理論から実践へ：Based RollupはL1ソート駆動のRollupソリューションを実現できるか

著者：YBB Capital Researcher Ac-Core

前言：

イーサリアムの動作原理は、各ノードがユーザーが提出したすべての取引を保存し実行することです。ネットワーク全体のスケーラビリティを向上させるために、イーサリアムはRollupソリューションを採用しています。簡単に言えば、これは大部分の取引処理をオフチェーン（L2）に移行し、イーサリアムのメインネット（L1）の負担を軽減し、取引手数料を削減するものです。つまり、RollupはL1の一連のスマートコントラクトとL2のネットワークノードで構成され、オンチェーンのスマートコントラクトとオフチェーンのアグリゲーターを含みます。自身の決済、コンセンサス、データの可用性はイーサリアム自体に依存し、取引の実行のみを担当します。L2ネットワークノードは複数の部分で構成されており、その中で最も重要なのはシーケンサーですが、現在のRollupのシーケンサーはすべて中央集権化の問題に直面しています。

Rollupとシーケンサー

Rollupはイーサリアム（L1）のスケーリングソリューションの一つで、オフチェーンで取引を実行し、取引をブロックにパッケージ化します。各ブロックに対して、Rollupはチェーンの状態を再構築するために必要なデータ（データの可用性のソースとして）をデータ可用性層に公開し、オフチェーン実行の正当性の証明を決済層に公開します（Rollupには2種類あり、ZK-rollupの場合、各ブロックはゼロ知識証明を公開しますが、Optimistic rollupの場合、争いが発生した場合にのみ詐欺証明を公開します）。EIP-4844以降、データ公開がblobsに切り替わると、この層は「データ公開層」と呼ばれる可能性があります。RollupのスマートコントラクトはL1上で公開された証明を検証し、各Rollupにはチェーン間のデータ転送や入金・出金を実現するための1つ以上のブリッジが存在します。

Rollupの実装ロジックにおいて、シーケンサー（Sequencer）は重要なコンポーネントであり、主にL2上の取引リクエストを受け取り、その実行順序を決定し、取引をバッチ（Batch）にパッケージ化して最終的にL1上のRollupスマートコントラクトに送信します。これにより、取引処理の効率を向上させ、コストを削減する重要な役割を果たします。

シーケンサーの機能と動作原理は主に4つの部分から成り立っています。

1. 取引の受信：シーケンサーはユーザーまたはアプリケーションからの取引リクエストを受け取ります。これらの取引はまずL2で処理され、イーサリアムのメインネットで直接処理されることはありません。

2. 取引のソート：シーケンサーは受信した取引をソートし、その実行順序を決定します。このプロセスは、イーサリアムのマイナーが取引をブロックにパッケージ化する前に行う作業に似ています。

3. 取引のパッケージ化：シーケンサーはソートされた取引をバッチにパッケージ化し、これらのバッチには複数の取引の要約情報が含まれます。

4. L1への提出：最終的に、シーケンサーはパッケージ化された取引バッチをイーサリアムのメインネット（L1）に提出し、メインネットで決済とデータストレージを行います。これにより、L1はL2上の状態更新を検証し、保存することができます。

Rollup技術は効果的なスケーリングソリューションを提供しますが、シーケンサーの設計と実装にはいくつかの問題が残っています。最も重要なのは中央集権化の問題であり、現在のほとんどのRollupプロジェクトは中央集権的なシーケンサーに依存しており、通常は単一のエンティティまたは少数のエンティティによって制御されています。これにより、透明性の欠如や単一障害点のリスクが生じます。

上記の堅苦しい説明を置いておいて、L2の非中央集権シーケンサーソリューションに関する議論は、YBB Capitalの過去の記事で言及されたMetisが市場に直接開放したシーケンスプールノードのステーキングL2ソリューションや、新たに立ち上げられた独立プロジェクトEspressoソリューションにおいても、本質的には「利益のパイ」の分配と市場の投機の余地に対する期待に過ぎません。したがって、利益と正当性が正しいことが避けられない重要な要素となります。

Based Rollupの歴史的背景と設計

画像出典：@drakefjustin

Rollupの概念は、イーサリアムの創設者であるVitalik Buterinによって最初に提案されました。彼の最初の構想は、誰もが無制限に取引を拡張できる完全に無制約な「Total Anarchy（無政府）」状態を実現することでした。上記の現在のシーケンサーの問題を考慮し、2023年にEthereum ResearcherのJustin Drakeは、シーケンサーをイーサリアムL1自体が管理する解決策であるBased Rollupsを提案しました。その内容は以下の通りです（出典は拡張リンク1を参照）。

