MoleEdu Web3 シリーズ公開講座の振り返り：イーサリアムと Layer2 ノート

著者：Moledao

Moledao と OGBC が共同開催する Web3 シリーズ講座が、2023 年 1 月 16 日に正式に開始されました！第1週は Web3 インフラの週で、内容はブロックチェーンの基礎、イーサリアムと Layer2、Layer0、ストレージを含みます。

今日は、2023 年 1 月 18 日に Neil Han 講師が行った「イーサリアムと Layer2」の講座を振り返ります！講座の録画は Moledao の Bilibili にアップロードされています：

第1週：インフラの週 | イーサリアムと Layer2

それでは、さっそく「イーサリアムと Layer2」の講座のノートを学びましょう！

講師紹介

Neil HAN, Reddio Founder&CEO 前 Twilio アジア太平洋地域第3号社員、チームを率いて4年間でアジア太平洋地域の収益を30倍に増加させ、前 PingCAP/TiDB 海外商業化第1号社員、アジア太平洋およびヨーロッパ地域 GM。

Neil 講師は 2021 年末に退職し、Reddio を設立しました。Web3 インフラストラクチャー企業で、シンガポールを本社として世界中の開発者にイーサリアムのスケーリングを解決する PaaS サービスを提供し、より高い同時処理、低いガス料金、より安全かつ迅速に資産をブロックチェーンに載せることができます。Reddio は Paradigm 投資のアジア太平洋地域初のインフラ企業です。

Neil 講師はまたエンジェル投資家でもあり、アメリカの SaaS 企業への投資に特化し、growrk.com、getbean.com、mynurse.ai、mileauto.com などの企業にエンジェル投資を行っています。

学びの成果

この講座では、Neil 講師がイーサリアムとその限界、サイドチェーン、Layer2 スケーリングソリューション、Layer2 の三難選択、技術スタックの進化などについて解説しました。

01 イーサリアムとその限界

なぜイーサリアムなのか？2022 年の状況があまり良くない中でも、イーサリアムのエコシステム内での覇権的地位は変わっていません。また、2022 年の主要な NFT 取引はすべてイーサリアム上で行われました。イーサリアムはブロックチェーン業界に入る際に必ず見るべきチェーンです。しかし、イーサリアムには発展を制限する2つの大きな限界があります：

第一 ：イーサリアムで何か操作を行うと、必ずガス料金が発生し、しかもそのガス料金は非常に高いです。

上の図では、GAS が計量単位です。送金の過程で 21000 の GAS が発生します。取引の発起者が取引を迅速に処理する必要があるかどうかに応じて、GAS の価格は一定の範囲内で変動します。1 GAS を 100 GWEI と仮定します。GWEI は計量単位で、10 の -9 乗の ETH に相当します。したがって、上の図に示される送金の過程で、ガス料金は 0.0021 ETH となります。ETH の価格が $1800 の場合、この送金には $3.78 がかかります。

注意が必要：このガス料金は一定ではなく、取引の発起者が取引の確認を急ぐ場合、ガス料金は増加します。これはマイナーの入札メカニズムによるもので、ガス料金を高く出した者が優先されるためです。したがって、急いでいる取引の発起者はより高いガス料金を提示します。2021 年には、最高ガス料金が $150 に達し、NFT の取引が行われたこともありました。この金額は非常に大きく、すべての取引がこのように高額であれば、ブロックチェーン上の取引システムはほぼ使用不可能になります。

第二：スケーラビリティ

上の図から、イーサリアムの TPS は約 20 トランザクション/秒であることがわかります。しかし、VISA の 24000 TPS と比較すると、まだ少なすぎます。

このような限界があるため、中央集権型取引所は中央集権的な方法で取引を処理するしかありません。この点については、Duke 講師がブロックチェーン基礎の講座で詳しく説明しています。しかし、この方法は Web3 の理念に反しており、FTX の暴落のような悪性の事件も発生しました。

