Biteye：ビットコインのセカンドレイヤー概念を深く探る

作者：Biteye コア貢献者 Fishery Isla

編集：Biteye コア貢献者 Crush

出典：Biteye

Layer 2 と聞いて、多くの人が Ethereum の数々の二層プロジェクト、例えば Arbitrum、Zksync、Optimism、StarkWare などを思い浮かべるでしょう。また、Layer 2 の概念は Bitcoin の Lightning Network に起源を持ち、その後 Vitalik によって Ethereum に応用されて広まったとも言われています。これらは事実ですが、視点が異なるだけです。

Layer 2 の概念は Bitcoin や Ethereum に特有のものではなく、ブロックチェーン技術におけるスケーリング技術の大きな方向性の一つです。

Layer 2 とは、メインネットの上に構築された一連のオフチェーンソリューションを指し、非中央集権性や安全性を犠牲にすることなく（黒板を叩く！！）、取引のスループットを向上させることを目的としています。

BTC のスケーリングの物語が盛り上がる中で、さまざまな BTC Layer 2 プロジェクトが登場しました。Layer 2 は徐々に技術主導のブロックチェーンスケーリングの道から、あいまいなマーケティングラベルへと変わってきています。

この記事では、BTC Layer 2 ラベルが付けられたプロジェクトについて、簡単な技術的整理を行います。この熱気に支配された市場では、技術が市場に与える影響はしばしば二次的であることに注意が必要です。また、筆者自身の限界により、一部の技術的見解は外部と異なる場合があります。皆さんの参加を歓迎します。

この記事は投資のアドバイスを構成するものではありません。

避けられない古い話題 Layer 2 とサイドチェーンの違いは？

上記の文で、Layer 2 技術の目的は非中央集権性や安全性を犠牲にすることなくメインネットをスケーリングすることだと述べました。したがって、狭義には単一の技術概念ではなく、さまざまな異なるソリューションと実装を含んでいます。

現在、最も一般的な Layer 2 技術には二つのカテゴリがあります：ステートチャネル（State Channel）とロールアップ（Rollups）です。

ステートチャネルとは、メインネット上に双方または複数の間でチャネルを構築し、そのチャネル内で複数の取引を行い、チャネルが開いているか閉じているときにのみメインネットに取引をブロードキャストすることを指します。

BTC の Lightning Network が正式に採用しているこのようなソリューションは、一般的に言えば、Lightning Network のチャネルはマルチシグアドレスとして理解できます。Bob と Alice がメインネット上でそれぞれこのチャネル（アドレス）に BTC を預けた後、双方は Lightning Network を通じて日常的な取引を行います。

これらの日常的な取引はメインネットに上がらないため、高価なガスを節約できます。いつの日か、双方が取引を行わないと判断した場合、双方はメインネットに引き出し命令を発行できます。この命令の署名は、BTC メインネットに対して、双方がメインネットの外で行った一連の取引帳簿の真実性を証明することができます。

この瞬間、メインネットの安全なコンセンサスが Bob と Alice の決済を介入し、資金を放出します。したがって、Lightning Network 上で発生した取引は BTC メインネットの安全レベルを持つことになります。現在、このようなソリューションはスマートコントラクトの先例を実現していません。

ロールアップは、Ethereum 上の Optimistic Rollups と Zero-Knowledge Rollups が Ethereum の Layer 2 拡張ソリューションであり、複雑な実行と状態保存のプロセスを Layer 2 に移行してスループットを向上させることを目的としています。

一般的に言えば、メインネットは Layer 2 が定期的にメインネットに提出する証明を検証して、Layer 2 の帳簿の真実性を保証します（この検証プロセスは特に重要です）。

こうして、メインネットは「リアルタイム」で L2 の帳簿を把握でき、L2 の資金がメインネットに戻るとき、ETH メインネットの安全なコンセンサスが介入し、メインネットの Layer 2 放出コントラクトは、第三者の情報源に依存せず、メインネットのコンセンサスによって生成されたデータのみを基に放出可能かどうかを確認します。

ここまで読んで、かなりの読者が伝統的な Layer 2 の本質はメインネットと同じ安全性を持つクロスチェーンブリッジであることに気づくでしょう。この意識があれば、サイドチェーンをうまく識別できます。

サイドチェーンとは、メインネットの外に独立したブロックチェーンネットワーク（例えば BSC）を構築することを指し、メインネットのコンセンサスはサイドチェーンのクロスチェーン行為の合法性を検証できません。

サイドチェーンへのクロスチェーンブリッジは、メインネット上の資産をロックし、サイドチェーンにマッピングします。その後、サイドチェーンでマッピングされた資産は取引や送金などの機能を実現できますが、サイドチェーンからメインネットに戻るとき、メインネットのクロスチェーンブリッジコントラクトはサイドチェーンから発信された放出メッセージの真実性のみを確認し、サイドチェーンの帳簿を検証することはありません。

