スケーリング

スケーリングの概要

イーサリアムのユーザー規模が拡大するにつれ、イーサリアムブロックチェーンの処理能力は限界に達しつつあります。これにより、イーサリアムネットワークの使用コストが増加しているため、「スケーリングソリューション」の必要性が高まってきました。スケーリングを達成するという目標の下で、異なるアプローチを用いた様々なソリューションが研究、テスト、および実装されています。

スケーラビリティの主な目標は、分散化やセキュリティを損なうことなく、トランザクション速度(ファイナリティの迅速化)とトランザクションスループット(1秒あたりのトランザクション数の増加)を向上させることです。レイヤー1のイーサリアムブロックチェーンでは、高い需要がトランザクションの遅延と、法外なガス価格につながります。イーサリアムが有意義かつ大規模に利用されるようになるためには、ネットワークの速度とスループットを改善することが不可欠です。

速度とスループットが重要である一方で、スケーリングのソリューションはこれらの目標を、分散化とセキュリティという特性を失わずに実現しなければなりません。中央集権化およびセキュリティの低下を防ぐためには、どんなユーザーでもノードとして参加できるように参入障壁を低くしておくことが重要です。

概念的に、まずスケーリングをオンチェーンスケーリングまたはオフチェーンスケーリングに分類します。

前提条件

イーサリアムに関する基本的なトピックすべてをよく理解しておく必要があります。スケーリング技術は、バトルテストの実績が少なく、引き続き研究、開発が続けている状態であるため、スケーリングソリューションの実装は上級者向けのテーマだと言えます。

オンチェーンスケーリング

オンチェーンスケーリングには、イーサリアムプロトコル(レイヤー1の)の変更が必要です。長い間、ブロックチェーンのシャーディングによってイーサリアムが拡張されると期待されていました。シャーディングとは、ブロックチェーンを複数の部分(シャード)に分割する技術であり、バリデータのサブセットによって検証される予定でした。しかし、主要なスケーリング技術として、レイヤー2ロールアップによるスケーリングが引き継がれており、より安く新しいデータ形式を追加することでサポートされています。このデータ形式は、ユーザーにとってロールアップを安価にするために特別に設計されています。

シャーディング

シャーディングは、データベースを分割するプロセスです。バリデータのサブセットは、イーサリアム全体を追跡するのではなく、個々のシャードに対して責任を持ちます。シャーディングは長い間イーサリアムのロードマップに記載されており、かつてはプルーフ・オブ・ステークへの「マージ」の前にリリースされる予定でした。しかし、レイヤー2ロールアップの急速な開発とDankshardingの発明(バリデーターが非常に効率的に検証できるロールアップデータのブロブをイーサリアムブロックに追加する仕組み)により、イーサリアムコミュニティは、シャーディングによるスケーリングではなく、ロールアップ中心のスケーリングを支持するようになりました。これにより、イーサリアムのコンセンサスロジックは比較的シンプルに保たれることになりました。

オフチェーンスケーリング

オフチェーンソリューションは、レイヤー1メインネットとは別に実装されます - 既存のイーサリアムプロトコルに変更は必要ありません。「レイヤー2」ソリューションとして知られる一部のソリューションは、オプティミスティック・ロールアップ、ゼロ知識ロールアップ、ステートチャネルのように、レイヤー1のイーサリアムのコンセンサスから直接セキュリティを継承しています。一方、サイドチェーン、バリディウム、プラズマチェーンなどのソリューションでは、メインネットとは別に、さまざまな形式の新規チェーンを作成してセキュリティを確保します。これらのソリューションはメインネットと通信しますが、さまざまな目標を達成するために、異なる方法でセキュリティを確保しています。

レイヤー2スケーリング

このオフチェーンソリューションのカテゴリーは、メインネットイーサリアムからセキュリティを得ています。

レイヤー2とは、メインネットが提供する堅牢かつ分散型のセキュリティモデルを活用しつつ、イーサリアムメインネット(レイヤー1)外でトランザクションを実行することでアプリケーションのスケーラビリティを実現しようとするソリューションの総称です。ネットワークの混雑によりトランザクション速度が低下すると、一部のDappでは優れたユーザー体験を提供できなくなります。また、ネットワークが混雑すると、トランザクションの送信者がガス代を高く支払うようになります。そのため、ガス代が上昇し、イーサリアムの使用コストが非常に高額になる可能性があります。

