一文でわかるイーサリアム Layer 2 ソリューション：ZK Rollup、Optimistic Rollup、Validium、Plasma

著者：Daolectic Research

原文タイトル：《Ethereumをスケールする方法？ --- 実際のLayer 2環境の包括的分析》

編訳：麟奇，链捕手

ブロックチェーン分野で最も議論を呼ぶトピックの一つは、間違いなくスケーラビリティです。

具体的には、Ethereumの人気が高まるにつれて、ブロック内の取引リクエストも増加し、それに伴い取引コストも上昇しています。Ethereumメインネットは1秒あたり約15件の取引を処理しているため、スループットを向上させる必要があります。Ethereumノードの負担を軽減するために、多くのL2ソリューションが登場しており、それぞれに利点と欠点があります。

Ethereumネットワークの実際の単一チェーン構成における速度を向上させるために、さまざまな代替スケーリング戦略が適用されています：これらはすべて、Ethereumメインブロックチェーン上の取引処理の負担を軽減し、スケーラビリティを向上させることを目的としていますが、採用される方法はそれぞれ異なります。

注目すべきは、これらのスケーリング技術はEthereumに特有のものではなく、他のネットワークでも使用できるということです。

既存の主要なスケーリングソリューション

実際には、シャーディングのような新しいコンセンサスアルゴリズムや技術が、基盤層でスケーラビリティの問題を直接解決するために登場しています。

最近数ヶ月間、現在のブロックチェーンのごく一部を占めるシャーディングチェーンは、多くの注目を集めています。特に、Harmony Oneに基づくDeFi Kingdomsや、Near ProtocolのEVM互換チェーンAuroraの登場など、チェーンゲームの発展が挙げられます。これらのエコシステムの発展の主な原動力は、そこに展開されるアプリケーションの実際の価値、すなわち、より速いブロック生成時間と低いガス料金によってもたらされるユーザー体験の向上です。

Ethereum 2.0は、シャーディングファミリーに属する可能性があります。

さらに、rollupのような側鎖やソリューションも構築されています：この技術は、主層からのすべてのセキュリティとコンセンサスプロトコルを引き継ぎ、他の多くのスケーリング技術と比較してかなりの利点を持っています。この点において、これらのソリューションは「非管理型」側鎖に分類されることができます。

本質的に、rollupは大量の取引を収集し、オフチェーンで計算し、それらを単一のオンチェーン取引としてブロードキャストします。

現在Ethereumメインネットで活発なrollupは、2種類に分かれています：

• Zk Rollup（Zkはゼロ知識を意味し）、有効性証明によってサポートされています
• Optimistic、詐欺証明によってサポートされています

ゼロ知識証明ZKP

その純粋な定義から始めると、ゼロ知識証明(ZKP)は、基本的な仮定を明らかにすることなく情報を検証するためのツールのセットです。

"ゼロ知識"という用語は、特定の事実に関する情報を提供しない（"ゼロ"）という概念に由来します：これは、"証明者"がデータを開示することなく、"検証者"に対して計算の主張が有効であることを示すことを可能にする一連の暗号技術によって実現されます。

ZKPはブロックチェーン分野に導入されました。ゼロ知識証明には、対話型と非対話型の2種類があります。

• 対話型ZKPは、証明者が検証者を説得するために一連の活動や操作を行うことを要求します。対話型ZKPで必要な大部分の活動は、数学的確率の考えを含んでいます。
• 非対話型ZKPは、証明者と検証者の間の相互作用を必要とせず、検証は後で行われる可能性があります。この場合、そのようなZKPは追加のコンピュータまたはソフトウェアを必要とします。

すべてのZKP（対話型または非対話型）は、次の3つの前提条件を満たさなければなりません：

1. 完全性：主張が真である場合、検証者は証明者が持っているすべての必要な入力を検証できます。
2. 有効性：その判断は反証できず、証明者が必要な入力を提供しない場合、検証は成立しません。
3. ゼロ知識：検証者は真または偽であるという判断以外の情報を見ることはありません。個人データは常に匿名かつ暗号化された状態に保たれます。

