Ethereum Layer-2スケーリング解説

今回は2022年の注目ポイントであるイーサリアムのレイヤ2を調査した内容をまとめてみました．主にEnterprise Ethereum Alliance (EEA)のブログ記事を翻訳して私の解釈を追加したものになります．

“Scaling a $500Bn+ Ecosystem: Layer 2 and Other Ethereum Scalability Solutions and Their Current Solution Landscape” by Andreas Freund, EEA Mainnet Interest Group Member

はじめに

イーサリアムのメインネットは，その成功の代償として、現在、スケーリング問題を抱えておりエコシステムの成長にとって重要なボトルネックとなっています。高い取引手数料とブロックごとに許可される取引数の制限によりネットワークはいつも混雑し、イーサリアムベースのプロトコルや新興企業、その他健全なビジネスモデルを持つ様々なプロジェクトの経済性が損なわれています。イーサリアムの次期バージョンであるEth2は、PoS移行後のシャーディング実装により取引スケーラビリティを100倍に高め、取引手数料を大幅に削減することを約束していますが、その実現にはまだ12カ月以上かかる予定です。イーサリアムがこれからも世界で最も普及し、最も利用されているブロックチェーンネットワークとしてのリーダー的地位を維持したいのであれば、イーサリアムのスケーラビリティの課題へ対処するのは待ったなしの状態です．

この2～3年の間に、スケーリングと取引コスト削減の課題に対応するいくつかのタイプのソリューションが登場しました。これらのソリューションに共通しているのは、イーサリアムのメインネットの外で（つまりオフチェーンで）重いトランザクション処理を様々な形態の集中型または分散型コンピューティング環境で行い、メインネットはセキュリティとデータの完全性のアンカーとして様々な形態で使用されているという点です。これらのソリューションは、レイヤー1（L1）とも呼ばれるイーサリアムメインネットの上に位置するソリューションであるため、レイヤー2（L2）と呼ばれるものです。

以下、主なスケーラビリティ・ソリューションカテゴリーの概要と、各ソリューションカテゴリーの特徴を簡単に説明していきます。

• ステートチャンネル
• サイドチェーン
• ロールアップ
• Optimistic Rollups
• Zero-Knowledge (zk) Rollups
• Plasma
• Validium

レイヤー２の種類と動作原理

ステートチャンネル

ステートチャンネルは，当事者間で確立された安全なチャネルを介してオフチェーンで取引を実行することにより，イーサリアムメインネットを拡張します．これは，Bitcoinのライトニングネットワークの支払いチャネルにユーザーが入金するのと似ています．このスナップショットには、ある時点のイーサリアムアドレスのETH保有量など、重要なデータが含まれます。

ステートチャンネルは，オフチェーン取引を瞬時に確定し，ステートチャンネル運営者とステートチャンネル参加者のみがオフチェーン取引を可視化できるため，優れたプライバシーを保ちながら（ほぼ）自由なオフチェーン取引を可能にします．プレイヤーがゲームを開始するために前金を入れるチェスゲームを考えてみてください．この取引（前金のデポジット）はオンチェーンで記録され，ステートチャネルが開かれます．個々の手は，チャネル内の各プレイヤーによって署名されます．ゲームは退出するか対局が終了するまで続けられ，その時点で対局者の1人または対局者自身がメインネットに裁定と賞金の支払いを求められます．

ステートチャネルは，適度に信頼された当事者間で高いトラフィックを伴うピアツーピアの多方向トランザクションが行われる状況で機能する可能性があります．個々の状態の変更は，署名された安全な取引によってこれらのチャネル内で行われ，メインネットまたはL2コンセンサスベースの契約は，定期的またはエンドゲームの照合を処理する役割を果たすことになります．投げ銭などの機能を実装するのに最適なオフチェーン取引ベースのスケーリングソリューションです．

