ブロックチェーンブリッジエコシステム：暗号ネットワークのネットワークを構築する
Connextは、互換性のあるEVMブロックチェーン間で迅速かつ非管理型のクロスチェーン転送と契約呼び出しを実現する相互運用性プロトコルです。出典：荒野重生
数年にわたる研究開発の結果、私たちはついにマルチチェーンの市場構造に突入しました。100を超えるアクティブなパブリックブロックチェーンが存在し、その多くは独自のアプリケーション、ユーザー、地理、安全モデル、設計のトレードオフを持っています。個々のコミュニティが信じているにもかかわらず、現実は宇宙がエントロピーの増大に向かっていることであり、これらのネットワークの数は将来的にさらに増加する可能性があります。
この種の市場構造は、これらの異なるネットワーク間の相互運用性を必要とします。多くの開発者がこれに気づいており、昨年は分散化が進むブロックチェーンを統一しようとするブロックチェーンブリッジの爆発的な成長を目撃しました。この記事執筆時点で、40を超える異なるブリッジプロジェクトがあります。
2021年9月8日現在；説明的/包括的ではありません
この記事では、私は以下を行います：
ブリッジがなぜ重要であるかを説明します。
様々なブリッジ設計とその利点・欠点を概説します。
現在のブリッジエコシステムの概要を提供します。
ブリッジの未来がどのようなものになるかを説明します。
相互運用性がイノベーションを開く
各エコシステムが発展するにつれて、それぞれ独自の強みを持つようになります。例えば、より高い安全性、より速いスループット、より安価な取引、より良いプライバシー、特定のリソース供給（ストレージ、計算、帯域幅など）、地域の開発者やユーザーコミュニティです。ブリッジは重要です。なぜなら、ユーザーが新しいプラットフォームにアクセスし、プロトコルが相互運用し、開発者が新しい製品を共同で構築できるようにするからです。より具体的には、彼らは：
既存の暗号資産の生産性と実用性を向上させる
ブリッジは、既存の暗号資産が新しい場所に行き、新しいことをすることを可能にします。例えば：
DAIをTerraに送信してMirrorで合成資産を購入したり、Anchorで利息を得たりする。
FlowからEthereumにTopShotを送信してNFTfiの担保として使用する。
DOTとATOMを担保としてMakerでDAIローンを取得する。
既存のプロトコルに適用可能なより強力な製品機能を持つことで、ブリッジはプロトコルが実現できる設計空間を拡張します。例えば：
SolanaとAvalancheでの高利回り農業を望む。
Ethereum上のNFTのクロスチェーン共有オーダーブックとRaribleプロトコルのFlow。
Index Coopのステーキングインデックス。
ユーザーと開発者に新しい機能とユースケースを解放する
ブリッジはユーザーと開発者により多くの選択肢を提供します。例えば：
Optimism、Arbitrum、Polygon上でのクロスDEXのアービトラージSUSHI価格。
Bitcoinを使用してArweave上のストレージ料金を支払う。
Tezos上でNFTにPartyBidを追加する。
ブリッジ101
抽象的なレベルでは、ブリッジを2つ以上のブロックチェーン間で情報を転送するシステムとして定義できます。この場合、「情報」とは資産、契約呼び出し、証明、または状態を指すことができます。ほとんどのブリッジ設計にはいくつかの構成要素があります：
監視：通常、ソースチェーン上の状態を監視する「オラクル」、「バリデーター」、または「リレイヤー」と呼ばれる参加者がいます。
メッセージング/リレー：アクターがイベントを受信した後、情報をソースチェーンからターゲットチェーンに転送する必要があります。
コンセンサス：特定のモデルでは、ソースチェーンを監視する参加者間でコンセンサスを得る必要があります。この情報をターゲットチェーンにリレーするためです。
署名：参加者は、ターゲットチェーンに送信される情報に対して個別に、または閾値署名スキームの一部として暗号署名を行う必要があります。
約4種類のブリッジがあり、それぞれに独自の利点と欠点があります：
特定資産：外部チェーンから特定の資産にアクセスするための唯一の目的を持つブリッジです。これらの資産は通常「ラップ」された資産で、基盤となる資産が管理または非管理方式で完全に担保されています。ビットコインは他のチェーンにブリッジされる最も一般的な資産であり、Ethereum上には7種類の異なるブリッジがあります。これらのブリッジは最も実装が容易で流動性のフライホイールを享受しますが、機能は限られており、各目的地チェーンで再実装する必要があります。例としてはwBTCやラップされたArweaveがあります。