大部分のレイヤー2ソリューションは、1台または複数のサーバークラスタで構成され、各サーバーはノード、バリデータ、オペレーター、シーケンサー、ブロック生成者といった名称で呼ばれます。これらのレイヤー2ノードは、実装方法によって、利用する個人や企業、団体、サードパーティのオペレーター、大規模な個人のグループなどが運営する場合があります(メインネットと同様)。通常、取引はレイヤー1(メインネット)に直接送信されるのではなく、レイヤー2のノードに送信されます。一部のソリューションでは、レイヤー2インスタンスがトランザクションをグループにまとめてからレイヤー1にアンカリングし、その後レイヤー1によって保護され変更不可能になります。このプロセスの具体的な実行方法は、レイヤー2のテクノロジーや実装によって大きく異なります。

特定のレイヤー2インスタンスは、オープンで多くのアプリケーションが共有するものもあれば、1つのプロジェクトがデプロイし、そのアプリケーションのみをサポートするものもあります。

レイヤー2が必要な理由

毎秒あたりのトランザクション数を増加させることで、ユーザー体験が向上し、イーサリアムメインネットの混雑を軽減できる。
トランザクションはイーサリアムメインネットへの単一のトランザクションにロールアップされるため、ユーザーのガス代が削減され、イーサリアムはより包括的で、世界中の人々がアクセスしやすいものになります。
スケーラビリティを実現するためのアップデートは、分散化やセキュリティを犠牲にしてはならないが、レイヤー2はイーサリアムの基盤に基づくネットワークである。
アプリケーションごとに特化されたレイヤー2のネットワークでは、大規模な資産を取り扱う際に独自の効率性アップが実現できる。

レイヤー2の詳細

ロールアップ

ロールアップとは、レイヤー1の外部でトランザクションを実行し、データをレイヤー1に送信して、そこでコンセンサスを得るという手段です。トランザクションデータはレイヤー1のブロックに含まれるため、ロールアップの安全性はイーサリアムのネイティブセキュリティにより保証されます。

ロールアップには、異なるセキュリティモデルを採用した以下の2種類があります。

オプティミスティック・ロールアップ: トランザクションがデフォルトで有効であると仮定し、異議申し立てがあった場合にのみ、を介して計算を実行します。オプティミスティック・ロールアップの詳細
ゼロ知識ロールアップ: オフチェーンで計算を実行し、チェーンにを提出します。ゼロ知識ロールアップの詳細

ステートチャネル

ステートチャネルは、マルチシグコントラクトを活用して参加者がオフチェーンで迅速かつ自由にトランザクションを行い、その後メインネットで最終決済を行います。これにより、ネットワークの混雑、手数料、遅延を最小限に抑えることができます。現在利用されているチャンネルは、ステートチャンネルとペイメントチャンネルの2つです。

ステートチャネルについてさらに詳しく学ぶ

サイドチェーン

サイドチェーンは、メインネットと並行して実行される、EVM互換の独立したブロックチェーンです。これらは双方向ブリッジを介してイーサリアムと互換性があり、独自に選択したコンセンサスルールとブロックパラメータの下で実行されます。

サイドチェーンについてさらに詳しく学ぶ

プラズマ

プラズマチェーンは、メインのイーサリアムチェーンにアンカーされた独立したブロックチェーンであり、(オプティミスティック・ロールアップのような)不正証明を用いて紛争を仲裁します。

プラズマについてさらに詳しく学ぶ

バリディウム

バリディアムチェーンはゼロ知識ロールアップのように有効性証明を使用しますが、メインのレイヤー1イーサリアムチェーン上にデータを保存しません。そのため、バリディアムチェーンごとに毎秒1万のトランザクションを処理でき、複数のチェーンを並列に実行できます。

バリディウムについてさらに詳しく学ぶ

さまざまなスケーリングソリューションが求められる理由

複数のソリューションによって、ネットワークの特定の部分の全体的な混雑を緩和し、単一障害点を防ぐことができます。
複数のソリューションは、その全体においてさらに効力を発揮します。つまり、多様なソリューションが共存し、調和的に機能することで、トランザクションの速度やスループットを今後爆発的に向上させることが可能になります。
すべてのソリューションにおいてイーサリアムのコンセンサス・アルゴリズムを直接活用する必要があるわけではなく、さまざまな代替手段によりその他の方法では得にくいメリットを得ることができます。

映像で学びたい場合

注: 動画の説明では「レイヤー2」という用語をすべてのオフチェーンスケーリングソリューションを指すのに使用していますが、私たちは「レイヤー2」をレイヤー1メインネットコンセンサスを通じてセキュリティを得るオフチェーンソリューションとして区別しています。

参考リンク

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