定義：

「集約されたシーケンスが基盤層（L1）によって駆動される場合、これをL1ベースまたはL1によってシーケンスされた集約と呼びます。具体的には、L1ベースの集約は、次のL1提案者がL1のサーチャーおよびビルダーと協力して、次のRollupブロックを次のL1ブロックに含めることができることを意味します。」

利点：

• 活性（liveness）：Based RollupはL1と同じ活性保証を享受します。注意すべきは、エスケープハッチ（Escape Hatches）を持つ非Based Rollupの活性は低下することです（エスケープハッチはRollupにおける安全メカニズムであり、Rollupシステムに問題が発生した場合にユーザーがL2から安全に資産をL1メインチェーンに引き出すことを可能にします。これは緊急出口に似ています）。

• より弱い決済保証：決済が保証される前に、エスケープハッチの取引は一定のタイムアウト時間を待つ必要があります。

• 検閲に基づくMEV：エスケープハッチを持つRollupsは、タイムアウト期間中にシーケンサーの検閲による不利なMEVの影響を受けやすいです。

• ネットワーク効果のリスク：シーケンサーの活性障害によって引き起こされる大規模な退出（例えば、非中央集権的なPoSシーケンスメカニズムに対する51%攻撃）は、Rollupのネットワーク効果を破壊します。L1とは異なり、Rollupはシーケンサーの活性障害から優雅に回復するために社会的合意を使用することができません。すべての既知の非Based Rollup設計において、大規模な退出はダモクレスの剣です。

• ガス罰：エスケープハッチを通じて決済された取引は、通常、ユーザーにガス罰をもたらします（例えば、取引が非バッチパッケージ化されたために最適でないデータ圧縮が行われた場合）。

• 非中央集権（decentralization）：Based RollupはL1の非中央集権を引き継ぎ、自然にL1のサーチャー - ビルダー - 提案者のインフラを再利用します。L1のサーチャーとビルダーは、Rollupブロックを自分のL1ブロックに含めることでRollupのMEVを抽出するインセンティブを受けます。これにより、L1ブロック提案者はL1上でRollupブロックをパッケージ化するインセンティブを得ます。

• 簡潔性（simplicity）：Based Rollupのシーケンスは最もシンプルであり、中央集権的なシーケンスよりもはるかにシンプルです。Based Rollupはシーケンサーの署名を検証する必要がなく、エスケープハッチも外部のPoSコンセンサスも必要ありません。

歴史的な注釈：2021年1月、VitalikはL1ベースのシーケンスの提案を「完全無政府状態」と呼び、複数のRollupブロックを同時に提出するリスクがあり、ガスと作業の無駄を引き起こす可能性があると述べました。現在のブロック提案者 - ビルダー分離スキーム（Proposer-Builder Separation, PBS）は、L1のシーケンスを厳密に制御でき、各L1ブロックには最大1つのRollupブロックが含まれ、ガスの無駄がありません。Rollupのn+1ブロック（またはk >= 1の場合、n+k）がブロックnのSNARK証明を含む場合、ZK-rollupの証明作業の無駄を避けることができます。

• コスト：Based Rollupのガスコストはゼロであり、非中央集権的または中央集権的なシーケンサーからの署名を検証する必要すらありません。Based Rollupの簡潔性は開発コストを削減し、リリース時間を短縮し、コードの脆弱性の露出面積を小さくします。Based Rollupのシーケンスもトークンを必要とせず、トークンベースのシーケンサーの規制負担を回避します。

• L1経済との整合性（L1 economic alignment）：Based RollupからのMEVは自然にその基盤となるL1に流れます。この流れはL1の経済的安全性を強化し、MEVが破壊される場合にはL1のネイティブトークンの経済的希少性を高めます。このL1との経済的な密接な結びつきは、Based Rollupの合法性を構築するのに役立つ可能性があります。重要なのは、MEV収入を犠牲にしても、Based RollupはL2の混雑料金（例えば、EIP-1559形式のL2基本料金）から収入を得るオプションを保持していることです。

• 主権性（sovereignty）：シーケンスをL1に委任しても、Based Rollupは主権性を保持します。Based Rollupはガバナンストークンを持ち、基本料金を徴収し、適切な時にこれらの基本料金の収益を使用することができます（例えば、Optimismが公共財に資金を提供する場合）。