特定チェーン：2つのブロックチェーン間のブリッジで、通常はソースチェーン上のトークンをロックおよびアンロックし、ターゲットチェーン上で任意のラップされた資産をミントするためのシンプルな操作をサポートします。これらのブリッジは複雑さが限られているため、通常はより早く市場に出ることができますが、より広範なエコシステムに拡張するのは容易ではありません。
例としては、PolygonのPoSブリッジがあり、ユーザーはEthereumからPolygonに資産を移動したり、その逆を行ったりできますが、これらの2つのチェーンに限られています。
特定アプリケーション：2つ以上のブロックチェーンへのアクセスを提供するアプリケーションですが、そのアプリケーション内でのみ使用されます。アプリケーション自体は小さなコードベースの恩恵を受けます。すべてのブロックチェーンに完全なアプリケーションの個別インスタンスが存在するのではなく、通常は各ブロックチェーンに軽量でモジュール化された「アダプター」が存在します。
アダプターを実装するブロックチェーンは、接続されているすべての他のブロックチェーンにアクセスできるため、ネットワーク効果があります。欠点は、この機能を他のアプリケーション（例えば、貸付から交換へ）に拡張するのが難しいことです。例としては、Compound ChainやThorchainがあり、それぞれクロスチェーン貸付と取引のために独立したブロックチェーンを構築しました。
汎用型：複数のブロックチェーン間で情報を転送するために設計されたプロトコルです。O(1)の複雑さにより、この設計は強力なネットワーク効果を享受します。プロジェクトの単一の統合により、ブリッジ内の全エコシステムにアクセスできます。
欠点は、一部の設計がこの拡張効果を得るために安全性と分散化のトレードオフを行うことがあり、これがエコシステムに複雑な予期しない結果をもたらす可能性があることです。例としては、IBCがあり、これは2つの異種チェーン（確定性保証を持つ）間でメッセージを送信するために使用されます。
さらに、ブリッジ設計は大まかに3つのタイプに分類され、クロスチェーン取引を検証するためのメカニズムに基づいて分類できます：
外部バリデーターとコンソーシアム
通常、ソースチェーン上の「メールボックス」アドレスを監視するバリデーターのグループがあり、コンセンサスに基づいてターゲットチェーンで操作を実行します。資産の移転は通常、資産をメールボックスにロックし、ターゲットチェーン上で同量の資産をミントすることで行われます。これらは通常、バインドされたバリデーターであり、別のトークンをセキュリティモデルとして使用します。
外部バリデーターまたはコンソーシアムシステムの高レベルの説明
ライトクライアントとリレー
参加者はソースチェーン上のイベントを監視し、そのチェーンに記録された過去のイベントに関する暗号的包含証明を生成します。これらの証明は、ブロックヘッダーと共にターゲットチェーン上のコントラクト（すなわち「ライトクライアント」）に転送され、特定のイベントが記録されたかどうかを検証し、その検証後に操作を実行します。特定の参加者はブロックヘッダーと証明を「リレー」する必要があります。
ユーザーは取引を「自己リレー」することができますが、リレーターがデータを継続的に転送する活発性の仮定が存在します。これは比較的安全なブリッジ設計であり、信頼できない有効な配信を保証しますが、仲介者に信頼を置く必要はありません。
ライトクライアントおよび/またはリレーシステムの高レベルの図
流動性ネットワーク
これはピアツーピアネットワークに似ており、各ノードが「ルーター」として機能し、ソースチェーンとターゲットチェーンの資産の「リスト」を保持します。これらのネットワークは通常、基盤となるブロックチェーンのセキュリティを利用します。ロックと争議メカニズムを使用することで、ユーザーがルーターによって資金を奪われることがないよう保証します。
したがって、大量の価値を移転するユーザーにとって、Connextのような流動性ネットワークはより安全な選択肢となる可能性があります。さらに、このタイプのブリッジは、ルーターがターゲットチェーンのネイティブ資産を提供するため、クロスチェーン資産移転に最も適している可能性があります。
流動性ネットワークの高レベルの説明
現在のブリッジエコシステムをこの視点から見ることもできます：
2021年9月8日現在
重要なのは、任意のブリッジは双方向通信チャネルであり、各チャネルには個別のモデルが存在する可能性があり、この分類はGravity、Interlay、tBTCのような混合モデルを正確に表すことができないということです。これらはすべて、ライトクライアント方向と別のバリデーターを持っています。