言い換えれば、クロスチェーンブリッジのプロジェクトが悪意を持って署名を行ったり、サイドチェーンが偽の帳簿を作成した場合、メインネット側の資金は損失を被ることになります。

明らかに、伝統的な L2 の定義に従うと、メインネットがメインネットの外の帳簿を検証できるかどうかを観察することが、Layer 2 であるかどうかを判断する鍵となります。

この観念があれば、ETH が BTC よりも遅れて登場したにもかかわらず、逆転を実現し、先に非同期で Layer 2 を実現した理由を説明するのは難しくありません。

BTC Layer 2 の技術的難点------検証

BTC Layer 2 の技術的難点を理解するためには、BTC Layer 2 の可能性を生み出す BTC Taproot アップグレードを理解する必要があります。

Taproot は Bitcoin Core の貢献者 Gregory Maxwell によって 2018 年に初めて提案されました。Taproot は Bitcoin プロトコルの改善であり、Bitcoin 取引のプライバシーと効率を向上させることを目的としています。

Taproot の核心的な考え方は、さまざまな条件下の取引を通常の単一署名取引のように見せることで、チェーン上のデータの占有と漏洩を減らし、複雑な取引（マルチシグ、タイムロック）を単一の Bitcoin 取引のように実行できるようにすることです。

Taproot は、BTC Layer 2 の未来を創造するために 2 つの重要な技術を導入しました。

1）MAST（Merklized Abstract Syntax Tree メルクル抽象構文木）；

2）Schnorr 署名；

MAST は、複雑なスクリプトを複数のサブスクリプトに分解し、それらをメルクルツリーの構造に組織する方法です。特定のサブスクリプトの条件が満たされたときにのみ、そのサブスクリプトのハッシュ値と内容を公開する必要があります。これにより、スペースを節約し、柔軟性を高め、プライバシーを増加させることができます。

Schnorr 署名は、複数の署名者を一つの署名者に統合し、単一の署名を生成できるデジタル署名アルゴリズムです。これにより、マルチシグ取引を簡素化し、コストを削減し、安全性を高め、プライバシーを増加させることができます。

MAST（メルクル抽象構文木）

MAST の意義は、Taproot アップグレード前に、複雑なスクリプト条件を実現するためには P2SH アドレスを使用し、同じハッシュ値を持つリデンプションスクリプトを生成して取引に含める必要があったことです。

P2SH の複雑な条件に対して、取引のサイズは非常に大きくなります。P2SH アドレス内の BTC については、同じハッシュ値を持つリデンプションスクリプトを生成し、取引に含める必要があります。スクリプトで規定された支出条件が多すぎると、取引のサイズは非常に大きくなります。

MAST は上記の問題をうまく解決でき、したがって BTC Layer 2 の発展の可能性をもたらしました。

MAST はメルクルツリーと抽象構文木を組み合わせたメカニズムです。これは P2SH に似ており、指定されたハッシュ値のスクリプトに支払いを行いますが、異なるのは MAST が指定されたメルクルルートのハッシュ値に支払いを行うことです。

MAST は大きな条件集合をハッシュツリーに組み立てます。これがいわゆるメルクルツリーです。このツリーの各ノードは、その子ノードから計算されたハッシュ値によって構成されています。

ツリーの根はハッシュ値であり、すべての条件の集合を表します。これにより、取引中にこの根のハッシュのみを含める必要があり、すべての条件を列挙する必要がなくなり、取引サイズを縮小する役割を果たします。

まず、すべてのスクリプト（条件）に対してハッシュ計算を行います。その後、計算されたハッシュ値を隣接するハッシュ値と組み合わせてハッシュ計算を行い、新しいハッシュ値のセットを生成します。この二つのハッシュ計算のプロセスを繰り返し、最後のハッシュ値を計算します。

このハッシュ値がメルクルルートです。

MAST は Bitcoin 取引をメルクルツリーに関連付けることができ、このツリーの各葉ノードは Bitcoin を解除する条件を表します。

これらのロックされた Bitcoin を使うには、メルクルツリー上の特定のパスに対応する条件を満たす解除スクリプトを構築する必要があります。

ネットワークは、このスクリプトに対応する条件がメルクルツリーの元の条件集合に属するかどうかを検証するだけで済みます。つまり、この条件がメルクルツリー上に存在するかどうかを検証します。

ネットワークがこのスクリプト（および対応する条件）がメルクルルートに属することを確認すると、このスクリプトがロックされた Bitcoin の要件を満たすことがわかり、その後この解除スクリプトを検証します。これにより、完全なスクリプトを取引に含める必要がなくなり、Bitcoin 取引のサイズが小さくなります。\

言うまでもなく、MAST は取引スクリプトが占めるスペースを大幅に削減し、複雑なオンチェーン操作の可能性を提供しますが、構文木という構造が実現できる論理には限界があるため、「MAST は Bitcoin 上でスマートコントラクトの機能を実現できる」と主張するのは不正確です。

