1kx：ブロックチェーンのスケーリングの最終目的は、信頼の最小化と水平スケーリングです。

執筆：weidai.eth

編纂：Luffy，Foresight News

イーサリアムは、許可のない世界的なコンピュータであり、本記事執筆時点で最高の経済的安全性を持ち、多くの資産、アプリケーション、サービスの決済台帳として機能しています。イーサリアムには限界もあります：ブロックスペースはイーサリアムのメインネット上で希少かつ高価なリソースです。L2のスケーリングはこの問題の最良の解決策と見なされており、近年、多くのプロジェクトがこの分野に参入しており、そのほとんどがRollupです。しかし、厳密な意味でのRollup（データがイーサリアムL1上にある）では、イーサリアムの無限のスケーリングを実現することはできず、上限は毎秒数千件のトランザクション処理です。

まず、2つの概念を理解してください：

信頼最小化：L2システムの機能が、基盤となるL1以外の部分を信頼する必要がない場合、そのシステム（の機能）は信頼最小化です。

水平スケーリング：全体的なボトルネックを引き起こすことなくインスタンスを追加できる場合、そのシステムは水平にスケーラブルです。

この記事では、信頼最小化と水平にスケーラブルなシステムがブロックチェーンアプリケーションの拡張に最も有望な方法であると考えていますが、この方向性は現在十分に探求されていません。私たちは3つの質問を通じて議論を導き出します：

なぜアプリケーションは信頼最小化であるべきか？

なぜ水平にスケーラブルなシステムを構築する必要があるのか？

私たちはどのように信頼最小化と水平スケーラビリティを強化できるのか？

声明：本記事はイーサリアムを基盤L1として重点を置いていますが、ここで議論するほとんどの内容はイーサリアム以外の他の分散型決済層にも適用されます。

なぜアプリケーションは信頼最小化であるべきか？

アプリケーションは信頼できる方法でイーサリアムに接続でき、イーサリアムブロックチェーン上のデータを読み書きできますが、信頼が必要な部分はビジネスロジックが正しく実行されることです。バイナンスやコインベースなどの中央集権型取引所は、信頼できるアプリケーションの優れた例です。イーサリアムに接続することは、アプリケーションが多様な資産を持つグローバルな決済ネットワークを利用できることを意味します。

信頼されたオフチェーンサービスには重大なリスクがあります。2022年の主要取引所やサービスプロバイダーの崩壊（例：FTXやCelsius）は、信頼されたサービスが不適切に行動し、失敗した場合に何が起こるかを語る良い警告の物語です。

一方、信頼最小化のアプリケーションは、Uniswapなどのスマートコントラクトアプリケーション、ArbitrumやzkSyncなどのRollup、LagrangeやAxiomなどのコプロセッサを通じて、イーサリアムに検証可能な方法でデータを書き込んだり読み取ったりできます。一般的に、アプリケーションがイーサリアムネットワークによって保護され、より多くの機能がL1に割り当てられるにつれて、信頼は排除されます。したがって、取引相手や保管者のリスクなしに信頼最小化の金融サービスを提供できます。

機能をL1にアウトソーシングすることで、アプリケーションとサービスは3つの重要な属性を得ることができます：

活性（および順序）：ユーザーが提出したトランザクションは、タイムリーに含まれるべきです（実行および決済）。

有効性：トランザクションは事前に指定されたルールに従って処理されます。

データ（および状態）可用性：ユーザーは履歴データおよび現在のアプリケーション状態にアクセスできます。

上記の各属性について、どのような信頼仮定が必要かを考えることができます。特に、イーサリアムL1がその属性を提供するか、外部の信頼が必要かどうかです。以下の表は、さまざまなアーキテクチャの例に基づいて分類されています。

なぜ水平にスケーラブルなシステムを構築する必要があるのか？

水平スケーリングは、アプリケーションやRollupなどの独立したまたは並行したインスタンスをシステムに追加することによって拡張することを指します。これは、システムに全体的なボトルネックが存在しないことを要求します。水平スケーリングは、システムのスループットを指数関数的に増加させることができます。

垂直スケーリングは、全体のシステム（例：イーサリアムL1またはデータ可用性層）のスループットを増加させることを指します。水平スケーリングが共有リソースなどでボトルネックに直面した場合、通常は垂直スケーリングが必要です。

声明1：Rollupは水平にスケーリングできません。なぜなら、データ可用性（DA）のボトルネックに直面する可能性があるからです。垂直スケーリングDAソリューションは、分散化の面で妥協を強いられます。

データ可用性（DA）は、依然としてRollupのボトルネックです。現在、各L1ブロックの最大容量目標は1MB（85KB/s）です。長期的には、EIP-4844は約2MB（171KB/s）の追加の可用スペースを提供します。Dankshardingを通じて、イーサリアムL1は最終的に最大1.3MB/sのDA帯域幅をサポートする可能性があります。イーサリアムL1のDAは、多くのアプリケーションやサービスが共同で競争するリソースです。したがって、L1をDAとして使用することは最良の安全性を提供しますが、システムの潜在的なスケーラビリティのボトルネックとなります。L1をDAとして使用するシステムは（通常）水平にスケーリングできず、規模の経済が存在しません。CelestiaやEigenDAなどの代替DA層も帯域幅制限があります（それぞれ6.67MB/sおよび15MB/sですが、より大きいです）。しかし、これは信頼仮定をイーサリアムから別の（通常はあまり分散化されていない）ネットワークに移す代償として、安全性を損なうことになります。

声明2：信頼最小化サービスを水平にスケーリングする唯一の方法は、（ほぼ）各トランザクションの限界L1データをゼロにすることです。知られている2つの方法は、状態差分Rollup（SDR）とvalidiumsです。