欠点：

• MEV収入なし：Based RollupはMEVをL1に委ね、その収入を基本料金に制限します。逆説的ですが、これによりBased Rollupの総収入が増加する可能性があります。理由は、Rollupの構図が「勝者総取り」であり、勝利したRollupがBased Rollupの安全性、非中央集権、簡潔性、一貫性を利用して支配的地位を確立し、最終的に収入を最大化する可能性があるからです。

• 制約されたシーケンス：シーケンスをL1に委任することで、シーケンスの柔軟性が低下します。これにより、特定のシーケンスサービスがより困難になり、実現不可能になる可能性があります。

• 事前確認：迅速な事前確認は中央集権的なシーケンスには問題ではなく、外部のPoSコンセンサスを通じて実現できます。L1シーケンスを使用して迅速な事前確認を行うことはオープンな問題であり、EigenL、インクルージョンリスト（Inclusion Lists）、ビルダー債券（Builder Bonds）など、多くの有望な研究方向があります。

• 先着順（FCFS）：Arbitrum式のFCFSシーケンスがBased Rollupで実現できるかどうかは不明です。EigenLはL1シーケンスのBased RollupにFCFSのカバレッジを提供する可能性があります。

命名：

「Based Rollup」という名称は、基盤チェーン（Base L1）との親密さに由来しています。これは、Coinbaseが最近発表したBaseチェーンと矛盾しており、奇妙な偶然です。実際、Coinbaseは彼らのBase発表で2つの設計目標を共有しました。

• 無トークン（tokenlessness）：「新しいネットワークトークンを発行する計画はありません。」

• 非中央集権（decentralisation）：「私たちは[…] 時間の経過とともにブロックチェーンを徐々に非中央集権化する計画です。」

BaseはBased Rollupになることで無トークンの非中央集権を実現できます。

画像出典：@jchaskin22

以上の理論に基づき、Based Rollupは誰でもRollupブロックに拡張でき、ソートされた取引の状態変化をL1に公開することでL2からMEVを抽出でき、すべてのソートと安全性がイーサリアムL1によって提供されます。これにより、外部のPoSコンセンサスや特定のRollupのトークン要求を回避でき、他のRollupが資産の安全を確保するために不可欠な「緊急エスケープハッチ」機能を排除できます。Based Rollupのビジョンでは、イーサリアムの安全な運用を前提に、Rollup上の取引はスムーズに完了します。

Based Rollup上のTaiko Labs

画像出典：Taiko公式サイト

Taiko LabsはBased Rollupを開発・推進する主要なチームであり、Based RollupはTaiko Labsのイーサリアム第二層スケーリングソリューションに関するプロジェクトです。そのビジョンは、Based Rollupなどの革新的な技術を通じて、イーサリアムメインネットのスケーラビリティの問題を解決することです。主に3つの特徴があります。

1. 完全にイーサリアムのEVM（Type 1）ZK-EVMと同等：使用される（Type 1）zkEVMは完全なイーサリアム互換性を持ち、開発者はイーサリアムとTaikoの間で非中央集権アプリケーション（dApps）をシームレスに移行でき、スマートコントラクトの実行失敗のリスクを心配する必要がありません。

2. オープンソース：TaikoのすべてのソースコードはGitHubで公開されており、誰でも閲覧、構築、修正できます。このオープンソースモデルは、ブロックチェーン技術の発展が小さなチームの努力に限られず、世界中のコミュニティや開発者を含むことを保証します。

3. 完全な非中央集権：EVMとの高度な互換性を確保するだけでなく、Taikoはプロトコルの完全な非中央集権を実現することにも取り組んでいます。Taikoは、非中央集権的な提案者と検証者を通じてブロックを提出し、zkPsを生成することを計画しており、システムの非中央集権的特性を保証します。

Taikoは、Vitalik Buterinが「The different types of ZK-EVMs」（拡張リンク2を参照）で言及した、イーサリアムと完全にかつ妥協なく等価であることを追求するType 1の完全なZK-EVMを構築することに取り組んでいます。その目的は、イーサリアムと完全に互換性を持ち、イーサリアムブロックを検証することです（少なくとも実行層を検証し、信号チェーンのコンセンサスを含まず、すべての取引、スマートコントラクト、アカウントロジックを含み、ハッシュ、状態/トランザクションツリー、その他のコンセンサスロジックを置き換えないこと）。したがって、他のタイプと比較して、ネイティブソリューションに近づくために、Type 1は最も複雑で挑戦的なものとなります。

