オフチェーン拡張ソリューションの詳細:State ChannelsからLayer2ソリューションまで

オフチェーン拡張デプス解析

1. スケーラビリティの必要性

ブロックチェーンの未来のビジョンは、分散化、安全性、スケーラビリティを実現することです。しかし、通常はそのうちの2つしか実現できず、これをブロックチェーンの不可能三角問題と呼びます。長年にわたり、人々は分散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方法、つまりスケーラビリティの問題を解決する方法を模索してきました。

ブロックチェーンの去中心化、安全性、及びスケーラビリティは以下のように定義される:

  • 分散型: 誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できる。ノードの数が多いほど、分散度が高くなる。

  • 安全性: ブロックチェーンシステムの制御を取得するためにかかるコストが高いほど、安全性が高まり、チェーンはより多くの参加者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。

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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。ユーザー数と取引量の増加に伴い、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はスケーラビリティの問題について意見が分かれ、一方はブロックの拡大を支持し、もう一方はセグウィット(Segwit)方案を使用してメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えました。2017年8月1日、ブロックの拡大を支持するグループは、自ら開発した8MBのクライアントシステムを稼働させ、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークを引き起こし、新しい通貨BCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークもネットワークの安全性と分散化を保障するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しました。イーサリアムはビットコイン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定することで事実上制限を設けていますが、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。

2017年のCryptoKitties、DeFiの夏、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。しかし、チューリング完備の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、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsは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います。ブロックチェーンのスケーリング問題は緊急に解決する必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、分散化とセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの取引速度とスループットをできるだけ向上させることです。

2. スケーリングソリューションの種類

"メインネットのレイヤーを変更するかどうか"を基準として、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二大カテゴリに分けました。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト: 一層のメインネットプロトコルを変更することでスケーラビリティを実現するソリューションであり、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、この記事では詳しく説明せず、簡単に二つを挙げます:

  • 方案一はブロックスペースを拡大し、各ブロックにパックされるトランザクションの数を増やすことですが、これは高性能ノード機器への要求を高め、ノード参加のハードルを上げ、「分散化」の程度を低下させます。

  • プラン二はシャーディングであり、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割し、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が下がり、取引処理速度と非中央集権化の程度が向上します。しかし、ネットワーク全体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」が低下する可能性があります。

メインネットプロトコルのコードを変更すると、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となる微細なセキュリティの脆弱性がネットワーク全体の安全性に深刻な脅威を及ぼすからです。ネットワークはフォークを強いられたり、修正アップグレードが中断される可能性があります。

2.2 オフチェーン拡張

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しない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:

  • Layer2:ステートチャネル、プラズマ、ロールアップ(楽観的ロールアップとZKロールアップ)

  • その他:サイドチェーン、バリディウム

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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、チャネルが開いている、閉じている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと対話する必要があることを規定しており、ユーザー間の対話はオフチェーンで行われます。これにより、ユーザーの取引時間とコストを削減し、取引回数に制限がないことを実現します。

ステートチャンネルは、シンプルなP2Pプロトコルで、"ターンベースのアプリケーション"、例えば2人のチェスゲームに適しています。各チャンネルは、メインネット上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ンネルに預けられた資産を制御し、状態の更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。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、双方が署名を確認した後、チャンネルが正式に開通します。チャンネルは、参加者間で回数無制限のオフチェーン無料取引を行うことを可能にし、転送のネットバリュー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の更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名を確認すると、その状態の更新は完了と見なされます。通常、双方が合意した状態の更新はメインネットにアップロードされず、争いが発生した場合やチャンネルを閉じるときのみ、メインネットの確認に依存します。チャン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上で取引リクエストを提出できます。退出リクエストが全員の合意によって承認されれば、チェーン上で即座に実行され、スマートコントラクトはチャンネルの最終状態で各参加者の残高に基づいてロックされた残りの資金を分配します。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"が終了するのを待たないと残りの資金を受け取れません。

以上から、ステートチャ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、取引コストを低下させることができます。

)# 3.1.2 タイムライン

  • 2015/02、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが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State Channelの概念を初めて体系的にまとめ、ビットコインのPayment ChannelはState Channel概念のサブケースであると提案しました。

  • 2016/01、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが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拡張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。

  • 2017/11年に、Payment Channelフレームワークの下でState Channelの設計仕様に基づく最初のスプライトが提案されました。

  • 2018/06、Counterfactualは、状態チャネルに完全に関連する最初の設計である詳細な一般化状態チャネル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継続的にオンラインである必要があるという問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。

  • 2020/03,Hydraはファスト等型チャネルを提案しました。

)# 3.1.3 技術原則

従来のチェーン上のワークフロー: アリスとボブは、メインネット上にデプロイされたスマートコントラクトと相互作用し、ユーザーはチェーン上にトランザクションを送信することでスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は時間とコストの問題を引き起こすことです。

大多数状態チャネルプロトコルが従う一般的なワークフロー:

  1. アリスとボブは、個人EOAから資金をオンチェーンの契約アドレスに預け入れることによって、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに返却されません。二人が署名して確認した後、彼ら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無制限に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を通じて相互に通信します。双方のユーザーは、二重支払いの悪用を防ぐために、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更新を提案し、相手が提案した状態更新を受け入れます。

  3. もしアリスがボブとの取引を終了させ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。ボブが署名を承認すれば、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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悲観的な状況におけるステートチャネルのワークフロー:初めに、2人の参加者が資金を預け、その後、ステート更新を交換し始めます。ある時点で、ボブがアリスから送信されたステート更新の署名に応答しないと仮定します。この場合、アリスは契約に最後の有効なステートを提出することでチャレンジを開始できます。この有効なステートにはボブの以前の署名も含まれており、最後の取引がボブの承認を受けていることを証明します。そして、最終ステートはボブの確認を受けています。その後、契約はボブが一定の期間内に次のステートを契約に提出して応答することを許可します。ボブが応答すれば、2人はステートチャネル内で取引を続けることができます。ボブがその期間内に応答しなかった場合、契約は自動的にステートチャネルを閉じ、資金をアリスに返します。

)#3.1.4長所と短所

価値:

  • 即時性:取引はほぼ即時に完了します
  • 高スループット:理論的に無限にスケール可能
  • 低コスト:オフチェーン取引はほぼコストがかからない
  • プライバシー: チャネルを開くと閉じるときだけ、オンチェーンでのインタラクションが必要です。

短所:

  • 資金効率が低い:資金をロックする必要がある
  • オンライン要件:参加者は継続的にオンラインである必要があります
  • 限定された適用シーン: 固定された参加者間の頻繁な相互作用により適しています
  • チャネルの閉鎖と紛争解決の複雑さ
  • 通路ネットワーク流動性問題

3.1.5 アプリケーション

ビットコイン・ライトニングネットワーク:

概説: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決済チャネルであり、その全体的な技術進化は次のように進行しました: 2/2マルチシグを使用して一方向決済チャネルを構築し、RSMCを追加することで双方向決済チャネルを構築し、さらにHTLCを追加することで決済チャネルを接続し、複数の支払いに拡張します。最終的には支払いネットワーク、すなわちライトニングネットワークを構築します。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で、ビットコインネットワークのスケーラビリティ問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は、「預金###チャネルの確立(→ライトニングネットワーク取引)チャネル状態の更新(→返金/決済)チャネルの終了(」というプロセスに従います; 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。

タイムライン:

  • 2015年2月、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが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
  • 2016年1月、ホワイトペーパーの正式版がリリースされ、Lightning Labsが設立されました
  • 2018年3月15日、Lightning Labsは最初のライトニングネットワークメインネットバージョンLND 0.4をリリースしました
  • 2021年初、ライトニングネットワークの公共容量)TVL(は約4000万ドルで、約10万人未満のユーザーが使用していました。
  • 2021年6月、エルサルバドルはビットコインを法定通貨として採用することを発表し、9月にはライトニングネットワークに基づくウォレットChivoを発表しました。
  • 2022年、Cash AppとOKX、Kraken、Bitfinexを含む26の暗号通貨取引所がライトニングネットワークをサポートすると発表しました。
  • 2022年10月、Lightning LabsはTaprootに基づく新しいプロトコルTaro protocol)のアルファバージョン(を発表し、現在テストネットでテストを行っています。
  • 2022年11月23日、ライトニングネットワークには76,236のペイメントチャネルがあり、チャネル資金は5049 $BTC)$81.8M(

エコロジーの発展: BTCライトニングネットワークエコシステムは、下から上へと次のようになります: 基盤となるBTCネットワーク---コアインフラストラクチャ---さまざまなDapps。

コアインフラには次のものが含まれます:

  • ライトニングネットワークソリューション:個人や企業がライトニングネットワークに接続するソフトウェアプログラムを実行でき、その中で市場シェアが最も大きいのはライトニングラボであるLightning Labs。
  • ノードと流動性サービス: ユーザーが独自にノードを運営するのは複雑であるため、ユーザーに優しいインターフェースを提供し、ライトニング支払いチャネルの管理を支援する必要があります。

コアインフラの上には、さまざまな支払いおよび金融サービスやアプリケーションがあり、例えば、StrikeはLNDソリューションの上に構築されており、ユーザーがBTCを売買できるようにし、Twitter上でクリエイターにBTCでチップを送ることや、Shopifyの商人がBTCを受け入れることを可能にします。

2022年11月現在、

BTC1.18%
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コメント
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CryptoWageSlavevip
· 08-05 15:53
スケーリングが迫っています。
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ConsensusBotvip
· 08-05 15:52
拡張の道はまだ遠いですね
原文表示返信0
CryptoGoldminevip
· 08-05 15:52
コンセンサスコスト全権衡
原文表示返信0
GigaBrainAnonvip
· 08-05 15:44
三角のジレンマは解決が難しい
原文表示返信0
MeltdownSurvivalistvip
· 08-05 15:42
三角のジレンマは依然として続いています
原文表示返信0
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