Rollups

Optimistic Rollupsは不正証明を使用します。その名の通り、すべてのトランザクションが有効であると楽観的に仮定し、初期証明なしにバッチを送信します。バッチ内のデータが不正であることを他者が検出し証明できるチャレンジ期間が設けられています。

バッチが不正であることが判明した場合、Optimistic Rollupsは不正証明を実行し、Ethereumのメインチェーン上で利用可能なデータを使って正しいトランザクション計算を実行します。参加者にETHをステークすることを義務付け、その行動に応じて報酬または没収を行うことで、良い行動へのインセンティブを与えています。

Optimismのような企業は、より高いスループット、低いレイテンシー、低いガス代を提供することでEthereumのスケーリングを支援しています。この記事の執筆時点で、OptimismのガスコストはEthereumより最大10倍安くなっています。

3. Plasma

PlasmaはEthereumのネイティブなサイドチェーンと考えることができ、スマートコントラクトとマークルツリーを組み合わせて、無限に分岐する子チェーンを作り出します。これらの子チェーンは、独自のコンセンサスメカニズムを持つEthereumメインチェーンの小規模なコピーです。

計算とトランザクションデータに必要な帯域は親チェーンからオフロードされますが、一定の間隔でルートチェーンに投稿されます。各子チェーンは、rollupsと同様の不正証明システムにセキュリティを依存しており、誰でもその正当性に異議を唱えることができる期間が設けられています。

他のサイドチェーンとの主な違いは、各Plasmaチェーンブロックの「ルート」がEthereumに公開されるという点で、つまりメインチェーンのセキュリティを継承しているということです。

Polygonのような企業は、開発者とエンドユーザーの双方に、より高速なトランザクションとはるかに低いガス代を提供しています。これらの明確な利点により、Plasma上での構築は非常に魅力的なものとなっており、急激な成長を遂げてきたのも納得できます。

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• Polygon（サイドチェーン）
• Arbitrum（レイヤー2）
• Optimism（レイヤー2）
• Starknet（レイヤー2）

サイドチェーンやレイヤー2（チャネル、Optimistic Rollup、ZK Rollup、Plasma）のようなスケーリングソリューションの実装が広く採用されることで、Ethereumメインネットへの負荷が軽減され、より多くのユーザーが遅いトランザクション時間を短縮し、高いトランザクション手数料を下げることができます。それでいて、Ethereumでよく知られている同じセキュリティ保証（レイヤー2ソリューションの場合）や分散型アプリケーションは維持されます。