基本的な紹介
レイヤ 2 は、イーサリアムのスケーラビリティの問題を解決するために設計された重要なソリューションの 1 つであり、イーサリアムのメイン チェーン上に追加のネットワーク層を構築することで、メイン チェーンのセキュリティと分散化の特性を維持しながら、より多くのトランザクションを処理できるようになります。
Rollup は、トランザクションをオフチェーンで処理し、トランザクション データをメイン チェーンに「パッケージ化」するレイヤー 2 拡張ソリューションです。そのセキュリティはレイヤー 1 によって保証されています。現在、他のチェーンと比較して最も主流のレイヤー 2 拡張ソリューションです。ステート チャネル、サイド チェーン、プラズマなどのソリューションに対応するロールアップには、次の 3 つの特徴があります。
レイヤ 2 は、レイヤ 1 から比較的独立したプラットフォームです。すべての参加ユーザーは、独立したレイヤ 2 アカウントも持っています。ユーザーは、レイヤ 2 プラットフォーム上で他のレイヤ 2 ユーザーと取引できますが、レイヤ 1 アカウントとレイヤ 2 アカウント間のやり取りが必要です。レイヤ 2 オペレータは、レイヤ 1 とレイヤ 2 にスマート コントラクトを展開します。最も一般的なやり取りは、ETH などのトークンの転送です。
すべてのトランザクション情報はメイン チェーン、つまり Calldata または Blob データに完全に記録される必要があります (EIP-4844)。レイヤー 2 の状態が失われた場合でも、メイン チェーンに保存されている情報から誰でも失われた状態を回復できます。以前のオフチェーン トランザクション ソリューションに存在していたデータ可用性の問題を解決します。
トランザクションの実行とステータスの変更はレイヤー 2 プラットフォーム上で行われますが、ステータスの概要はレイヤー 1 チェーンに公開されるため、検証後にレイヤー 1 チェーンを検証することができます。レイヤ 1 マスター上のオンチェーン ロック。データの有効性検証方法に基づいて、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 ロールアップに分類できます。
ロールアップ開発履歴
サイドチェーンは、名前が示すように、メインチェーン (レイヤー 1) にリンク (ペグ) された独立したブロックチェーンであり、独自のコンセンサス モデルとブロック パラメーターを持ちます。あるブロックチェーンを別のブロックチェーンに接続すると、2 つのブロックチェーン間で資産を移動できることになります。より高速なトランザクションが必要な場合は、資産をメインチェーンからサイドチェーンに転送し、完了したら資産をメインチェーンに戻すことができます。
プラズマは、ライトニング ネットワークの提案者の 1 人であるジョセフ プーンとイーサリアムの創設者ヴィタリック ブテリンによって 2017 年に提案されたレイヤー 2 拡張ソリューションであり、サイドチェーンの進化版です。
プラズマチェーンは、イーサリアムの外部に構築された独立したブロックチェーンであり、木の枝のようにサブチェーンとも呼ばれ、イーサリアムがバックボーンであり、ルートチェーンとも呼ばれます。各サブチェーンはカスタマイズされたスマート コントラクトをイーサリアム上に展開でき、これを使用してさまざまなビジネスを処理できます。 Plasma チェーンの上に別のサブチェーン層を構築して、ツリー状の Plasma ネットワークを形成できます。 Plasma の動作原理は、大規模なコンピューティング タスクを小さなタスクに分割し、処理のためにさまざまなサブチェーンに割り当てることです。処理結果はレイヤーごとに要約され、上位レイヤーに送信されるため、多数のタスクを高速かつ効率的に処理できます。複雑な計算を低コストで処理します。
Plasma では、Plasma チェーン上で発生したトランザクションのマークル ルートの送信が必要です。ユーザーが自分のアセットを Plasma チェーンからルート チェーンに戻そうとする場合、ユーザーは、アセットを Plasma に送信した最新のトランザクションのマークル ブランチを送信できます。 。これにより、ユーザーの Merkle フォークが不正であることを誰でも証明できるチャレンジ期間が始まります。マークル支店が不正である場合は、不正行為の証拠を提出できます。ルート ブロックチェーンはマークル ルートのみを追跡するため、メイン チェーンで発生するトランザクションよりもはるかに少ないデータを処理する必要があり、ルート チェーンのスケーラビリティが向上します。