さらに、以下の要因に基づいてブリッジ設計を大まかに評価できます：
セキュリティ：信頼と活発性の仮定、悪意のある行為者に対する耐性、ユーザー資金の安全性と反射性。
スピード：取引を完了するまでの遅延と最終性の保証。通常、スピードとセキュリティの間でトレードオフが必要です。
接続性：ユーザーと開発者にターゲットチェーンを選択させ、追加のターゲットチェーンを統合する際の異なる難易度レベル。
資本効率：システムの安全性を確保するために必要な資本と資産移転の取引コストの経済学。
状態性：特定の資産、より複雑な状態、および/またはクロスチェーン契約呼び出しを移転できる能力。
これらを総合すると、以下の観点からこれら3つの設計のトレードオフを考えることができます：
さらに、セキュリティはある範囲内であり、大まかに以下のように分類できます：
無信任：ブリッジのセキュリティは、それがブリッジしている基盤となるブロックチェーンのセキュリティに等しい。基盤となるブロックチェーンに対するコンセンサスレベルの攻撃を除いて、ユーザー資金は失われたり盗まれたりしません。つまり、実際には何も無信任ではなく、これらのシステムはその経済、エンジニアリング、暗号コンポーネントにおいてセキュリティと活性の仮定を持っています。
保険：悪意のある行為者がユーザー資金を盗むことができるが、彼らがそうすることは利益がない可能性が高い。なぜなら、彼らは担保を提供する必要があり、エラーや不正行為が発生した場合には削減されるからです。ユーザー資金が失われた場合、彼らは担保の削減を通じて補償されます。
保税：保険モデルに似ており（つまり、アクターがゲーム内で経済的利益を持つ）、ユーザーはエラーや不正行為が発生した場合に資金を回収できません。なぜなら、削減された担保が焼却される可能性があるからです。担保の種類は保税と保険モデルの両方にとって重要です。内生的担保（つまり、担保がプロトコルトークンそのものである）はリスクが高く、ブリッジが故障した場合、トークンの価値が崩壊する可能性があり、これがブリッジのセキュリティ保証をさらに低下させます。
信頼：参加者は担保を提供せず、ユーザーはシステムの故障や悪意のある活動の際に資金を回収できないため、ユーザーは主にブリッジオペレーターの評判に依存します。
2021年9月8日現在。将来のアップグレードでは、いくつかのプロジェクトが「信頼された」カテゴリから外れます。
設計トレードオフのまとめ
外部バリデーターとコンソーシアムは、状態性と接続性の面で優れた性能を示します。なぜなら、これらは取引をトリガーし、データを保存し、任意の数のターゲットチェーンでそのデータと相互作用を許可するからです。しかし、これはセキュリティの代償を伴います。なぜなら、定義上、ユーザーはソースまたはターゲットチェーンではなく、ブリッジのセキュリティに依存するからです。
今日のほとんどの外部バリデーターは信頼されたモデルですが、一部は担保を持ち、その中の一部は最終ユーザーに保険を提供するために使用されます。不幸なことに、彼らの保険メカニズムは通常反射的です。プロトコルトークンを担保として使用する場合、そのトークンのドル価値がユーザーを完全に保護するのに十分であると仮定されます。
さらに、担保資産が保険資産と異なる場合、オラクル価格フィードにも依存するため、ブリッジのセキュリティはオラクルのセキュリティに低下する可能性があります。無信任でない場合、これらのブリッジの資本効率も最低です。なぜなら、彼らは促進する経済スループットに比例して担保を拡張する必要があるからです。
ライトクライアントとリレーは、状態性の面でも強力です。なぜなら、ヘッダーリレーシステムは任意のタイプのデータを転送できるからです。彼らはセキュリティの面でも強力です。なぜなら、追加の信頼仮定を必要とせず、活発性の仮定が存在するからです。なぜなら、情報を転送するためにリレーターが必要だからです。これらは資本効率が最も高いブリッジでもあります。なぜなら、資本ロックを必要としないからです。これらの利点は接続性の代償を伴います。
各チェーンペアに対して、開発者はソースチェーンとターゲットチェーン上に新しいライトクライアントスマートコントラクトをデプロイする必要があります。その複雑さはO(LogN)とO(N)の間にあり（この範囲の間にあるのは、同じチェーンのサポートを追加することが比較的容易なためです）、これにより取引の遅延確認が最大4時間に達する可能性があります。
