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は壮大なビジョンです: ディセントラライズ、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このうちの2つしか実現できず、3つの要求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、すなわちディセントラライズと安全性を確保しつつ、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、つまりスケーリング問題の解決を探求してきました。これは現在のブロックチェーン開発プロセスにおける議論のホットトピックの一つです。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティをおおまかに定義しましょう:

• 分散型:誰でもノードになってブロックチェーンシステムの生産と検証に参加でき、ノードの数が多いほど分散化の程度が高くなり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者の支配を受けないことを保証します。
• 安全性:ブロックチェーンシステムの制御権を取得するために支払われるコストが高くなるほど、安全性は高くなり、したがってそのチェーンはより多く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、拡張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という各ブロックの上限を持つビットコインネットワークは混雑の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は拡張の問題について意見が分かれており、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という隔離証人の方法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ています。2017年8月1日、Bitcoin ABCは8MBのクライアントシステムを独自に開発し、稼働を開始し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、同時に新しいコインBCHが誕生しました。

同様に、イーサリアムネットワークも一部のスケーラビリティを犠牲にして、ネットワークのセキュリティと分散化を保障しています。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、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(限度を取り消すか引き上げるかにかかわらず、多くの帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小さなノードが淘汰されます)。

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登場に伴い、市場のスループット需要は増加し続けています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでも、1秒あたり15~45件の取引(TPS)しか処理できず、その結果、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大多数のDappが運営コストを負担できなくなっています。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される必要があります。理想的なスケーラビリティの解決策は、非中央集権性と安全性を犠牲にせず、できるだけブロックチェーンネットワークの取引速度(、より短いファイナリティタイム)、取引スループット(、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2つの大きなカテゴリーに分けています。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト:1層のメインネットプロトコルを変更することによってスケーラビリティを達成するソリューションで、現在の主要なソリューション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ますが、この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単に挙げます:

• プラン1はブロックスペースを拡大することで、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、ノードの参加ハードルが上がり、「非中央集権」の程度が低下します。
• 方案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、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、並列計算により複数の取引を同時に処理できるようにします。このようにして、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、取引処理の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「安全性」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ことは、予測不可能な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に深刻な脅威をもたらすからです。ネットワークはフォークを強いられたり、修復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。例えば、2018年のZcashのインフレーション脆弱性事件です。Zcashのコードはビットコイン0.11.2バージョンコードを基に修正されたもので、2018年にあるエンジニアが基盤となるコードに高リスクの脆弱性が存在することを発見しました。つまり、トークンが無限に発行できるというもので、チームは8か月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正された後にこの事件を公表しました。

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拡張するソリューション。

オフチェーンのスケーリングソリューションは、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

ステートチャネルは、チャネルが開かれている、閉じられている、または紛争が解決されているときにのみ、ユーザーがメインネットと対話する必要があることを定めており、ユーザー間の対話をオフチェーンで行うことで、ユーザーの取引の時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けないことを実現しています。

状態チャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ターンベースのアプリケーション」、例えば二人のチェスゲームに適しています。各チャネルは、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展開した後、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回数のオフチェーン無料取引を可能にします)、ただし、彼らの送金の正味価値が預けられたトークンの総額(を超えない限りです。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。一度相手が署名確認を行うと、その状態更新は完了と見なされます。通常、双方が同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する場合にのみ、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、任意の参加者はメインネットで取引リクエストを提出でき、退出リクエストが全員一致の署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行されます。すなわち、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に応じてロックされた残りの資金を分配します。もし他の参加者が署名承認をしなかった場合、全員が「チャレンジ期間」の終了を待たなければ、残りの資金を受け取ることはできません。

以上のように、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、取引コストを削減することができます。

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)# 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・コールマンが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スケーラブルなデプス支払いチャネル###の提案を行いました。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提案し、これはState Channelsに完全に関連する最初のデザインでした。
• 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, 状態チャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそ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はファストアイソモルフィックチャネルを提案しました。

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(# 3.1.3 技術原則

状態チャネルの技術原理は以下の通りです:

1. アリスとボブは、自身のEOAから資金をオフチェーン契約アドレスに入金し、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ない。二人が署名して確認した後、二人の間の状態チャネルが正式に開通する。

2. アリスとボブはこのチャネルを通じて理論上、オフチェーンで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###。双方のユーザーはすべての取引に署名する必要があり、二重支払いの悪用を防ぎます。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、相手が提案する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い場合、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：

• 予約は即確定
• 低コスト
• プライバシーが良い
• スケーラビリティが高い
• 少額の頻繁な取引に適しています

短所：

• 資金を事前にロックする必要があります
• 参加者は常にオンラインである必要があります
• 大きな額面の支払いには適していません
• 通路数と参加者数が制限されています
• 第三者の監視が必要で、安全を保証する

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(# 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

概要： 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通りです: 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拡張して複数人での決済が可能となり、最終的に決済ネットワークである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決済チャネルを介して、中間者を利用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「デポジット)チャネルを構築###→ライトニングネットワーク取引(チャネルの状態を更新)→払い戻し/決済(チャネルを終了)」の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、Joseph PoonとThaddeus Dryjaがライトニングネットワークのホワイトペーパーの草案を公開しました。
• 2016年1月に正式版ホワイトペーパーを発表し、Lightning Labsを設立しました;
• 2018年3月15日、Lightning Labsは最初のLightning NetworkメインネットリリースであるLightning Network Daemon (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10万人未満がライトニングネットワークを使用していました。
• 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ことを発表し、即時かつ安価なBTCの入出金および送金機能を実現しました。
• 2022年10月、Lightning LabsはTaprootに基づく新しいプロトコル——Taro protocol(アルファ版)を発表しました。現在、テストネットでテスト中で、将来的にはビットコインネットワークで資産の鋳造、送信、受信が可能になり、ライトニングネットワークを通じて即時、大容量、低コストの取引が実行される予定です。
• 2022年11月23日、1ml.comによると、ライトニングネットワークには76,236の支払いチャネルがあり、チャネル資金は5049 $です。