サイドチェーン

サイドチェーンは、独自のコンセンサスモデル、例えばProof of Authority（PoA）、Proof of Stake（PoS）、Ethereum Virtual Machine（EVM）などのステートマシン機構や他のアーキテクチャを持つEthereumメインネットから独立したブロックチェーンです．イーサリアムのトランザクションは，カストディ的にそのようなチェーンにオフロードすることができ，イーサリアムメインネットの負担を軽減することができます．サイドチェーンに関するネットワークアプローチ（独立したマルチチェーンとシャードチェーン）に応じて，サイドチェーンへのゲート付きアクセスによりトランザクションのプライバシーを保護できる可能性があります．

各ネットワークが採用する特定のアプローチは、スケーラビリティ、セキュリティ、および目的適合性に関して、独自に評価する必要があります。エコシステム参加者の中には、サイドチェーンはオンチェーン取引データの欠如によりイーサリアムメインネットの十分なセキュリティ保証を継承せず、イーサリアムメインネット上で紛争を仲裁する能力もないため、真のL2ソリューションであるとは考えていない人もいるようです（実際EthのメインページではL2とは分類していません）．Ethに接続されたチェーンベースのネットワークの支持者は、そのProof of StakeコンセンサスモデルとバリデータモデルがEth2（同じくProof of Stakeモデルを使用）と同様に厳格であり、Ethereumとの運用関係（Ethereum上で動作するネットワーク契約の形式）により、Ethネイティブ形式で十分なセキュリティと透明性が得られると主張します（ただこの主張は個人的に著しく疑問がありますが…）．

ロールアップ

ロールアップは、イーサリアムメインネットのセキュリティ保証を継承しつつ、高い取引スループットを実現する高度な非保護型サイドチェーンに類似しています。ロールアップは通常、4つの主要なカテゴリであるOptimistic Rollups、zk-Rollups、Plasma、Validiumのいずれかに分類されます。

ロールアップは、メインのイーサリアムチェーンの外側でトランザクションを実行するソリューションですが、トランザクションデータはレイヤー1にポストされます。取引データはLayer1上にあるため、ロールアップもLayer1によって保護されます。レイヤー1のセキュリティ特性をほとんど継承しつつ、レイヤー1の外側で実行することが、ロールアップの特徴になります．

ロールアップの特性を簡易に分類すると以下の3つです。

1. レイヤー1外でのトランザクション実行
2. トランザクションのデータまたは証明はレイヤ1上に存在
3. レイヤー1の取引データを用いて、レイヤー2で正しい取引の実行を強制できるレイヤー1のロールアップスマートコントラクト

ロールアップの中には、「オペレーター」がロールアップ契約にボンドを賭けることを要求するものもあります。これは、オペレーターが取引を正しく検証し、実行するインセンティブになるためです。(レイヤー2ロールアップ、Ethereum.org、https://ethereum.org/nb/developers/docs/scaling/layer-2-rollups/)

しかし、メインネットのようにオペレーターモデルが十分に分散化されていない場合、「オペレーター」は取引を検閲する権限を持っていることになります（ブロックチェーンの耐検閲性が失われる危険性がある）。下図は、データ保存をオンチェーンで行うかオフチェーンで行うか、計算の正しさをゼロ知識有効性証明で行うかユーザー預託金削減型不正証明で行うかによって、これらのカテゴリーを整理したものです．

ロールアップ・ソリューションのもう一つの違いは、計算がどこで行われ、いつ最終的な処理が行われるかという点です。例えば、ZK Validity Proofの計算はサードパーティーのオペレーター（またはバリデーター、シーケンサー）を通じて行われ、その主な機能は取引を束ね、メインネットに取引バッチを送信することです。これらのバッチには、取引の有効性を証明するための最小限の、しかし十分な情報が含まれているます。トランザクションの計算はL1に提出される前に行われ、L1によって検証された時点で（あるいはロールアップの指示により十分なL1ブロックが経過した時点で）最終的な処理が行われます。

