オフチェーン拡張デプス解析

著者：エレイン・シュー、ヘッティ・ジャン、ジューン・ワン、ワロン・リン、イリウ・リン

1. スケーラビリティの必要性

ブロックチェーンが直面している不可能な三角問題：分散化、安全性、スケーラビリティを同時に満たすことが難しい。現在、ブロックチェーンの発展におけるホットな話題の一つは、分散化と安全性を保証する前提のもとで、ブロックチェーンのスループットと取引速度をどのように向上させるか、つまりスケーリングの問題を解決することです。

ブロックチェーンの去中心化、安全性、スケーラビリティの定義:

• 非中央集権: ノードの数が多いほど、非中央集権の程度が高まり、ネットワークが小さなグループの制御を受けなくなる。
• 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コストが高いほど、セキュリティは高くなり、より多くの参加者からの攻撃に対抗できます。
• 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最初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。2017年8月1日、Bitcoin ABCが独自に開発した8MBブロック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、新しい通貨BCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークは、単一のブロックに収容できる燃料費を制限することで取引量を制限し、Trustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保しています。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に対する需要が増加していますが、イーサリアムは毎秒15〜45件の取引しか処理できず、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ず、ネットワークは遅く高価になり、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題は早急に解決する必要があります。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

2. スケーラビリティソリューションの種類

"レイヤー1のメインネットの変更の有無"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2つの大きなカテゴリに分けます。

2.1 オンチェーン拡張

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でスケーラビリティ効果を得る解決策であり、現在の主要な方案はシャーディングです。

チェーン上のスケーリングにはさまざまなソリューションがあり、本記事では詳細には触れず、以下に2つのソリューションを簡潔に列挙します:

• プラン1はブロックのスペースを拡大することであり、つまり各ブロックにパッケージ化されるトランザクションの数を増やすことですが、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、ノードの参加のハードルが上がり、「非中央集権」の程度が低下します。
• プラン二はシャーディングであり、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分け、各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、すなわち異なるノードが異なる記帳を担当し、並列計算によって複数の取引を同時に処理できるようにします。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルが低下し、取引処理速度と分散化の程度が向上します。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、ネットワーク全体の「安全性」を低下させ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ことは、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ホールが全体のネットワーク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を強いられたり、修正アップグレードの中断を余儀なく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せずにスケーリングソリューションを提供すること。

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(オプティミスティックロールアップ、ZKロールアップ)
• その他のソリューション:サイドチェーン、バリディウム

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

3. オフチェーン拡張の方案

3.1 ステートチャンネル

3.1.1 まとめ

状態チャネルは、チャネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する際にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があり、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことを規定しています。これにより、ユーザーの取引にかかる時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けることなく実現します。

ステートチャネルは、シンプルなP2Pプロトコルであり、「ターンベースのアプリケーション」に適しています。例えば、二人用のチェスゲームです。各チャネルは、メインネット上で実行され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、状態の更新を検証し、参加者間の争議を仲裁します(。詐欺証明)に署名とタイムスタンプが付与されます。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

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・コールマンは初めてState Channelの概念を体系的にまとめ、ビットコインのPayment ChannelはState Channelの概念の一つのサブケースであると提案しました。
• 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拡張方案であるPayment Channel(支払いチャネル)を提案しました。この方案はビットコインネットワーク上の送金支払いの処理のみに使用されます。
• 2017/11、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初のSpritesデザイン仕様が提案されました。
• 2018/06年、Counterfactualは、Generalized State Channelsの非常に詳細なデザインを発表しました。これは、State Channelsに完全に関連する最初のものです。
• 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ーフィックチャネルを提案しました。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフロー:

1. ユーザーはオフチェーン契約に資金を預けてロックし、チャネルを開通します。
2. ユーザーはオフチェーンで取引を行い、署名によって各取引を確認します。
3. チャンネルを閉じる必要がある場合は、オンチェーン契約に最終状態を提出します。
4. もし争いがある場合、チャレンジ期間に入ることができ、証明を提出することができます。
5. コントラクトは最終的な状態またはチャレンジの結果に基づいて、資金をユーザーに返還します。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

####3.1.4長所と短所

価値：

• 予約は即確定
• 低料金
• 高いプライバシー性
• 高スループット

短所：

• 継続的にオンライン監視が必要
• 大規模な退出に対応できない
• 通道容量は限られています
• 流動性が低い
• 汎用性が欠けている

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

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:

• ビットコインネットワークの小額決済チャネル
• オフチェーンの小額決済チャネルと仲介者を通じて取引ネットワークを構成し、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します。
• 理論的には、毎秒100万件の取引を処理できます。
• エコシステムは絶えず発展しており、アプリケーションは支払い、ウォレット、ノード管理などの複数のカテゴリをカバーしています。

イーサリアムライトニングネットワーク:

• イーサリアムに基づくマイクロペイメントチャネル
• 現在この技術は広く採用されていません
• チームはRaiden Networkを改造して、イーサリアムLayer2 Rollupネットワーク上で動作させています

セラーネットワーク:

• 本質的にはインセンティブ層が追加されたライトニングネットワークです
• チェーン外拡張技術とインセンティブ経済モデルを通じて、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を構築できます
• クロスチェーン資産ブリッジcBridgeなどの製品がリリースされました

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンは、ビットコインの取引を加速するために登場したブロックチェーンの形態であり、より複雑な契約を使用したり、コンセンサス機構を改善することによって(、またはブロックパラメータを調整してサイドチェーンが特定の機能を満たすようにすることができます。サイドチェーンの取引結果は最終的にメインチェーンに送信される際に、バリデーター側に記録されます。このブロックチェーンモデルは新しいブロックチェーンの形態ではなく、メインチェーンに付随し、メインチェーンの問題を解決するためのインフラストラクチャです。

! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-1de870028e6093bdc65cf457fae9fe5f.webp(

)# 3.2.2 タイムライン

• 2012/01、ビットコインのサイドチェーンの概念がチャットルームで提起されました
• 2014/10、ビットコインのサイドチェーン論文が最初に公開されました:対称ペッグと非対称ペッグ
• 2017/04、POA NetworkはイーサリアムのProof of Authenticationコンセンサスに基づくサイドチェーンのテストネットを立ち上げました。
• 2017/10、Matic Networkが発足
• 2017/12,POA Networkメインネットがローンチ
• 2018/01,Skalesテストネット上线
• 2018/10,xDai Chainテストネット上线
• 2020/06、Skaleメインネットがローンチ
• 2020/06、イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainメインネットがローンチ
• 2021/02、Matic NetworkがPolygon Networkにブランド名を変更
• 2021/02、Axie InfinityゲームサイドチェーンRoninメインネットが運用開始
• 2021/12,xDaiチェーンとGnosis Daoが合併してGnosisチェーンが誕生しました
• 2022/03、POA NetworkはGnosis Chainに統合

! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-779b8baeed69bf439a173ac56813cead.webp(

)# 3.2.3 技術原則

サイドチェーンの2つの主要なメカニズム:

1. 双方向アンカリング###シンメトリックペッグ(: メインチェーンとサイドチェーンのバリデーターは、お互いの状態をリアルタイムで記録します。メインチェーンのトークンがサイドチェーンに移転されると、特別な出力が生成され、サイドチェーンのバリデーターのみが解除できます。

2. 不協和のアンカリング)アシンメトリック・ペッグ(: サイドチェーンのバリデーターはメインチェーンのアクティビティを監視し、メインチェーンからサイドチェーンへのトランザクションを積極的に記録することができます。しかし、サイドチェーンからメインチェーンへの場合、メインチェーンはサイドチェーンの状態を確認できず、認証者メカニズムを導入する必要があります。

簡単に言うとサイドチェーンのメカニズム:

• メインチェーンからサイドチェーンへ: メインチェーンが資産をロックし、サイドチェーンがラップドアセットを生成する
• サイドチェーンからメインチェーンへ: サイドチェーンでwrapped assetを焼却し、メインチェーンで資産をロック解除する

サイドチェーンの資産の安全性は、サイドチェーンのコンセンサスメカニズムに依存します。

! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-1faa24d9c7da38a7eb8139e1dbfd0b48.webp(

)#3.2.4長所と短所

価値：

• 高度にカスタマイズ可能
• メインチェーン資産は使用できます
• メインチェーンに影響しない
• 複雑な機能を実現できる

短所：

• セキュリティが低い
• 分散化の度合いが低い
• 流動性の分散
• ネイティブアセットが不足している

! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-869d06f1266b024a04fe5267dea23e21.webp(

)# 3.2.5 アプリケーション

xDai ### Gnosis Chain(になりました。

• トークン$xDaiは$Daiと1:1でペッグされています
• PoSDAOコンセンサスメカニズムを採用
• Gnosisと合併しました

ポリゴン:

• イーサリアムスケーリングソリューションアグリゲーター
• Polygon PoSサイドチェーンと多様なロールアップソリューションを提供
• エコシステムが急速に発展し、大量のDappとユーザーを持っています

ロニン:

• Axie Infinityゲームサイドチェーン
• PoAコンセンサス機構を採用
• 深刻なハッカー攻撃を受けたことがある

! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-d8b974e2f3c984bbd6ccbc8576953d75.webp(

) 3.3 プラズマ

3.3.1まとめ

Plasmaは、スケーラブルなDappを構築するためのフレームワークです。これは、サイドチェーンの進化的な解決策として登場し、ユーザーのサイドチェーンオペレーターへの信頼を最小限に抑えることを目的としています。