HashKey 崔晨：イーサリアム Layer 2 競争状況とトレンドの解読

この記事はChainNewsに掲載され、著者：崔晨、HashKey Capital Researchに勤務、監修：邹伝偉、万向ブロックチェーンのチーフエコノミストです。

イーサリアムのスケーラビリティ問題は差し迫っており、イーサリアム2.0のシャーディングの開発は遅れているため、Layer 2のスケーリングソリューションが短期的にイーサリアムの混雑状況を変える可能性が最も高いです。イーサリアムでLayer 2のスケーリングを実践しているチームは、RollupやPlasmaなど、同じまたは異なる技術的なアプローチに基づいて、対応する製品化を進めています。現在、大部分の製品は開発段階にあり、それらの間の構図はイーサリアムエコシステムの構図に影響を与えます。本稿では、Layer 2開発チームが公開したプランに基づき、その実用性を解釈・評価し、Layer 2プロジェクトの発展傾向と現在のLayer 2ソリューションが直面している問題をまとめます。

Layer 2ソリューションと競争力の理解

Layer 2：基盤とアプリケーションの仲介者

Layer 2ソリューションの考え方は、本来Layer 1上で実行されるべき計算プロセスをオフチェーンに移し、その結果をオンチェーンに戻して確認することです。通常の送金から複雑なスマートコントラクトまで、Layer 2ソリューションを通じて迅速な取引を実現し、Gas費用を節約できます。Layer 2はイーサリアムのスケーリングツールとして、基盤ネットワークと上層アプリケーションをつなぐ中間層です。この観点から、Layer 2には二つの要求があります：アプリケーションはLayer 2による迅速な清算を必要とし、メインネットとユーザーはLayer 2が計算結果の正確性と資金の安全性を保証することを求めます。

一般的に、RollupやPlasma技術は、メインチェーン上のスマートコントラクトを通じてLayer 2層とメインチェーン間の通信を実現します。ユーザーはスマートコントラクトと相互作用することでLayer 2層での入金と出金を実現し、Layer 2は状態を更新して結果をメインチェーンに戻します。しかし、状態の更新は自動的には行われず、責任者を指定して実行する必要があります。これがLayer 2のオペレーターです。Rollupの例を挙げると、誰でもRollupの操作を行うことができますが、オフチェーンで計算しメインチェーンで更新するにはリソースが必要です。そのため、オペレーターに経済的インセンティブを与える必要があります。特に、詐欺証明とチャレンジ期間が必要なソリューションの場合、適切なインセンティブがなければプロジェクトの持続可能性を維持するのは難しいです。Layer 2上の取引手数料はユーザーが負担し、オペレーターはこれらの報酬を受け取ります。サイドチェーンは広義のLayer 2方式としてもこのように機能し、サイドチェーンには独立した検証ノードがあり、ユーザーはサイドチェーンを使用する際やクロスチェーンを行う際にサイドチェーンのノードにリクエストを送信します。Layer 2は基盤とネットワークアプリケーションの間の仲介者であり、利便性を提供することで手数料を徴収します。

Layer 2ソリューションの競争力の表れ

別の視点から考えると、Layer 2は基盤ネットワークとアプリケーションの両方の発展に関連しています。もし基盤ネットワークであるイーサリアムに問題が発生し、誰も使用しなくなればLayer 2のスケーリングは必要ありません。Layer 2上に繁栄したアプリケーションエコシステムがなければ、ユーザーも使用しないため、同様に存在する必要がありません。アプリケーションとユーザーの両方に関わるため、Layer 2ソリューション間の競争は公的チェーンの競争の様相を呈します。しかし、異なる点は、ユーザーが公的チェーンエコシステムから退出すると、他のエコシステムに移行することはほぼ不可能であり、すべての公的チェーンの資産を売却しない限り、Layer 2上のユーザーは自由にLayer 2に出入りできます。Layer 2上のアプリケーションが魅力的でなければ、ユーザーはいつでも他のLayer 2上のアプリケーションに移行できます。現在の環境では、ユーザーにとってLayer 2自体には魅力がなく、Layer 2の使用は主に上にあるアプリケーションに関心があります。したがって、Layer 2は二つの側面の体験に注目する必要があります：開発者の体験とユーザーの体験です。