Optimistic Rollupsもzk-rollupsと同様にオフチェーンで取引を計算しますが、ゼロ知識証明によらず、コンテストで取引が有効かどうかという判断をメインネットに委ねるために、コンテストの手順と期間に依存します。ZK Validity Proofs と同様、Optimistic Rollups のオペレーターは出資するか、またはボンドを付けられる可能性が高く、オペレーターが不正な取引をメインイーサリアムのチェーンに提出した場合、その出資額は切り崩されます。

なお、ロールアップは一般に、その利用者にプライバシー機能を提供しません。しかし、Optimisticロールアップ（zk Optimistic）とzkロールアップ（zk-zk Rollup） の両方で、ユーザーのプライバシーを保護する新しいソリューションが出現しています。これらについては、次のセクションで説明します。また、zk-Optimistic RollupはOptimistic Rollupの場合よりもロールアップブロックの各トランザクションがはるかに大きく、Ethereumブロックはブロックガス制限によってスペースが制限されるため、Optimistic Rollupよりもパフォーマンス特性が悪く、プライバシーとパフォーマンスの間のトレードオフであることに注意してください。一方、zk-zk Rollupsは、再帰的zk証明の利用によりロールアップブロックへのデータ追加を回避できる暗号技術を巧みに利用することにより、zk Rollupsと同様の性能を有しています。さらに、利用する暗号技術を最適化することで、zkロールアップと比較して必要な計算能力の増加を回避しています。

上記のL2ソリューションは、性能、セキュリティ、経済性、ユーザビリティの面で様々な特徴があり、下表のようにまとめられます。

MatterLabのブログから引用

採用技術の急速な変化と最適化を考慮すると、上記の各カテゴリーの評価はあくまでも現時点でのスナップショットであり、今後12ヶ月から24ヶ月の間に大きく変化する可能性があります（また、そのような変化が予想されます）。

すでに述べたように、Ethereum L2のエコシステムは、2017年のPlasmaホワイトペーパーから、2021年にEthereum最大の分散型取引所であるUniswapがL2ソリューションを実装して稼働するまでにワープスピードで進化してきました。そのため、上記のエコシステムの概要は不完全であり、すぐに時代遅れになるかもしれません。しかし、現在のスナップショットは、この分野における多種多様なプロジェクトと、それらの意図するユースケースを理解する上で有用です。

ここでは、各カテゴリについて説明し、1つまたは複数の例を挙げてより詳しく説明します。また、同じカテゴリに属するその他の注目すべきプロジェクトについても言及し、それらのウェブサイトまたはGithubリポジトリが存在する場合は、そのリンク先を示します。

State Channels

xDai Chain:

xDai Chainは、EVMベースのサイドチェーンで、現在約70トランザクション/秒（TPS）の大容量トランザクションを安定的に処理できるように設計されています。このプロジェクトは、コンセンサスプロバイダーが経済的にサイドチェーンを保護するために出資するSTAKEトークンを中心に構築されています。xDai Chainはその効率性から、最近人気が高まっています。

POA Network: 

70TPSのxDai Chainと同様に、POAネットワークはEVMベースのサイドチェーンで、信頼できるコンセンサスプロバイダーのセットに依存して、迅速かつ安価に取引を処理します。このソリューションは、ブロックチェーンゲームからコミュニティ通貨まで、ほぼすべてのユースケースに使用可能なようです。

Polygpn (PoS):

Polygonは、開発者が異なるタイプのネットワーク（EVMベースのProof-of-Stakeチェーン、Plasmaチェーンなど）を展開し、メッセージングプロトコルを通じて互いにEthereumと接続できるようにする技術フレームワークおよびプロトコルです。そのため、Connextや、Cosmosのような非Ethereumベースのフレームワークと狙いが似ています。Polygon PoSは、Polygonのサイドチェーンソリューションです。Polygonトークンは、コンセンサスプロバイダーを経済的に確保するために、Polygonネットワークのチェーンに展開されているさまざまなネットワーク上でステーキングトークンとして使用されます。そのアプローチとアーキテクチャは、Polkadotのサブストレートとパラチェーンのアプローチに似ています。