現在、BTC メインネットは Ethereum Layer 2 のような帳簿検証機能を実現していないため、BTC Layer 2 は ETH Layer 2 の技術アーキテクチャを完全に模倣することはできません。クロスチェーンブリッジの安全性を確保するためには、新たな道を切り開く必要があります。

Schnorr 署名と MAST の組み合わせは、BTC メインネットから Layer 2 へのクロスチェーンブリッジに新しいアプローチを提供し、この技術は現在市場に出ている BTC Layer 2 プロジェクトの主流技術ソリューションです。

Schnorr 署名

Schnorr 署名は Claus Schnorr によって提案されたデジタル署名スキームで、そのシンプルさと効率性で知られています。その利点は、複数の署名を一つの単一の署名に統合できるため、マルチシグシナリオでの検証と認証プロセスを最適化できることです。

例えば、12 の署名が必要なマルチシグ取引では、各署名が 20 バイトのストレージスペースを占有する可能性があるため、合計で 240 バイトのストレージが必要です。

しかし、Schnorr 署名を使用すると、これらの 12 の署名を一つの統一された Schnorr 署名に統合でき、その署名は約 60 バイトのスペースしか必要としません。これにより、多くのストレージスペースが節約され、より多くの取引スクリプト情報を収容できます。

Schnorr 署名はすべての n-n マルチ署名契約にプライバシー保護を提供します。その中で、最も典型的な応用は Lightning Network の支払いチャネルです。なぜなら、これは本質的に 2-2 のマルチシグ契約だからです。

一般的な m-n (m<n) マルチシグ契約に関しては、n-n の状況に拡張できます。すべての可能な解除条件を MAST を利用して分岐構造に折りたたむことができます。

2-3 マルチシグの例を挙げると、A、B が解除するか、B、C が解除するか、A、C が解除するかの三つの状況に相当します。これは複数条件スクリプトと見なされ、各条件は 2-2 のマルチシグであるため、明示的なマルチシグではなく、集約公開鍵を使用して定義することもできます。

この点が現在 STX、BEVM などのプロジェクトが採用しているクロスチェーン技術の基礎です：数百の二層ノードが BTC アドレスを制御することによってクロスチェーンを実現します。

まとめ：BTC Layer 2 の実現可能な発展の道

前述の比較に基づくと、BTC Layer 2 ソリューションは明らかに Ethereum の第二層の設計を単純にコピーすることはできません。なぜなら、両者の間には固有の違いが存在するからです。

正しい進むべき道を計画するために、BTC Layer 2 ソリューションは安全性の核心的本質に焦点を当てるべきであり、同時に Bitcoin の独自の特性を考慮する必要があります。

Bitcoin の基盤層はシンプルな UTXO モデルと限られたブロックスペースを採用しています。

前述のように、MAST が存在しても、BTC メインネットは過度に複雑な OP/ZKP 検証ロジックを実現できません。

これは、BTC と Ethereum のロールアップが異なることを決定づけており、Bitcoin の第二層ソリューションは定期的にチェーン上の責任記録を提出して検証することができません。Bitcoin ブロックチェーン上にデータを保存することは、可用性チェックポイントとしてのみ機能し、実際の検証を行うことはできません。

これは現在市場で懸念されている点であり、BTC 信者にとっては、BTC コンセンサスが参加する検証がなければ、BTC Layer 2 の物語が失われてしまいます。ETH の古参ユーザーにとっては、ETH ロールアップよりも安全性が劣る技術ソリューションはあまり魅力的ではありません。

非中央集権的なクロスチェーン能力の問題。

これは Layer 2 の定義において非常に重要です。メインネットのコンセンサスと同等の安全性を持つクロスチェーンブリッジを実現することは、BTC メインネット上では非常に困難です。現在の伝統的な Bitcoin クロスチェーン技術、例えばハッシュ/タイムロック、フック、交換、マルチシグは、十分な信頼保証を提供できません。

Bitcoin の 2021 年の Taproot アップグレードで導入された MAST コントラクトと Schnorr 署名の組み合わせは、非中央集権的な Bitcoin クロスチェーンに希望をもたらし、BTC Layer 2 の主要な突破口となります。

ロールアップのチェーン上検証と比較して、現在開発中の BTC Layer 2 チームが主に深耕すべき方向は、クロスチェーンブリッジの署名の安全性を最大限に高めることです。

完璧な Layer 2 を実現するためには、Bitcoin が BIP レイヤーをアップグレードし、マイナーが基盤コードを更新して OP/ZKP 検証と Bitcoin マイナーの計算実行をサポートする必要があります。これは ETH ロールアップのような二層ソリューションを実現するために必要です。これは非常に長い時間がかかるか、あるいは永遠にマイナーに受け入れられない可能性があることを知っておく必要があります。