イーサリアムは開発者コミュニティにおいて堀の効果を形成しているため、Layer 2にとってイーサリアムの開発環境に近いほど、開発者の支持を得やすくなります。特にLayer 2の多くのターゲットアプリケーションはすでにメインネットに展開されており、開発者がLayer 2環境に対して再度開発する必要がある場合、非常に時間と労力を要します。新しい技術のすべてと同様に、Layer 2ソリューションも先発優位性を持ち、特にイーサリアムユーザーはLayer 2ネットワークの立ち上げを期待しているため、Layer 2ソリューションを迅速に開発し、人気のあるアプリケーションを展開することがLayer 2の競争力を高める最も効果的な方法です。

ユーザー体験を向上させるために最初に行うべきことは、ユーザーの資金の安全を守ることです。次に、ユーザーがメインネットとLayer 2の間を無感覚で移動できるようにすることです。操作が煩雑であれば、ユーザーのハードルが上がり、使用者数に影響を与えます。また、Layer 2の立脚点として、ユーザーはLayer 2でメインネットよりもスムーズなユーザー体験を達成し、Gas費用を効果的に節約できる必要があります。

総じて、人々がLayer 2を使用するために支払うコストと得られる利便性の総合評価が、各Layer 2の競争力です。

Layer 2ソリューションと特徴

Layer 2の技術的ソリューションは、状態チャネル、サイドチェーン、Plasma、Rollupなど、いくつかの種類に分けられます。同じ技術でも異なるチームによって異なるバージョンが開発されます。以下は現在の人気のあるLayer 2ソリューションとその特徴です。

Optimistic Ethereum

Optimistic Ethereum（OE）は、Optimism社によって開発されたOptimistic Rollup技術に基づくLayer 2ネットワークで、2021年7月にメインネットを立ち上げる予定です。現在、テストネットにはSynthetixとUnipig（UniswapのLayer 2バージョン）の2つのアプリケーションのデモ版があります。これらはメインネットの立ち上げ後、最初のアプリケーションとなるでしょう。

OEでは独自のOVM仮想マシンが使用されており、Layer 2上のEVMの代替版に相当します。実行環境が異なるため、両者は完全に同じではなく、メインチェーン上で実行されるスマートコントラクトはOVMに適した操作コードにエスケープする必要があります。OEでは、詐欺証明とチャレンジ期間を通じて状態の正確性を確認する必要があり、これにはLayer 1上での複数の取引が関与し、一定の時間が必要です。Layer 2上の状態の最終確認には7日間の時間がかかり、詐欺取引が存在する場合はロールバックされます。OEの安全性は詐欺証明の保証に由来し、誤った取引を明らかにし、OE上で証明を提出したユーザーは報酬を受け取ります。オペレーターが無コストで悪事を働くのを防ぐため、オペレーターになるにはイーサリアム上に誠実保証金を預ける必要があります。彼らの詐欺行為が検証者に発見された場合、オペレーターの保証金は一部が検証者に渡され、一部が焼却されます。これは、オペレーターが検証者が証明を提出する前に先に行動する可能性を考慮したものです。

詐欺証明の存在とチャレンジ期間の制限により、ユーザーが出金する際には1週間の待機時間が必要で、これがOEの現在の欠点です。流動性提供者の提案を通じて解決できます。OE内の検証者がユーザーの取引が正しいことを証明した場合、規定の時間後に実際に出金されると、彼は流動性提供者として機能し、ユーザーに資金を前払いし、ユーザーの出金が完了した後に返済し、チャレンジ期間内の利息を得ることができます。また、ユーザーが必要とするアプリケーションがすべてOE上にある場合、ユーザーはメインチェーンに出金する必要がありません。