Skale:

kale社のElastic Blockchain Networkは、Ethereum互換のPOSサイドチェーンソリューションで、アプリケーション固有のサイドチェーンインスタンスを迅速にスピンアップすることが可能です。各サイドチェーンのバリデータは、SKALEバリデータプール全体の中からランダムで定期的にシャッフルされたサブセットとして選択され、トークンをステークすることでインセンティブが与えられます。バリデータは、Ethereum Mainnet上で動作するアプリケーションによって管理およびシャッフルされます。

Optimistic Rollups

Optimism:

Optimismは、ガス使用量を約100倍削減できるOptimistic Rollupの実装で、Synthetixなどの大手DeFiプレイヤーの間で早くも人気を集めています。Optimismは、L2ベースのEVMであるOVMを構築し、L1プロジェクトがSolidityまたはVyperスマートコントラクトをOptimism上に再展開できるようにしました。実装されているプロジェクトとしてはUniswap，Compound，Synthetixなどが挙げられます．

Fuel:

FuelはEthereum Mainnetに実装された最初のOptimistic Rollupで、2020年12月31日に稼動しました。Fuelは、高速で効率的なトークン決済を約束し、"地球の価値交換層 "になることを望んでいます。

Arbitrum:

Offchain Labsが開発したArbitrumは、Optimismと同様に、バリデータが経済的にEtherでステークされ、約100倍のガス削減で処理できる楽観的ロールアップネットワークです。OptimismとArbitrumの主な違いは、Arbitrum Virtual MachineがバイトコードレベルでEVMと同じであるため、SolidityとVyperのスマートコントラクトはArbitrum上に何の変更もなくデプロイすることができるようになる点です。使用している有名なプロジェクトとしてはRedditとUniswapになります．

Cartesi Descartes: 

CartesiのDescartes Rollupsは、Truebitと同様に対話的な紛争解決を行うoptimisticロールアップの変種です。DecartesはEVMバイトコードの代わりにRISC-V命令セットを実行し、Linux 仮想マシンを走らせることができます。

他の注目すべきoptimisticロールアッププロジェクトは、OMGネットワークのOMGXと、Ernst & YoungのNightfall V3です。プライバシー保護型のoptimisticロールアップでは、ロールアップトランザクションがzk-snark証明で取引プライバシーを保護しているため、証明のサイズによってはTPSを低下させてしまいます。

zk-Rollups

zkSync: 

zkSyncはMatter Labsのzk-Rollupソリューションで、zk-snarksのゼロ知識証明を用いて高いスループット（ブロック内の取引数に基づき〜300〜2000tps）と高いセキュリティ（Ethereum Mainnetセキュリティ保証を継承）の両方を実現するものです。Matter Labsは、zkPorterと呼ばれるValidiumタイプのソリューションにも取り組んでいます。採用している主なプロジェクトとしてはCurve, Gitcoin, Balancer, Argentなどがあります．

Loopring：

Loopringは、Ethereum Mainnetに初めて導入されたzk-rollupであり、1年以上Ethereum Mainnetで運用されています。Loopringのzk-Rollupソリューションは現在、自動マーケットメーカーとオーダーブック、および決済を備えた分散型取引所のスケーリングに重点を置いています。Loopring ExchangeとLoopring Walletは、Loopringの技術をベースにしています。OpenOceanは現在、Loopringに移行しています。

Aztec：

アズテックはこのほど、完全にプライベートなEther/DAI取引を可能にする「zk.money」の提供を開始しました。Zk.moneyは、次世代のzk Rollupであるzk-zk Rollupです。Aztecの技術により、私的取引のzk証明、言い換えれば再帰的zk証明をイーサリアムメインネット上で検証することができます。zk証明は再帰的であるため、通常のzk Rollupsと同じ数のトランザクションをEthereum Mainnet上に配置することができます。