流動性ネットワークは、スピードとセキュリティに優れています。なぜなら、これらはローカルバリデーションシステム（つまり、グローバルコンセンサスを必要としない）だからです。彼らはまた、保税/保険の外部バリデーターよりも資本効率が高いです。なぜなら、資本効率は取引量/取引量に関連し、セキュリティとは関係がないからです。
例えば、2つのチェーン間のトラフィックがある程度等しいと仮定し、内蔵の再バランス機構がある場合、流動性ネットワークは任意の量の経済スループットを促進できます。トレードオフは状態性です。なぜなら、彼らはcalldataを転送できる一方で、機能が限られているからです。例えば、彼らはデータに基づいて受信者が相互作用する権限を持つ場合、クロスチェーンでデータと相互作用することができます。
オープンな問題
分散システムにおいて、堅牢なクロスチェーンブリッジを構築することは非常に困難な問題です。この分野には多くの活動がありますが、いくつかの未解決の問題が残っています：
最終性とロールバック：ブリッジは、確率的最終性を持つチェーンにおけるブロック再編成やタイムジャック攻撃をどのように解釈しますか？例えば、いずれかのチェーンが状態をロールバックした場合、PolkadotからEthereumに資金を送信したユーザーには何が起こりますか？
NFTの転送と出所：ブリッジは、複数のチェーンをまたいでブリッジされたNFTの出所をどのように保持しますか？例えば、Ethereum、Flow、Solanaの市場でNFTが売買される場合、所有権の記録はこれらすべての取引と所有者をどのように説明しますか？
ストレステスト：チェーンの混雑やプロトコルおよびネットワークレベルの攻撃の際、さまざまなブリッジ設計はどのように機能しますか？
ブロックチェーンブリッジの未来
ブリッジはブロックチェーンエコシステムにイノベーションを開く一方で、チームが研究開発で近道を取ると深刻なリスクをもたらす可能性があります。このネットワークのハッキングは、脆弱性と攻撃の潜在的な経済規模を証明しています。私は、これが良くなる前に悪化するだろうと予測しています。ブリッジの構築者にとって、これは非常に分散化され、競争の激しい状況ですが、チームは規律を保ち、上場時の安全性を優先すべきです。
理想的には、すべてのものの同型ブリッジが存在すべきですが、特定のアプリケーション（例えば、資産移転、契約呼び出し、トークンのミント）に最も適した「ベスト」ブリッジデザインは存在しない可能性が高いです。
さらに、最良のブリッジは、最も安全で、相互接続され、迅速で、資本効率が高く、コスト効果が高く、検閲に強いブリッジです。「ブロックチェインインターネット」のビジョンを実現するためには、これらの属性を最大化する必要があります。
今はまだ早すぎて、最良のデザインが見つかっていない可能性があります。すべてのブリッジタイプには、いくつかの興味深い研究と開発の方向性があります：
ヘッダー検証コストの削減：ライトクライアントのブロックヘッダー検証コストは非常に高く、これらのコストを削減する方法を見つけることができれば、完全に汎用的で信頼不要の相互運用性に近づくことができます。興味深い設計の一例は、これらのコストを削減するためにL2にブリッジすることです。例えば、zkSync上でTendermintライトクライアントを実装することです。
信頼モデルからバインドモデルへの移行：バインドバリデーターの資本効率ははるかに低いですが、「社会契約」は数十億ドルのユーザー資金を安全に保つための危険なメカニズムです。
さらに、派手な閾値署名スキームは、これらのシステムに対する信頼を大幅に低下させることはありません。なぜなら、単にそれが一群の歌手であるからといって、それが依然として信頼できる第三者であるという事実を消すことはできないからです。担保がない場合、ユーザーは実際に彼らの資産を外部の保管者に渡すことになります。
保税モデルから保険モデルへの移行：損失は悪いユーザー体験です。バインドされたバリデーターやリレーターは悪意のある行為を抑制できますが、プロトコルはさらに進んで、削減された資金を直接使用してユーザーを補償すべきです。
流動性ネットワークの流動性の拡張：これらは資産移転の最速のブリッジであると言え、信頼と流動性の間に興味深い設計トレードオフがあります。例えば、流動性ネットワークがバインドバリデーター様式のモデルを使用して資本供給をアウトソーシングできるようにすることが可能です。その場合、ルーターもバインド流動性の閾値マルチシグである可能性があります。
クロスチェーンブリッジを構築している場合は、ぜひご連絡ください！
この記事に対するフィードバックをいただいたAidan Musnitzsky、Arjun Bhuptani、James Prestwich、Pranay Mohanに感謝します。