費用に関しては、ユーザーがOEのスマートコントラクトに送金し、出金する際にはGas費用がかかります。OE内で取引を行う際にも、オペレーターにGas費用を支払うことがあります。OE内のGas費用の計算方法はメインネットとは異なり、OE上のGas Priceは固定の定数で、現在の初期値は1Gweiで、ユーザーが再設定する必要はありません。

Arbitrum Rollup

Arbitrum RollupはOffchain Labsチームによって実装され、同様にOptimistic Rollup技術に基づいています。現在、テストネットV4バージョンがリリースされており、これは将来のメインネットの候補バージョンです。Offchain Labsの計画では、ArbitrumはRollupの他に、未展開の他のアプリケーションに適した状態チャネルとサイドチェーンもあります。現在、Arbitrum Rollupのテストネットエコシステムには、Bancor、Balancer、Bounce、MCDEX、Arbiswap（UniswapのArbitrumバージョン）などのアプリケーションが含まれ、ChainlinkやThe Graphなどのインフラも含まれています。

図1：Arbitrumアーキテクチャ

上の図のように、Arbitrumはイーサリアムの上に構築され、EthBridgeを使用してLayer 1とLayer 2の間の接続を維持します。EthBridgeコントラクトを呼び出すことで、メインネットとArbitrumチェーンの相互作用を実現できます。AVMアーキテクチャの上には、Arbitrumの基盤で動作する仮想マシンAVMがあり、ArbOSは完全にAVM内で動作し、スマートコントラクトの管理と実行を担当します。最も重要なのは、ArbOSがスマートコントラクトにEVMと互換性のある実行環境を提供することです。左上のユーザーは、ウォレットやフロントエンドツールを使用してArbitrumと相互作用する際に、新しいツールを使用する必要はなく、開発者も追加の開発を行う必要がなく、既存のSolidityコントラクトを直接Arbitrumに移行できます。

Optimistic Rollupの考え方と同様に、Arbitrum Rollupは詐欺証明を使用してネットワークの安全性を保証します。同様に、Arbitrumにも専用のオペレーターと検証者が存在し、オペレーターは悪事を防ぐためにデポジットを支払う必要があります。専用の検証者がオペレーターの誤った行動を監視し、そうでなければ各取引参加者が自ら検証監視を行うことはユーザー体験に影響を与えます。争いの仲裁を行う際、Arbitrumはオフチェーンで争点を分割し、最小の争点範囲を特定した後にイーサリアムコントラクトを呼び出して決定を行います。したがって、Layer 1レベルでの検証において、Arbitrumの効率はより高くなります。

Arbitrumでも、仮想マシンを使用するためにGasを支払う必要があり、これはArbGasとして表れ、Arbitrumオペレーターへの経済的補償となります。ArbGasは、AVM内での計算にかかる時間を評価するために使用され、1億ArbGasは約2020年初頭のOffchain Labs開発者のコンピュータの1秒のCPU時間に相当します。各AVM命令のArbGasコストは測定によって設定され、イーサリアムのGas計算とは異なります。現在のテストバージョンでは、デフォルトの費用設定はゼロです。

zkSync

zkSyncはMatter Labsによって開発され、ZK Rollup技術に基づいており、暗号学的証明を通じてチェーン上のデータの真実性を保証し、資産の安全を確保します。オペレーターはデータをアップロードする際に有効性証明を付加し、メインネットはデータがアップロードされる際に即座に情報を検証できるため、Layer 2はメインネットと同等の安全性を達成します。現在、zkSyncのエコシステムにはCurve、AAVE、Balancer、1inchなどが含まれ、すでにメインネットが立ち上がっており、2.0バージョンのメインネットは2021年8月に立ち上がる予定です。