イーサリアム自身もこの問題を認識しており、これはイーサリアムの製品ロードマップです。イーサリアムは昨年 POW から POS に移行し、主に電力消費の問題を解決しました。マイナーの作業は廃止されました。このような変更は、資源を大幅に節約し、イーサリアムエコシステム全体の 99% の電力を節約しました。しかし、TPS を効果的に向上させたり、ガス料金を効果的に低下させたりすることはできませんでした。したがって、現時点ではこれらの2つの制限はあまり改善されていません。その後のデータシャーディングはこれらの2つの問題を比較的良く解決できますが、それ以前はイーサリアム自身では解決できませんでした。

02 ブロックチェーンの拡張

以上の2つの限界に基づき、業界ではブロックチェーンの拡張に関してさまざまな試みが行われてきました。上記はさまざまな異なるソリューションを列挙したものです。以下では、イーサリアムの拡張について重点的に説明します。

2.1 サイドチェーン

サイドチェーンの代表的な例は Polygon の PoS チェーンです。彼らが行っていることは、イーサリアムのガス料金が高く、処理能力が限られているので、新たにチェーンを構築することです。このチェーンでは、すべてのノード、コンセンサス、安全性がチェーン自体によって制御されます。イーサリアム上の資産をサイドチェーンに移動させる場合、まず資産を Polygon のイーサリアムウォレットにロックし、その後サイドチェーン上で対応するトークンを生成してサイドチェーンの対応するウォレットに送ります。サイドチェーンからトークンを取り戻すプロセスも類似しています。

このソリューションでは、サイドチェーンはこの資金が実際に存在することを証明する必要があり、「Merkle Proof」と呼ばれる証明メカニズムを利用しています。

2.1.1 Merkle Proof

Merkle Proof は、データブロック、Merkle Root、およびデータブロックからルートへのすべてのハッシュで構成される「ブランチ」を含みます。証明者は、与えられたデータブロックのハッシュ（少なくとも現在のブランチに対して）およびルートへのすべてのノードのハッシュの整合性を確認し、最終的に与えられたデータブロックが実際にツリーのノードに存在するかどうかを検証できます。この方法はブロックチェーンで広く使用されています。

2.1.2 利点と欠点

サイドチェーンソリューションの利点は：

• 比較的中央集権的であるため、高性能なマシンを使用して取引スループットを向上させることができます。
• 取引手数料はサイドチェーンによって制御されるため、取引のガス料金は比較的低くなります。
• 取引のプライバシーが保証されます。データがサイドチェーンによって制御されるため、いくつかの手段を利用してデータを隠すことができます。したがって、一部の企業はサイドチェーンを上昇のソリューションとして選択するかもしれません。

しかし、欠点も顕著です：

• 最大の問題は安全性の問題です。なぜなら、全体の安全性が第三者によって中央集権的に制御されるからです。例えば、Polygon PoS は Polygon によって安全性が制御されています。
• クロスチェーンブリッジは比較的少数のノードによって検証されるため、ハッカー攻撃に遭いやすく、歴史的にも無数のハッカー攻撃事件が発生しています。

Neil 講師はサイドチェーンを Layer2 とは考えておらず、その安全性はイーサリアムに依存しているのではなく、サイドチェーン自身の安全性に依存しているからです。イーサリアムの安全性を引き継いでいるからこそ、Layer2 は Layer2 と呼ばれるのです。

03 Layer2 スケーリングソリューション

すべての Layer2 のスケーリングソリューションは、大部分の取引を Layer2 でオフチェーン計算を行い、全体の取引状態を Layer1 に置いて権利確認を行うことです。これにより、Layer1 の性能が最適化されます。