プラズマは、監視されていないイーサリアムのサイドチェーン技術です。監視されていないということは、プラズマチェーンが悪意を持って攻撃されたり、バリデーターが悪事を企てたりした場合でも、プラズマチェーン上の資産を安全にルートチェーンに戻すことができることを意味します。これは、ユーザーの資産を保護するために独自のセキュリティ モデルに依存する必要があるプラズマとサイドチェーンの最大の違いでもあります。 Plasma の代表的なソリューションは Polygon 1.0 (Matic) です。
しかし、Plasma には 3 つの致命的な欠点があります。
プラズマ チェーンでは、オペレーターはマークル ルート コミットメントをルート チェーンに公開する必要があります。オペレーターは「データ可用性攻撃」を実行できます。つまり、特定のトランザクションをチェーンに公開することを拒否できます。この場合、不正行為の証拠を構築するためのトランザクションが不足しているため、ユーザー資産の流出が妨げられます。
ユーザーがプラズマ チェーンから資産を引き出しようとすると、トランザクション終了リクエストを送信し、チャレンジ期間と呼ばれる一定期間待機する必要があります。異議申し立て期間中はいつでも、どのユーザーも、引き出しが無効であるという証拠を提示することで、他のユーザーの出金に異議を申し立てることができます。
ユーザーは、悪意のあるノードの動作を検出して時間内に終了するために、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および検証する必要があります。ただし、トランザクションの検証にはコストがかかり、この監視要件によってプラズマ チェーンへの参加に多くのオーバーヘッドが追加されます。
まさに Plasma の欠点が原因で、Plasma は 2019 年以来開発のボトルネックに陥りました。このとき、ConsenSys でレイヤー 2 スケーラビリティ研究者を務める John Adler 氏は、不正行為の証明が依然として使用されているため、Optimistic Rollup ソリューションを提案しました。主にプラズマのデータ可用性の問題を解決します。
一方、Vitalik Buterin は、2018 年にブロック状態変更の有効性を証明するゼロ知識証明テクノロジーの導入を先駆的に行いました。これは ZK ロールアップのプロトタイプでもありました。ゼロ知識証明は、1980 年代初頭に S. Goldwasser、S. Micali、C. Rackoff によって最初に提案されました。これは、検証者に有益な情報を提供することなく、特定の主張が正しいことを検証者に納得させる証明者の能力を指します。つまり、証明者は検証者に対して証明し、自分が特定のメッセージを知っているか所有していると信じ込ませますが、証明プロセスでは証明されたメッセージに関する情報を検証者に明らかにすることはできません。
zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge) は、あらゆる計算プロセスを複数のゲート回路の形式に変換し、多項式の一連の数学的特性を使用して変換する、広く使用されている汎用のゼロ知識証明スキームです。回路を多項式にゲートし、非対話型証明を生成することで、さまざまな複雑なビジネス シナリオのアプリケーションを実現できます。
ただし、zk-SNARK が避けられない点は、集中型の信頼できる設定です。信頼できる設定では、複数の当事者がそれぞれネットワークを開始するための部分キーを生成し、その後そのキーを破棄します。信頼設定の作成に使用されたキーの秘密が破棄されていない場合、これらの秘密が悪用されて、誤った検証を通じてトランザクションが偽造される可能性があります。
2019 年に Aztec 研究チームによって提案された Plonk アルゴリズムは、zk-SNARK の普遍性の問題を解決します。つまり、信頼できる設定はアプリケーションとは何の関係もありません。すべてのアプリケーションを満たすために必要なのは、信頼できる設定が 1 つだけであるということです。信頼できる設定が 1 つある限り、自由に更新できます。参加者を信頼することで、信頼できる設定の安全性が保証されます。Plonk アルゴリズムの提案により、ZK Rollup の開発が大幅に加速されたと言えます。
ロールアップトラック