zkSyncはユーザーの資金の安全を最優先目標としており、暗号技術PLONKとRedShiftを使用しています。RedShiftは透明で汎用的なSNARKで、ニューヨーク大学のAssimakisとMatter LabsのKonstantin、Alexanderによって発見されました。zkSyncを使用する際、取引には二つのコストがあります：1. Layer 2上の状態保存とSNARK生成コストで、これはハードウェアの使用に依存します；2. オペレーターがデータをイーサリアムメインネットに戻すコストとSNARK証明を検証するコストで、これはイーサリアム上のGas Priceに依存します。ZK Rollupの最大の障害は、スマートコントラクトに関連する有効性証明の検証コストが高すぎるため、スマートコントラクトのシーンには適用できません。zkSyncはスマートコントラクトを再編成してZK Rollupで使用できるようにしますが、開発者はZinc言語を使用してコントラクトを再展開する必要があり、これは現在のzkSyncの最も重要な計画の一つです。

zkSyncにおける取引送金に関して、ユーザーは送金トークンを使用してGas費用を支払うことができ、ETHを使用する必要はありません。現在、zkSyncネットワークは集中管理方式で運営されていますが、将来的には複数の役割を導入してネットワークをより分散化する予定です。例えば、PoSコンセンサスメカニズムを導入するなどです。オペレーターの収支バランスを維持するため、zkSyncの費用はメインネットのGas費用に応じて変動しますが、zkSyncの使用費用は常にイーサリアムネットワークよりも低く、ETHの送金は20倍以上、ERC20トークンの送金は100倍以上低くなります。将来的には、zkSyncはガバナンスと担保のための独自のトークンを導入し、手数料がより低いプラットフォームzkPorterを立ち上げる予定です。

zkPorterはzkSync 2.0バージョンのメインネットと同時に立ち上がり、zkPorter内のデータはオフチェーンに移動され、zkSyncアカウントとシームレスに相互作用できます。アカウントのデータ可用性は、守護者（Guardian）のzkSyncトークン保有者によって保証されます。守護者はzkSyncトークンを担保し、PoSに参加する必要があります。データが利用できない場合、彼らは担保の資金を失います。

StarkWare

StarkWareはZK Rollup技術に基づいて実装されたスケーリングソリューションで、現在の顧客にはDeversiFi、iMMUTABLE、dYdXがあります。zkSyncとは異なり、StarkWareはSTARK技術を使用しており、これはシンプルで完全に透明なゼロ知識証明です。CairoはStarkWareが提供するTuring完全なSTARK証明プラットフォームで、上記のアプリケーションもCairoに基づいて構築されています。さらに、StarkWareは取引プラットフォームStarkExも立ち上げています。

StarkWareは「Validium」と呼ばれるモデルも開発しており、このソリューションでは、ユーザーが取引データを委員会メンバーに送信し、彼らのデータがオフチェーンに保存されます。これによりZK Rollup内の資金の安全性は低下しますが、効率は向上し、高頻度のシーンにより適しています。

Polygon

PolygonはMaticネットワークのアップグレード製品で、Maticとは異なる二つのスケーリングソリューションとなります。MaticはPlasmaフレームワークを使用してサイドチェーンの分散化と安全性を保証しています。MaticはPlasmaチェーン内でアカウントベースのモデルを採用しており、他のPlasmaのUTXOシステムとは異なり、これによりPlasma Maticはイーサリアムシステムに適用され、EVMをサポートします。PlasmaサイドチェーンはPoSコンセンサスメカニズムを使用し、Maticトークンをステーキングすることでネットワーク内の検証者になることができます。
Polygonの独立したサイドチェーンはイーサリアムと完全に適合しているため、ユーザーと開発者の学習コストはゼロであり、ブリッジリンクを通じて相互運用性をサポートし、サイドチェーン内には独立した検証者が安全性を保証します。Polygon（Matic）は現在、サイドチェーンとPlasmaの二つのイーサリアムスケーリング方式を立ち上げており、ZK RollupとOptimistic Rollup製品は将来の計画に含まれています。これは、企業向けアプリケーション、スタートアップ、ネットワークセキュリティに特化した企業など、異なるユーザーのスケーリングニーズを実現するためです。Aavegotchi、Easyfi、SportX、AaveなどのアプリケーションはPolygonのアーキテクチャを使用しています。