状態差分Rollup（SDR）は、バッチ化されたトランザクションの状態差分をイーサリアムL1に公開するRollupです。EVMの場合、トランザクションバッチが大きくなるにつれて、L1に公開される各トランザクションデータは定数に近づき、Rollupのトランザクションデータよりもはるかに小さくなります。

例えば、インスクリプションの大量流入に対するストレステストイベントでは、zkSyncは各トランザクションのcalldataを10バイトに減少させました。それに対して、通常のトラフィックでは、Arbitrum、Optimism、Polygon zkEVMなどのRollupは各トランザクション約100バイトです。

validiumは、関連するトランザクションデータや状態なしに、状態変換の有効性証明をイーサリアムに公開するシステムです。低トラフィック条件でも、validiumは高度な水平スケーラビリティを持っています。また、異なるvalidiumは決済層を共有できます。

水平スケーラビリティに加えて、validiumはオンチェーンプライバシー（公共の観察者から）を提供できます。プライバシーDAを持つvalidiumは、中央集権的でゲート制御されたデータおよび状態の可用性を持ち、ユーザーはデータにアクセスする前に認証を受ける必要があり、オペレーターは良好なプライバシー対策を実施できます。これにより、伝統的なネットワークや金融サービスに似たユーザー体験が実現されます：ユーザーの活動は公に監視されず、信頼が必要なユーザーデータのホスティング者（この場合はvalidiumオペレーター）が存在します。

中央集権的なソーターと分散型ソーターはどうでしょうか？システムの水平スケーラビリティを維持するためには、独立したソーター（中央集権的なソーターでも分散型ソーターでも）を持つことが重要です。注目すべきは、共有ソーターを使用するシステムは原子的な組み合わせ性を持っていますが、より多くのシステムを追加するにつれてソーターがボトルネックになるため、水平にスケーリングできないことです。

相互運用性はどうでしょうか？水平にスケーラブルなシステムが同じL1決済にある場合、メッセージは共有決済層を介して1つのシステムから別のシステムに送信できるため、追加の信頼なしに相互運用性を実現できます。運営コストとメッセージ伝達遅延の間にはトレードオフが必要です（これはアプリケーション層で解決できます）。

水平スケーラブルシステムの信頼最小化

私たちは、水平スケーラブルシステムにおける活性、ソーター、データ可用性に対する信頼要件をさらに最小化できるでしょうか？

注目すべきは、水平スケーラビリティの代償として、信頼なしでの活性とデータ可用性を救う方法がわかっていることです。例えば、L2トランザクションはL1から開始され、含まれることを保証できます。Volitionは、ユーザーにL1状態の可用性に参加する選択肢を提供できます。

別の解決策は、単に去中心化すること（ただしL1に依存しない）です。単一のソーターの代わりに去中心化ソーター（例：Espresso SystemsやAstria）を使用することで、システムはより去中心化され、活性、順序、データ可用性に必要な信頼を最小限に抑えることができます。単一のオペレーターのソリューションと比較して、これには限界があります：(1) パフォーマンスは分散システムのパフォーマンスに制約される可能性がある、(2) プライバシーDAを持つvalidiumの場合、去中心化ソーターのネットワークが無許可である場合、デフォルトのプライバシー保護が失われる可能性があります。

単一のオペレーターvalidiumまたはSDRに対して、私たちはどれだけ信頼依存を減らすことができるでしょうか？いくつかの方向性があります。

方向性1：validiumにおける信頼最小化のデータ可用性。Plasmaは、ある程度、状態可用性の問題を解決しました。特定の状態モデル（UTXO状態モデルを含む）の引き出し問題、またはユーザーが定期的にオンラインであることを要求します（Plasma Free）。

方向性2：SDRおよびvalidiumにおける責任ある事前確認。ここでの目標は、ユーザーにソーターがトランザクションを含むことの迅速な事前確認を提供し、もし含む約束が果たされなかった場合、ユーザーが挑戦を開始し、ソーターに対して権益罰則を実施できるようにすることです。ここでの課題は、トランザクションが含まれていないことを証明することであり、これにはユーザーが追加のデータを提供する必要があるかもしれませんが、ソーターはそのデータを単に保持できます。したがって、私たちは少なくともSDRまたはvalidiumがその完全なcalldataまたはトランザクション履歴のためにデータ可用性委員会を雇用し、委員会がユーザーの要求に基づいて含まれていない（事前確認されたトランザクション）の証明を提供できることを合理的に仮定できます。

方向性3：活性障害からの迅速な回復。単一のオペレーターシステムは活性障害に直面する可能性があります（例：Arbitrumがインスクリプションイベント中にダウンした）。私たちは、同様の状況でサービスが中断されないシステムを設計できるでしょうか？ある意味で、自己ソートと状態提案を許可するL2は、長期的な活性障害を防ぐ保証を提供します。短期的な活性障害に対してより弾力的な単一のオペレーターシステムは、現在十分に探求されていません。ここでの潜在的な解決策の1つは、活性障害に対して削減を行うことで関連する責任を追及することです。もう1つの可能な解決策は、単に引き継ぎ前の遅延期間を短縮することです（現在は約1週間に設定されています）。

結論

信頼最小化を維持しながらグローバルな決済台帳を拡張することは難題です。今日のRollupとデータ可用性の分野では、垂直スケーリングと水平スケーリングの間に明確な違いはありません。信頼最小化システムを地球上のすべての隅々に拡張するためには、信頼最小化かつ水平にスケーラブルなシステムを構築する必要があります。

Vitalik ButerinとTerry Chungのフィードバックと議論、Diana Biggsの編集コメントに感謝します。