関連記事：解説：ゼロ知識証明とは何か、ゼロ知識証明のユースケースは？

ZK Rollup

Zk Rollupは、すべての取引データをメインチェーンに提出し、Zk-Snark（ゼロ知識簡潔非対話型知識証明）を使用して取引を検証します。

Vitalik Buterinは2018年にこの暗号ツールを提案しました。

略語SNARKは、簡潔で、知識の非対話証明を意味します：

• "簡潔"は、証明が基盤データよりも短いことを意味します。
• 知識証明は、適切な"証人"や証拠がない限り、証明者は検証される証明を構築できないことを示します。

これらの検証が完了し、メインチェーンに公開されると、その中に含まれるすべての取引は最終取引として宣言されます。暗号活動を使用するため、L2ノードが証明を構築するために必要な処理能力は非常に高く、また迅速です。

ZK rollupは、リレイターが取引を組み合わせ、その後リレイターがzkpを生成して取引の真実性を証明します。その後、メイン層に証明を提出し、公開します。

関連記事：ZK-Rollupsを理解する：Cryptoエコシステムのパラダイムシフトをどのようにもたらすか？

Optimistic rollup

Optimistic rollupの基本的な仮定は、すべての処理された取引が有効であるということです。実際、この名前はノードチェーンの楽観的な状態に由来します。

取引が無効であることが発見されるたびに、ノードは詐欺証拠を提供することで不正な取引が発見された取引のバッチに異議を唱えることができます：バッチ取引は、optimistic rollupをサポートする基盤システム（optimistic virtual machine、OVM）によってメインチェーン上で再実行されます。

全体として、OVMはL2上の取引を完了させることを許可します。たとえそれらがL1によって無効と見なされても：さらに、取引が無効と見なされる場合、L2チェーンは詐欺取引の前の状態にリセットされます。詐欺取引のため、すべての後続取引は無用の状態になります。

Optimisticなアプローチは、提出された取引が常に真実であるという前提に基づいているため、異なることが証明されるまで、ある意味で「信頼に基づく」と見なされます。

エコシステム内の参加者に適切なインセンティブを提供すれば、その仮定は現実のものとなる可能性があります。しかし、最悪の事態を防ぐためには、追加の予防策も必要です。たとえば、資産をL2からL1に移動する際、Optimismは検証者に詐欺取引を発見し、マークするための十分な時間を提供するために、7日間の保留期間を規定しています。

Validium

ValidiumはZK rollupと同様の方法で動作しますが、データはオフチェーンに保存されます。取引データがブロックチェーン上に公開されないため、追加の信頼仮定を採用する必要があり、ユーザーはオペレーターを信頼し、必要なときにデータにアクセスできるようにする必要があります。

Validiumのオフチェーンデータストレージには多くの利点があり、取引速度が向上し、一般の人々が取引にアクセスできないため、ユーザーのプライバシーも向上します。

しかし、データがチェーン外に保存されているため、ユーザーはスマートコントラクト内の利用可能な金額をいつでも確認することができません。

したがって、ユーザーは自分の資金を把握するためにリレイターからデータを取得する必要があり、リレイターを信頼しなければなりません。

この問題を解決するために、StarkWareのようなソリューションは、すべてのオフチェーンデータを保存し、緊急時には公開アクセスに変わるデータ可用性委員会（DAC）を提供します。これにより、ユーザーのリレイターへの依存が減少します：zkpを使用しているため、不正確な状態をブロードキャストする危険はありません；ユーザーが信頼しなければならないのは、情報のタイムリーさだけです。

Validiumソリューションは比較的新しく、ZKRの基盤の上に構築されており、スケーリングソリューションの有効性証明スイートがますます人気を集めるにつれて、その勢いは高まるでしょう。

Validiumソリューションを使用しているプロジェクトには、DeversiFi、ZKSwap（支払い、取引プラットフォーム）、Sorare（サッカーNFTゲーム）、Immutable X（NFTマーケットプレイス）などがあります。

Plasma

Plasmaファミリーには、基本的にEthereumのコピー版のブロックチェーンがいくつかあり、信頼最小化のブリッジアーキテクチャを介してEthereumに接続されています。各Plasmaチェーンは独自の取引検証プロセスを採用できますが、Ethereumブロックチェーンは最終取引の真実性に関する権威を持っています。