図2：Polygonの固定チェーンモデル（左）と独立チェーンモデル（右）

xDai Chain

xDai ChainはMakerDAO財団が立ち上げたイーサリアム互換のサイドチェーンで、xDAIをネットワーク取引の支払い手段として使用し、xDAIはDAIと同比例で交換されます。EVMに互換性があるため、イーサリアム内のすべてのアプリケーションを直接サイドチェーンに移行できます。現在、xDAIのエコシステムアプリケーションには1Hive、Honeyswap、Perpetual Protocol、Sushiswap、Unique.oneなどが含まれています。

xDaiサイドチェーンはPOSDAOというプルーフ・オブ・ステークメカニズムを使用して記帳とガバナンスを行い、二層トークンモデルを採用しています。xDAIは支払いトークンとして使用され、STAKEトークンがガバナンストークンとして発行されています。現在の検証ノードは依然として集中管理された信頼できるノードですが、将来的には徐々にオープンにされる予定です。イーサリアム2.0ノードでは、xDai ChainはシャーディングまたはRollupとしてイーサリアムネットワークに参加します。

その他のLayer 2プロジェクト

イーサリアムLayer 2分野に特化したプロジェクトの他にも、高速でスケーラブルな公的チェーンを目指していたが、実際にはイーサリアムの運用環境に近づいてLayer 2プロジェクトの影を持つようになったものもあります。例えば、Harmony、Celer Network、BSC、Hecoなどです。クロスチェーンプロトコルPolkadot上のプロジェクトもイーサリアム上のアプリケーションとの適合を探求しています。例えば、Acala EVMはUniswapコントラクトを成功裏にデプロイし、運用しています。

最も典型的な例はBSCとHecoで、これら二つはイーサリアムと同じ仮想マシンを使用しており、開発者はスマートコントラクトをイーサリアムから直接移行できます。また、BSCとHecoは基盤で公的チェーンのコンセンサスメカニズムなどのパラメータを変更し、ブロック生成速度を向上させ、より大きなキャパシティを実現し、ユーザーは取引コストを節約できます。他の公的チェーンがイーサリアムとの互換性を持つ場合、それはイーサリアム上のサイドチェーンと見なされ、広義のLayer 2となります。

Layer 2の発展傾向と問題

Layer 2の発展予測

さまざまなLayer 2ソリューションが次々と登場していますが、第一部で指摘したように、Layer 2の競争力は開発者の難易度を下げ、ユーザー体験を向上させることにあります。したがって、今後すべてのLayer 2はこの二つの方向に向かって進むでしょう。例えば、Optimistic Rollup系製品は詐欺証明とチャレンジ期間のユーザー体験を改善し、ZK Rollupは仮想マシンとスマートコントラクトの開発を行い、現在のDeFiアプリケーションにより適用できるようにします。サイドチェーンの実現は比較的容易ですが、資金の安全性と分散化の保証を向上させる必要があります。

Layer 2の面では、手数料の低減、スケーラビリティ、分散化、データ可用性の各側面で同時にバランスを取るのは難しいです。Layer 2技術の進展に伴い、最新のRollup技術が登場していますが、チャレンジ期間やスマートコントラクトによる不便を無視すると、分散化とデータの可用性の面で進展を実現しています。しかし、より迅速な取引速度と手数料の低減を追求するために、例えばzkPorterやValidiumモデルでは、データの可用性を犠牲にしてオフチェーンにデータを保存する必要があります。より高い効率を達成するためには、チェーン上のリソースの使用をできるだけ少なくし、オペレーションノードにより多くの権限を与える必要があるため、ノードの悪事を防ぐためにより洗練されたメカニズム設計が必要です。将来的には、Layer 2ソリューションが速度、費用、分散化、データ可用性の各面でトレードオフを行い、異なるシーンに応じた異なる解決策が登場するでしょう。