ロールアップ トラックを見ると、現在の競争は非常に熾烈です。メイン ネットワーク上で開始されたレイヤー 2 ロールアップの中で、依然としてオプティミスティック ロールアップが TVL の大部分を占めています。その主な理由は、オプティミスティック ロールアップが最初の完全なロールアップ ソリューションであるためです。テクノロジーが成熟するにつれて、ますます多くの人が ZK ロールアップ エコシステムに注目し、参加し始めています。
楽観的なロールアップ
楽観的ロールアップは、ほとんどのトランザクションが有効であり、不正が発見された場合にはチャレンジとロールバックが可能であるという「楽観的」な仮定に基づいています。ロールアップのレイヤー 1 コントラクトは、レイヤー 2 によって送信された新しい状態を直接検証しませんが、送信された新しい状態ごとにチャレンジ期間を準備します。 Rollup はすべてのトランザクション情報をメインチェーンに送信して公開するため、誰でもステータスの更新を確認できます (特にステータスの更新に自分のウォレットが関係する場合)。新しい状態が間違っている場合、検証者は間違った状態の不正証明を生成し、チャレンジ期間中にそれを送信することで、間違った状態の更新を無効にすることができます。
Optimistic Rollupsの代表的なソリューションはArbitrumとOptimismです。
Arbitrum は 2021 年 9 月にメインネットを正式に開始する予定で、現在は最高の TVL を持つレイヤー 2 プロトコルです。
現在、Arbitrum エコシステムには、Arbitrum One、Arbitrum Nova、Arbitrum Orbit を含む 3 つの主要なネットワークがあります。
Arbitrum One は現在の Arbitrum エコシステムの中核となるロールアップ チェーンであり、そのトランザクション データはすべてメイン ネットワークのイーサリアムに保存されており、通常言及している L2 およびオンチェーンのエコロジカル アプリケーションのほとんどはこのメイン ネットワーク上で実行されます。
Arbitrum Nova は、AnyTrust テクノロジーに基づいて構築され、ゲーム、ソーシャル アプリケーション、および高スループットの DApp ユースケース向けに設計された新しいネットワークです。ネットワークのトランザクション データはオフチェーンに保存され、データ委員会 DAC によって管理されます。
Arbitrum Orbit は、レイヤー 3 ネットワークを構築するためのオープンソース ツールキットで、開発者が独自のチェーンを展開および作成できるようにサポートします。開発者は、Orbit ツールキットに基づいて独自の Rollup チェーンと AnyTrust チェーン (レイヤー 3) を構築し、Arbitrum One チェーンまたは Arbitrum Nova チェーンのいずれかを決済レイヤーとして選択して拡張を実現できます。
Optimism は 2021 年 8 月にメインネットで開始され、現在レイヤー 2 で Arbitrum に次いで 2 番目に大きい TVL を持っています。
Optimism は EVM と同等の機能を実現しており、イーサリアム上の Solidity スマート コントラクトは追加機能を構築することなく Optimism のレイヤー 2 上で実行でき、開発者はアプリケーションを開発するために Optimism にシームレスに移行できます。
OP Stack は、Optimism が立ち上げたオープンソースのモジュラー ツールキットで、データ可用性レイヤー、実行レイヤー、決済レイヤー、ガバナンス レイヤーなどをカバーします。開発者は、OP Stack ツールキットを使用して、独自のニーズに基づいてカスタマイズされたレイヤー 2 ネットワークを構築できます。このため、OP Stack は Optimism にスーパー チェーンの概念を導入します。 スーパー チェーンは、OP Stack 上に構築されたレイヤー 2 ブロックチェーン (OP チェーンとも呼ばれます) のグループを指します。現在、OP Stack に基づいて構築されたレイヤー ネットワークが数十あります。これには、Base、opBNB、Magi、Worldcoin、その他の強力なプロジェクトが含まれます。
ZK ロールアップ