この形式のzk Rollupは、強いプライバシー要件を持つ多くの企業ユースケースにとって最も有望なアプローチであると思われます。

他の注目すべきzk Rollupsは、Hermez Network（最近Polygonによって買収された）とzkSwapです。

Validium

StarkEx:

StarkExはzk Rollupsと似ていますが、zk-snarkの代わりにzk-starkを使用しています。主な違いは、ゼロ知識証明はzk-snarkの場合よりもかなり大きく、そのためzk-snarkよりも預託と検証の両方にコストがかかるということになります．システムはValidium型とzk-rollup型のいずれでも動作可能です。このダイナミックさにより、純粋なzkロールアップシステムと比較して、より高いスループット能力を持つプロジェクトとなります。現在の実装では、Validiumタイプの実装を使用しています。

StarkExを使用した著名なプロジェクト：dYdX, DeversiFi, Paraswap, Immutable X

Plasma

OMG:

OMG Plasma Networkは、OMGXと似ていますが、Optimistic Rollupではなく、Plasmaアーキテクチャをベースに構築されています。

Polygon:

また、Polygonは、Polygon Proof-of-Stake サイドチェーンについて説明したように、他のサイドチェーンやロールアップとメッセージを交換できるPlasmaチェーンとして、上記で説明したバージョンをリリースしています。

まとめ

市場も若干落ち着いてきましたしWeb3.0に付随するメタバースなどの実現もすべてレイヤー1とレイヤー2の進化にかかっているわけなので，こういったブロックチェーンインフラ部分の理解を深めるには丁度よいタイミングではないでしょうか．

個人的には2017年に提案された数々のアイデアがここ数年でやっと実現してきた印象です．当時もICOブームでETHネットワークが大混雑し，大変な状況を経験しました（Defiが登場する前の分散型取引所も使ってましたが，ユーザビリティーや流動性はひどい状況で取引手数料ばかりとられるので利用をすぐに辞めました）．ETHのスケーリング問題はETHメインネットワークを世界規模へ普及させる技術的最大の課題でしたし，まだ全然解決されてませんが方向性は見えてきた感じがします．

もちろん本命はETH2.0でのシャーディング実装ですが，かなり工数の多い検証が必要そうですし，開発者はしばらくはPoSへのコンセンサス・アルゴリズム移行とレイヤー2によるTPS拡張と取引手数料の削減に取り組む方向性のようです．最終的にはユーザビリティーと性能との兼ね合いになりますが，Polygon, zkSync, Optimism, Arbitrum, Plasmaなどがどんどんユーザーベースを増やしていくと予想しています．

今後もレイヤー1でETHキラーが続々と登場してETHの地位を脅かすと言うアナリストもいますが，開発者層の厚さと様々なトラブルを経験してきていること，今までの実績などを加味するとそういった状況は起こらないでしょう．それは他のレイヤー1のプロジェクトがまず初めにETHへ接続するブリッジを用意していることからもETHを追い越すのが容易でないことが推察できます（ETHキラーとブランディングするとエンジェル投資家がわんさか集まるのでそういった文言を使うのだと思っています）．2022年はETH2.0の本格的な移行が始まること，数々のレイヤー2ソリューションが実利用されることで，ETHのエコシステムは発展していくことでしょう．

ちなみに私は乗り遅れましたがSolanaなどの第3世代と呼ばれるレイヤー1は技術的に非常に面白い手法をとってますし，後発組なので新しい知見を最大限活かしてこれからも生き残る可能性は高いと思います（NEARなどはEthより先行してシャーディングを実装する予定なのでETHのテストネットへ実装される前のカナリアネットワーク的な役割を担ってくれるかもしれません）．レイヤー1ではありませんが，Polkadotのパラチェーンが本格的に稼働することも今年の要チェック項目ですね．