Layer 2のオペレーターや検証者にとって、関連する作業には経済的なインセンティブが必要です。ほとんどのLayer 2ネットワークにとって、トークンを発行することも将来のトレンドであり、主にガバナンスやインセンティブに使用されます。しかし、同じ技術を使用するプロジェクト、例えばOEとArbitrumにとって、経済的インセンティブの設計も彼らの競争力の一つです。DeFiエコシステム内の競争と同様に、Layer 2の参加者に対するインセンティブが多ければ多いほど、より多くのオペレーターや検証者を引き付け、ネットワークの安全性を保証することができます。

Layer 2はイーサリアム上のツールに過ぎず、より重要なのはLayer 2上で動作するアプリケーションです。Layer 2プロジェクトと最も多く協力しているのは、高頻度取引を必要とするDEXです。DEXプロジェクトのアップグレード、例えばUniswapのV3バージョンのように、Layer 2上での運用ニーズがさらに強くなります。将来的にはLayer 2上の競争もLayer 2上のアプリケーション間の競争となるため、Layer 2にとってアプリケーションの争奪がより重要であり、特に高頻度取引を必要とするアプリケーションにとっては重要です。

Layer 2ソリューションが直面する問題

サイドチェーンネットワークを除いて、Rollup技術のLayer 2ソリューションの開発進捗は期待を下回っており、立ち上げ後に本当に期待に応えることができるかどうかを判断するのは難しいです。開発の難易度は現在Layer 2が直面している問題です。Layer 2間の相互運用性も現在Layer 2ソリューションが直面している問題であり、異なるLayer 2は異なるスマートコントラクトによって制御されているため、同じLayer 2内でアプリケーションが相互作用することで手数料を低減する必要があります。同じアプリケーションが異なるLayer 2に展開されている場合、その流動性に影響を与えます。したがって、Layer 2間のクロスソリューションも現在の研究方向です。

考察とまとめ

上記は現在のイーサリアムLayer 2における主流プロジェクトの競争構図と傾向の分析です。Layer 2はイーサリアムの基盤とアプリケーションをつなぐ中間層であり、イーサリアムメインチェーンのスケーリングツールでもあります。最も注目すべきは、アプリケーション開発者とユーザーの使用体験、特にアプリケーションの争奪です。異なるLayer 2間でアプリケーションの相互作用に影響を与えるため、Layer 2の完全なエコシステムを形成することが理想的な状態です。

各Layer 2ソリューションは可用性の向上に向けて発展していますが、最終的には統一された勝者が現れることはありません。これは、異なるシーンで異なるニーズが現れるためです。例えば、高頻度取引のシーンでは、手数料に対してより敏感になり、経済メカニズムを用いて悪事を防ぐためにデータの可用性の一部を犠牲にすることができます。しかし、他のより安全性が求められるシーンでは、完全なデータ可用性のソリューションを使用することができます。

Layer 2ソリューションの持続可能性を維持するためには、オペレーターとユーザー間の関係を処理することも同様に重要です。オペレーターへのインセンティブが少なすぎると、ネットワークの分散化と安全性を維持するための十分なオペレーターや検証者が存在しない可能性があります。ユーザーに対して過剰に料金を請求すると、ユーザーやアプリケーションの流出を引き起こす可能性もあります。特に、大部分のRollupソリューションはメインネットとは異なるGas費用の徴収方法を採用しているため、オペレーターの収支バランスが実現できるかどうかは、立ち上げ後に再評価する必要があります。