ZK Rollups はゼロ知識証明テクノロジーを使用して、チェーンの外部で処理されるトランザクションが有効かつ正確であることを保証し、より高いセキュリティと効率を提供します。状態が変化した後、ロールアップのレイヤー 2 プラットフォームは、状態変化の正しさに対するゼロ知識証明を提供し、それを状態変化とともにメイン チェーンに送信する必要があります。メインチェーン上のコントラクトは、この証明を検証して、状態の更新が正しいかどうかを判断します。オプティミスティック ロールアップ スキームと比較すると、ZK ロールアップでは、レイヤー 2 トランザクションを完了するために長いチャレンジ期間を設定する必要がなく、チャレンジ期間中に誤ったステータス更新が発見されるという仮定に依存する必要もありません。
代表的なソリューションは、zkSync、StarkNet、Polygon zkEVM、Scroll です。
ZK Rollups は、メイン ネットワーク上で開始される最初の zkEVM プロジェクトであり、ゼロ知識証明に基づいており、基礎となるデータを明らかにすることなくトランザクションを検証できます。 zkSync の主な機能の 1 つは、「楽観的な」転送の使用であり、ユーザーはイーサリアム ブロックチェーン上で確認されるのを待たずにトランザクションを送受信できるようになります。これにより、トランザクション時間が大幅に短縮され、トランザクション スループットが向上します。 zkSync は、ゼロ知識証明とオプティミスティック転送の使用に加えて、スケーラビリティとセキュリティを向上させるために他のいくつかの技術も活用します。これらのテクノロジーには、複数の署名を 1 つの署名に圧縮できる署名集約や、zkSync が他のブロックチェーン ネットワークと対話するのに役立つマルチチェーン サポートが含まれます。
StarkNet は、基礎となるデータを明らかにすることなく、ユーザーが計算の正しさを証明できるゼロ知識証明システムである zkSTARK のスケーリング ソリューションを使用します。これにより、ネットワーク上のプライバシーとセキュリティが強化され、第三者を信頼する必要なしに複雑な計算を実行できるようになります。 StarkNet はシャーディング テクノロジーも活用しており、ブロックチェーンを並列処理できる複数の小さなチェーン、つまり「シャード」に分割することができます。これにより、各「シャード」を他の「シャード」から独立して処理できるため、スループットが向上し、トランザクション時間が短縮されます。
Polygon 2.0 では、Polygon zkEVM と呼ばれる ZK Rollups テクノロジーが導入されています。このテクノロジーは、ゼロ知識証明を使用してイーサリアム ネットワーク上のトランザクションをより高速かつ安価にすることで、イーサリアム ブロックチェーンのスケーラビリティの問題を解決します。この実装は、言語レベルの互換性ではなく、バイトコード レベルで行われます。
Scroll は、イーサリアムと同じプログラミング言語とスマート コントラクトをサポートする EVM 互換の ZK ロールアップで、開発者はコードを変更することなく、既存のアプリケーションをロールアップ ネットワークに簡単に移行できます。
要約する
ブロックチェーン自体のパフォーマンスの問題により、現在のニーズを満たすことができません。楽観的かつゼロ知識拡張ソリューションは、分散化とセキュリティの量を犠牲にすることなく、ブロックチェーンのパフォーマンスのボトルネックを解決し、トランザクションの速度とトランザクションのスループットを向上させることが期待されています。ロールアップは計算をオフチェーンに転送することによってブロックチェーンのスループットを向上させます。つまり、多数のトランザクションをロールアップ ブロックにパッケージ化し、オフチェーンのブロックの有効性証明書を生成する必要があります。レイヤー 1 のスマート コントラクトはこれを検証するだけで済みます。証明は新しい状態を直接適用できるため、Gas の削減とより高いオンチェーン セキュリティを実現できます。
短期的には、一般的な EVM 計算ではオプティミスティック ロールアップが勝つ可能性が高く、単純な支払い、トランザクション、その他の特定のアプリケーション シナリオでは ZK ロールアップが勝つ可能性があります。その主な理由は、Zk ロールアップはオプティミスティック ロールアップよりも高速で効率的であるためです。既存のスマート コントラクトをレイヤー 2 に移行する簡単な方法は提供されません。
しかし、近年のブロックチェーンやプライバシーコンピューティングなどの新興技術アプリケーションの発展により、ZK-SNARK技術の向上により、ゼロ知識証明技術は中長期的に信頼を構築するための重要な技術となっています。 ZK ロールアップは、すべてのシナリオで使用され、イーサリアムの拡張計画に対する究極の答えになります。