3.1 ステートチャネル

ステートチャネルは比較的初期の Layer2 スケーリングソリューションで、方法も比較的シンプルです。上の図の上半分を見ると、Player1 と Player2 の間で多くの取引が発生する可能性があります。しかし、Layer1 にとっては、プロセスは重要ではなく、最終結果が最も重要です。この2人の取引が発生する前に、両者はプライベートキーでログインし、このステートチャネルを開くことができます。チャネルが開かれると、両者はオンラインでなければならず、すべての取引が完了するまでチャネルは閉じません。したがって、Layer1 では開始と終了の状態のみが記録され、大量の計算リソースが節約されます。

しかし、ステートチャネルの欠点は：

• 取引の両者がプライベートキーでログインする必要があります。プライベートキーが常にチェーン上に露出していると攻撃される可能性があります。
• 取引の両者は常にログインを維持する必要があり、さもなければチャネルは自動的に閉じます。
• 取引の資産は取引開始時にロックされる必要があるため、取引中は他の用途に使えません。
• スマートコントラクトを実行できません。

しかし、このモデルは契約機能のないビットコインのようなチェーンにはむしろ適しています。ペイメントチャネルはビットコインのスケーリングに使用されており、ライトニングネットワークの基本原理でもあります。

3.2 Layer2 アーキテクチャ

Layer2 の主流ソリューションは、データをチェーン上とオフチェーンに分けることができます。証明も2種類に分けられ、一つは有効性証明（Validity Proof）、もう一つは詐欺証明（Fraud Proof）です。これにより、異なるソリューションが生まれます。

3.3 詐欺証明（Fraud Proof）

検証者は Layer1 の契約から取引データをダウンロードした後、ローカルで（Layer2 状態の）マークルツリーを再構築できます。検証者はローカルと契約のマークルルート（状態ルート）を比較することで、偽造行為が存在するかどうかを確認できます。もし偽造が発見された場合、検証者は Layer1 の契約にマークル証明を提供する必要があり、図の緑色部分から挑戦を開始します。

3.4 プラズマソリューション

プラズマは Layer2 の一つのソリューションで、その基本原理は、対応するスマートコントラクトを通じて操作を処理し、オペレーター（Operator）を通じて取引をサブチェーンに置くことです。異なるサブチェーンは異なる事柄を処理します。これにより、多くの操作を異なるサブチェーンに置くことができます。安全性を確保するために、ユーザーがサブチェーンの資産を Layer1 に移動させたい場合、プラズマは 7～14 日を確保し、詐欺証明ノードが挑戦できるようにします。

このソリューションの利点：

• 資産を誰にでも移転できる
• メインチェーンが安全性を保証する

欠点は：

• 引き出し操作には 7～14 日の審査が必要で、この期間は詐欺証明ノードによる検証に充てられます。
• 任意のスマートコントラクトを実行できないため、スマートコントラクトは最初から固定されており、変更できません。
• マークルルートのみがメインチェーンに記録されているため、安全性に一定の割引があります。

3.5 ロールアップソリューション

ロールアップの実装

まず Layer1 に契約を記述する必要があります。この契約の目的は、Layer2 上のすべての操作をパッケージ化してマークルルートを生成し、そのマークルルートの状態を Layer1 に置くことです。一度パッケージ化された操作に変化が生じると、このマークルルートは変わり、Layer1 の契約を通じて状態を更新する必要があります。操作に問題が発生した場合、操作が有効であるかどうかを証明するための2つの方法があります。すべてのロールアップ操作は、上記の論理に基づいて実現されています。

主要派閥

Layer2 上の取引の有効性証明に関して、現在2つの主要な派閥があります。一つはオプティミスティックロールアップ、もう一つは zkRollup です。現在、Optimism は世界で最もロックされた量が多いですが、大きな問題があります。なぜなら、詐欺証明方式を利用しているため、資産を迅速に引き出すことができないからです。zK-Rollup はより良いソリューションですが、現在はデプロイ可能な契約のソリューションが完全に成熟していません。