Plasmaは、ユーザーがオペレーターに絶対的な信頼を持つ必要はなく、不誠実または操作を妨げる状況でも、ユーザーは常に資金を回収する機会があります。Plasmaの導入はEthereumコミュニティの大きな関心を呼び起こしましたが、多くの課題ももたらしました：新しいデータ可用性ネットワーク攻撃、ユーザーが悪意のある活動を検出するために取引を監視する必要があること、そして大量のユーザーが同時にPlasmaチェーンから退出しようとした場合のメインチェーン上のデータ容量に対する懸念が、Plasmaシステムに基づく採用を遅らせました。

さらに、多くのPlasma設計は、一連のユーザー体験とセキュリティの問題に悩まされており、スマートコントラクトの開発に対してネイティブな利便性を提供していません。OMGとPolygonは現在Plasmaを放棄しており、一部の人々はそれが実際には存在しないと考えています。

技術比較

これまでのところ、Optimistic rollupは最大の関心と採用を受けており、これは開発者がEthereumアプリケーションをL2プラットフォームに「コピー＆ペースト」できる性質によるものです。

UniswapやSynthetixなどのEthereumメインネットの主要アプリケーションは、確率ベースのrollupソリューションに基づくOptimistic rollupソリューションを使用してアプリケーションを展開し始めています。同様に、ZK rollupsとValidiumソリューションは、現在一般的なスマートコントラクトのサポートが非常に限られていますが、依然として積極的に展開されています。

ZKRはOptimistic Rollupに対して、主な利点の一つは異議申し立て期間（出金時間）がないことです。zkpを使用して取引の真実性を確立するため、リレイターはシステムを欺くことができません。もう一つ考慮すべき要素は、ZKRユーザーが常に資産を移動できることです。データは常にチェーン上に保存されています。

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全体として、これらの取り組みの発展は、彼らが 提供できるものに高度に依存しています。ゼロ知識証明のEVM互換性の未来は、有効性証明に基づくL2ソリューションの組み合わせの発展に良好な展望を提供します。

Matter LabsとStarkWareがこれらの証明の可用性を使用するために革新的に選択することで、Optimistic rollupの普及を超える可能性があります。ゼロ知識証明が提供するセキュリティと、リレイターが悪意のある活動を公開する難しさは、L2システムがその力を採用する未来をより明るく見せています。

2月20日現在、L2エコシステム全体のTVLは約60億ドルです。

下の図L2Beatのデータによると、Optimistic rollupは総時価総額の70％を占め、Arbitrumが31億ドルで1位です。dYdXはZK-Rollupを採用したL2で、9.95億ドルで続いています。これまでのところ、Validium関連のTVLは低いですが、IMXとSorareの登場により成長の可能性があります。

結論

rollupの使用は、今後最も一般的なスケーリング方法になると予想されます。その多くは最近初めて展開されたものであり、重要なマイルストーンです。Ethereum 2.0のリリースまでにはまだ長い道のりがあるため、rollupは長い間存在する可能性があります。

コンポーザビリティはEthereumの重要な要素であり、ネットワーク内の誰もが既存の資産の上に新しいユースケースを簡単に構築できるようにします。

あなたがEthereumネットワークのユーザーであれば、これは実際に大きな自由度を与えます：同じセキュリティフレームワークの下で、同じチェーン上で、いくつかのユーザーフレンドリーな活動を通じて比較的複雑な取引を行うことができます。

L2ソリューションはガス料金を引き下げることでユーザー体験を明らかに改善しましたが、独立した実行環境のオプションも提供しています。

最近、アプリ開発者はどのプラットフォームに展開するかを選択する際に、どのL2ソリューションがより人気があるかを見極めるためにためらうようになっています。

1つまたは複数のL2間の統合は、今後の発展の重要な鍵となるでしょう。これは、Ethereumエコシステム全体のネットワーク効果に影響を与えるだけでなく、より広範なスマートコントラクトプラットフォーム環境にも大きな影響を与えます。