オフチェーン拡張デプス解析

著者: Cobo Ventures Team

1. スケーリングの必要性

ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです: 去中心化、安全性、そしてスケーラビリティ。しかし、通常、ブロックチェーンはそのうちの2つしか実現できず、3つの要件を同時に満たすことはブロックチェーンの不可能三角問題と呼ばれています。何年もの間、人々はこの難題を解決する方法を模索してきました。去中心化と安全性を保証しながら、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させること、すなわちスケーリング問題を解決することは、現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットな話題の1つです。

まず、ブロックチェーンの去中心化、安全性、スケーラビリティをざっくりと定義しましょう:

• 分散型: だれでもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加でき、ノードの数が多いほど、分散型の程度が高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的な参加者の支配を受けないことを保証します。
• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかかるコストが高くなるほど、セキュリティは高くなり、そのためチェーンはより大きな割合の参加者からの攻撃に耐えることができます。
• スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。

ビットコインネットワークの初めての重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題に起因しています。ビットコインのユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBのブロック上限を持つビットコインネットワークは混雑問題に直面し始めました。2015年から、ビットコインコミュニティ内でスケーラビリティの問題に対する意見の相違が生じ、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持する拡張派、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小ブロック派で、Segwitによるオフチェーン最適化を主張しました。2017年8月1日、Bitcoin ABCが独自に開発した8MBのクライアントシステムが稼働を開始し、ビットコインの歴史上初の重大なハードフォークが発生し、新しいコイン種BCHが誕生しました。

同様に、イーサリアムネットワークもネットワークのセキュリティと分散化を保証するために、ある程度のスケーラビリティを犠牲にしています。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限して取引量を制限するのではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設ける形に変わっていますが、その目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保するためです(。制限を撤廃したり引き上げたりすることは、帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小さなノードを多く排除することになります)。

2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場のスループット需要は増加し続けていますが、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり15~45件のトランザクション(TPS)しか処理できません。これにより、トランザクションコストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsが運営コストを負担できなくなり、全体のネットワークはユーザーにとって遅くて高価になってしまっています。ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決される必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、非中央集権性と安全性を犠牲にすることなく、可能な限りブロックチェーンネットワークのトランザクション速度(短いファイナリティタイム)とトランザクションスループット(より高いTPS)を向上させることです。

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2. スケーリングソリューションの種類

私たちは「メインネットの層が変更されるかどうか」を基準に、スケーリングソリューションをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大きなカテゴリに分けました。

2.1 チェーン上のスケーリング

核心概念:主ネットワークプロトコルの一層を変更することによってスケーラビリティの効果を達成するソリューション、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

オンチェーンのスケーリングにはさまざまなソリューションがありますが、この記事では詳しく説明しません。以下に2つのソリューションを簡単に列挙します:

• 方案一はブロックスペースを拡大することで、すなわち各ブロックにパッケージされる取引の数を増やすことですが、これは高性能ノードデバイスへの要求を高め、ノードの参加のハードルを上げ、"分散化"の程度を下げます。
• プラン二はシャーディングで、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分け、すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、つまり異なるノードが異なる記帳を担当します。並列計算により複数の取引を同時に処理できます。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、取引処理速度と分散化の程度を向上させることができます。しかし、これは全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「セキュリティ」が低下します。

主ネットワークのプロトコルのコードを変更することは、予期しない悪影響をもたらす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずかなセキュリティの脆弱性が、ネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすからです。ネットワークは、フォークや中断修復のアップグレードを余儀なくされる可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレーション脆弱性事件：Zcashのコードは、ビットコイン0.11.2版のコードを基に修正されており、2018年にあるエンジニアがその基盤コードに高危険な脆弱性を発見しました。つまり、トークンが無限に発行可能であり、チームは秘密裏に8ヶ月間修正作業を行い、脆弱性の修正後にこの事件を公表しました。

2.2 オフチェーン拡容

コアコンセプト:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更せずにスケーリングソリューション。

オフチェーン拡張ソリューションは、Layer2とその他のソリューションに細分化できます:

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3. オフチェーン拡張の方案

3.1 ステートチャネル

3.1.1 まとめ

ステートチャンネルは、チャンネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する時にのみ、ユーザーがメインネットとインタラクションする必要があると規定しています。ユーザー同士のインタラクションはオフチェーンで行われ、ユーザーの取引時間とコストを削減し、取引回数の制限をなくすことを実現します。

状態チャネルはシンプルな P2P プロトコルであり、「ターン制アプリケーション」に適しており、例えば、二人のチェスゲームなどがあります。各チャネルは、メインネットで動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理されており、このコントラクトはチャネルに預けられた資産を制御し、状態更新を検証し、参加者間の争議を仲裁します(。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトをデプロイした後、資金を預けてロックし、双方が署名して確認した後、チャネルが正式に開通します。チャネルは参加者間で無制限のオフチェーン無料取引を可能にします)、彼らの転送純資産が預けられたトークンの総額を超えない限り(。参加者は交互に状態更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。一旦相手が署名確認を行うと、この状態更新は完了とみなされます。通常、双方が合意した状態更新はメインネットにアップロードされず、争議が発生したりチャネルが閉じられたりした場合にのみ、メインネットの確認に依存します。チャネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者はメインネットで取引要求を提出でき、退出要求が全員の合意署名を得た場合、オンチェーンで即座に実行されます。つまり、スマートコントラクトはチャネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を分配し、ロックされた残りの資金を配分します。もし他の参加者が署名を承認しない場合、全員が「チャレンジ期間」の終了を待たなければならず、残りの資金を受け取ることができません。

以上より、ステートチャンネルのソリューションはメインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、取引コストを低減できます。

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)# 3.1.2 タイムライン

• 2015/02、Joseph Poon と Thaddeus Dryja はライトニングネットワークのホワイトペーパー草案を発表しました。
• 2015/11、ジェフ・コールマンは初めてステート・チャンネルの概念を体系的にまとめ、ビットコインのペイメント・チャンネルはステート・チャンネルの概念の一つのサブケースであると提唱しました。
• 2016/01、Joseph PoonとThaddeus Dryjaは正式にホワイトペーパー《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》を発表し、ビットコインのライトニングネットワークのスケーラビリティソリューションであるPayment Channel###支払いチャネル(を提案しました。このソリューションは、ビットコインネットワーク上の送金支払いを処理するためのものです。
• 2017年11月、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初の設計仕様であるSpritesが提案されました。
• 2018/06年に、Counterfactualは、State Channelsに完全に関連する最初の設計であるGeneralized State Channelsの非常に詳細な設計を提案しました。
• 2018年10月、Generalised State Channel Networksの記事では、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案されました。
• 2019/02、ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはこのアイデアに基づいて構築された最初のプロトコルです。
• 2019/10、Pisaはすべての参加者が常にオンラインである必要がある問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。
• 2020/03,Hydraがファストアイソモルフィックチャネルを提案しました。

)# 3.1.3 技術原則

ステートチャネルの主なプロセスは以下の通りです:

1. アリスとボブは、それぞれのEOAから資金をオフチェーン契約アドレスに入金することで、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じるまでユーザーに残高が返されません。二人が署名を確認した後、二人の間のステートチャネルが正式に開通します。

2. アリスとボブはこのチャネルを通じて理論的にはオフチェーンで回数無制限の取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージで相互に通信###し、ブロックチェーンネットワークとは通信しません(。双方のユーザーは二重支払いを防ぐために、各取引に署名する必要があります。これらのメッセージを通じて、彼らは自分のアカウントの状態の更新を提案し、相手が提案した状態の更新を受け入れます。

3. もしアリスがボブとの間の取引を終了するためにチャネルを閉じたい場合、アリスは契約に自分のアカウントの最終状態を提出する必要があります。ボブが署名して承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を対応するユーザーに返還します。ボブが署名に応答しなかった場合、契約はチャレンジ期間が終了した後にロックされた資金を対応するユーザーに返還します。

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)#3.1.4長所と短所

価値：

• 無限回数のオフチェーン取引を実現できます
• 取引速度が速く、ほぼ即時に確認されます。
• 取引コストが低い
• プライバシーが良好で、スイッチを通じてオンチェーンになる時のみ

短所：

• 資金をロックする必要があります
• すべての参加者はオンラインの状態を維持する必要があります
• 通路が閉じている時のみ、オンチェーンで取引を確認できる
• 大規模なマルチパーティ取引の複雑度が高い
• 状態更新にはすべての参加者の署名が必要です。

3.1.5 アプリケーション

1. ビットコイン・ライトニングネットワーク

ビットコインのライトニングネットワークは、ビットコインネットワークの小額支払いチャネルで、オフチェーンの小額支払いチャネルを通じて、中間者を介して取引ネットワークを構成することによって、ビットコインネットワークのスケーリング問題を解決できます。理論的には、ライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できます。

主要タイムライン:

• 2015年2月にホワイトペーパーの草案を発表
• 2018年3月に最初のメインネットバージョンをリリース
• 2021年サルバドルがビットコインを法定通貨として採用し、ライトニングネットワークに基づくウォレットを発表しました。
• 2022年に複数の取引所がライトニングネットワークをサポート

エコシステムは主に次のものを含みます: 基盤となる BTC ネットワーク、コアインフラ###ライトニングネットワークソリューション、ノードと流動性サービス(、上層のさまざまな決済および金融サービスアプリケーション。

2. イーサリアムライトニングネットワーク

雷電ネットワークは、イーサリアムに基づく小額決済チャネルで、ライトニングネットワークに非常に似ており、目的はイーサリアム上でほぼ即時、低コストかつスケーラブルな ERC20 トークンの支払いを実現することです。

主要タイムライン:

• 2017年設立
• 2020年5月に最初のメインネットクライアントをリリース

技術の発展が遅れているため、現在は広く採用されていません。

3. セラー ネットワーク

Celer Network は本質的に、オフチェーン拡張技術とインセンティブ経済モデルを使用して、高速で使いやすく、低コストで安全な高頻度インタラクションタイプのブロックチェーン Dapps（例えば、電子スポーツプラットフォームなど）を構築するために、インセンティブ層)トークン $CELR( を追加した、ライトニングネットワークです。

)# 3.1.6 アプリケーション比較

ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのレイデンネットワーク、Celer Networkの主な違い:

• 基盤ネットワーク:それぞれビットコイン、イーサリアム、およびマルチチェーンに基づいています
• 機能:ライトニングネットワークは支払いのみをサポートし、雷電ネットワークとCelerはより複雑なアプリケーションをサポートします。
• 発展程度:ライトニングネットワークは最も成熟しており、雷電ネットワークは遅れており、Celerは中間に位置しています