Optimism で引き出しを行う場合、すべてのデータをダウンロードしてからマークルツリーを実行し、詐欺証明を検証する必要があり、非常に時間がかかります。また、メカニズムには逆説があり、詐欺証明のノードが詐欺を発見しなかった場合、そのノードは報酬を得られません。しかし、詐欺があった場合、このチェーンは非常に遅くなります。

Arbitrum は小さな改良を行い、すべての取引に関与するデータをすべてダウンロードして実行する必要がなく、二分法を利用して特定のノードの結果が有効であることを証明するだけで済みます。しかし、詐欺証明に多くの時間がかかります。

3.5.1 zK-Rollup

zK-Rollup には非常に重要な概念であるゼロ知識証明（zero-knowledge proof）があります。レストランの領収書の例を使って簡単に理解できます。

レストランの領収書に含まれる具体的な項目は、ほとんどの人が気にしないものです。一般的な顧客は、各料理の費用を単純に合計し、領収書の総額と比較して検証します。したがって、詳細を知らなくても取引が有効であることを証明できます。これはゼロ知識証明の非常に生活に即した比喩に過ぎません。具体的な原理については、ぜひ研究してみてください。

したがって、zK-Rollup では証明の速度が非常に速く、数百ミリ秒で済み、リアルタイムで検証でき、Layer1 での権利確認には数分しかかかりません。この革新的なソリューションは多くの人に期待されています。V 神もその一人です。このソリューションは Layer1 の効率を大幅に向上させることができます。例えば、StarkEx は Layer1 の1ブロックあたりの NFT ストレージ量を150から180万に増加させることができ、Layer2 で NFT を発行する際にはほとんどガス料金がかからなくなります。

Validium ソリューション

比較的固定された操作、例えば NFT の転送は、標準契約に変換されます。これらの操作をゼロ知識証明を通じて Layer1 で証明します。データが Layer1 に置かれると、イーサリアムの TPS の制限を永遠に受けるため、一部のデータをオフラインまたは Layer2 に置くことがより高いソリューションとなります。安全性の要求がそれほど高くないプロジェクトにとっては、より良いソリューションです。

zkRollup ソリューション

zkRollup は Validium のオフチェーンストレージの calldata をすべて Layer1 に保存し、取引を Layer2 に置き、これらの操作をゼロ知識証明を通じて Layer1 で証明します。

Volition ソリューション

Volition は Validium のオフチェーンソリューションと zK-Rollup のオンチェーンソリューションを統合したものです。ユーザーは自由に選択できます。

StarkEx プロジェクト

これは現在最も成熟した zkRollup/Validium ソリューションです。

その Validium 処理能力は 9000 トランザクション/秒に達し、zK-Rollup の処理能力は 2000 トランザクション/秒に達します。2022 年 4 月、StarkEx は1日に400万件の取引を処理し、史上最多のチェーン上取引日処理量の記録を樹立しました。

3.5.2 zK-Rollup と zKEVM

StarkEx の最大の限界は契約を書くことができないことです。以下のプロジェクトは契約機能を追加しました。図の緑色の枠が多いほど EVM との互換性が高いことを示しています。現在、これらのソリューションは大規模な生産ライン使用段階には達しておらず、最も近いのは StarkNet であり、他のプロジェクトは成熟に数年かかる必要があります。

EVM との互換性は、すでに EVM コントラクトを書いたエンジニアが簡単に移行できるのを助けますが、EVM との互換性が高いほど性能が割引されることになります。以下の図表で詳細に説明されています。完全に EVM と互換性のある zkRollup の性能上限はイーサリアムの上限であり、zkRollup の原理に基づいて設計された zkRollup ソリューションは、EVM との互換性があまり良くないものの、想像の余地が大きいです。

3.5.3 オプティミスティックロールアップと zK-Rollup の比較

04 Layer2 の三難選択

Layer2 の三難選択はイーサリアムの三難選択とは異なります。以下に、2つの特性を兼ね備えたプロジェクトとチェーンを示します。

• 性能（Performance）
• 可組み合わせ性（Composability）：すなわち、契約を書くことができるかどうか。
• 中央集権性（Decentralization）

プロジェクトチームは、自身の重点に応じて適切なソリューションを選択できます。例えば、Web3 のアプリケーションやゲームに対しては、その論理と取引が比較的固定されているため、現時点では StarkEx がより良い選択です。一方、DeFi など契約に対する要求が高いプロジェクトチームにとっては、性能を重視する場合、Polygon Pos が比較的良い選択となるでしょう。また、中央集権性を重視し、引き出し時間が長くても気にしないシナリオでは、オプティミスティックロールアップがより良いソリューションとなるかもしれません。

05 技術スタックの進化

zkRollup の支えにより、私たちは中央集権的なソリューションの技術スタックが大きく変化したことを見ています。比較的代表的な中央集権的な取引所 dYdX を例にとると、ユーザーは中央集権的なサーバー上で買い注文と売り注文のマッチングを行い、すべての取引は zK-Rollup 内で行われます。ユーザーはガーディアンウォレットを使用し、要するに資産は依然としてユーザーに属し、いつでも引き出すことができます。

以下は Reddio の技術スタックです。開発者が慣れ親しんだ言語を通じて、API と SDK の形で開発者にサービスを提供し、開発者が迅速に ERC20 と NFT をイーサリアムと Layer2 zkRollup にデプロイできるようにします。これにより、非常に高い同時処理（最大 10K TPS）で非常に安定した製品と Layer2 のソリューションを使用できるようになります。また、Layer2 専用のチェーン上言語を開発者がよく使う API と SDK に変換することで、開発者が Layer2 とイーサリアムを統合する時間を大幅に短縮します。これにより、EVM 互換性のない zkRollup でも、開発者は迅速に使用できるようになります。Reddio のソリューションに興味がある方は、www.reddio.com にアクセスして無料でテストしてください。

zkRollup の改善に伴い、完全に中央集権的な全チェーン DeFi、Web3 アプリ、ゲームが展開され、爆発的に成長することが期待されます。また、Web3 の構図も大きく変わるでしょう。これにより、より多くの起業家に前例のない機会が提供されることを期待しています。皆さんと共にその未来を築くことを楽しみにしています。

06 感謝

以下の組織に感謝し、この公益講座を支援していただきました！

スポンサーの支援：

One Global Blockchain Centre (OGBC)

https://www.ogbc.com/

OGBC は Web 3.0 の先駆的なインキュベーターであり、新興の暗号通貨スタートアップと協力して未来のインフラを構築しています。OGBC の暗号通貨分野における専門知識、ネットワーク、リソースを活用することで、企業やプロジェクトはその潜在能力を最大限に引き出し、ブロックチェーン業界のますます多くのユーザーに向けて革新的で価値のあるソリューションを開発することに努めています。

その他の協力者の支援:

07 Moledao について

MoleDAO はブロックチェーン開発者コミュニティであり、すべてのブロックチェーン愛好者がブロックチェーンの最新の動向を理解し、経験豊富なブロックチェーンの先駆者や革新者の助けを借りて成長し、Web 3 エコシステムの構築に貢献するための場です。

私たちは、ブロックチェーン愛好者の交流コミュニティを構築し、ブロックチェーンプロジェクトの支援を提供し、グローバルなハッカソンシリーズイベントを開催し、プロジェクトの人材マッチングを支援し、プロジェクトのスポンサーシップと指導を提供することで、ブロックチェーンの理念をすべての人に広め、ブロックチェーンエコシステムを発展させることを目指しています。

私たちのビジョンは、精巧に計画されたワンストップのブロックチェーンエコシステムになることです。あなたがブロックチェーン愛好者、ブロックチェーン開発者、機関、投資家のいずれであっても、Moledao で自分に合ったポジションを見つけることができます。

詳細については、以下をご覧ください：Moledao は誰ですか？何をしていますか？ここで何を得られますか？