画像出典：Vitalik Buterin：「The different types of ZK-EVMs」

その他のコア構造：

競争型Rollup（BCR - Base Competitive Rollup）

は、Taiko Labsが開発した革新的なブロックチェーンスケーリングソリューションです。BCRは競争メカニズムを通じてRollupの効率と安全性を向上させ、異なる参加者が自由に競争してブロックを提出し、証明を生成できるようにし、ネットワーク全体の性能と非中央集権の程度を向上させることを目指しています。総じて以下のようにまとめられます。

• 特徴

オープンな競争：条件を満たす参加者が自由にブロックを提出し、証明を生成することを許可するこのオープンなメカニズムは、中央集権的な制御を減少させ、ネットワークの非中央集権の程度を向上させます。競争者はより良いサービスを提供することで報酬や取引手数料を獲得します。

効率的なスケーリング：ブロック生成と検証の効率を効果的に向上させることができます。複数の競争者が並行して作業できるため、単一のボトルネックを回避し、取引処理の速度とネットワークのスケーラビリティを向上させます。

安全性：多くの参加者が競争するメカニズムを通じて、システムの攻撃耐性を向上させます。多くの競争者が生成したブロックと証明は、システムの透明性と安全性を高め、単一のエンティティによって制御または攻撃されることが難しくなります。

• 利点

EVM互換：BCRはイーサリアム仮想マシン（EVM）と完全に互換性があり、既存のイーサリアムスマートコントラクトや非中央集権アプリケーション（DApps）をBCR上で簡単に実行でき、重大な変更を必要としません。

高スループット：BCRは取引とブロック生成を並行して処理できるため、ネットワークのスループットが著しく向上し、より高い取引量を処理でき、取引コストと遅延を低下させます。

非中央集権：非中央集権的なブロック生成と証明メカニズムを通じて、ネットワークの非中央集権的特性を確保し、中央集権的なエンティティによる制御のリスクを低下させます。

• 欠点

複雑性の増加：システムの複雑性は、複数の競争者間のブロック生成と検証を調整するために複雑なアルゴリズムとプロトコルを必要とし、スマートコントラクトの複雑性により、スマートコントラクトが競争結果を処理するために追加のロジックを必要とする可能性があります。

潜在的な問題：BCRの競争メカニズムの下で、複数の競争者が同時にブロックを計算し提出する場合、料金が上昇する可能性があり、ユーザーがBCRを使用して取引を行う際に、特にネットワークが混雑している場合や競争が激しい場合に高い取引料金に直面する可能性があります。また、リソースが豊富な大ノードが競争で優位に立つ可能性があり、中央集権の集中を引き起こすことがあります。

ブースターに基づくRollup（BBR-Based Booster Rollup）

ブースター（Booster）はBBRにおける特別な参加者であり、取引バッチを最適化し、取引データを圧縮し、複数の取引バッチを並行処理する役割を担っています。実際の役割は、実行とストレージを分離し、L2の実行を維持しながらL1を非中央集権に保ち、スマートコントラクトがL1とすべてのBBR上のアドレスで一貫性を保つことです。

同時に、システムの複雑性の増加、リソース消費、潜在的な中央集権などの問題に直面しています。今後、BBRはブロックチェーン技術の進化するニーズに応えるために、さらなる最適化と拡張が必要です。

画像出典：Taiko Labs

結語：

現在の全体的な観察から見ると、Based Rollupはイーサリアムの第二層スケーリング方法の大きな変革といえます。Rollupのソートを直接L1の提案者に委任し、提案者とビルダーの分離設計を利用して、L1がRollupのすべてのソーターの役割を実行します。同時にMEVも拡張され、L2のサーチャーは取引をバンドルしてL2のビルダーに送信でき、後者もL1のサーチャーです。そして、これらの完全なL2ブロックはその後L1ブロックの一部となり、最終的にはL1のビルダーとイーサリアムメインネットによって処理されます。

Based RollupがRollupの最終解決策と見なされるかどうかはまだ検証が必要ですが、現段階ではイーサリアムの第二層スケーリングにおける重要な革新であり、より安全で非中央集権的な解決策を提供しています。同等の思考をビットコインエコシステムに持ち込むと、強いスケーラビリティを持つイーサリアムがネイティブで非中央集権的なVMを実現するのに対し、その実現難易度は明らかに異なります。したがって、業界全体が真の非中央集権的スケーリングの問題を解決するには、まだ長い道のりがあります。

拡張リンク：

【1】 Based rollups---superpowers from L1 sequencing https://ethresear.ch/t/based-rollups-superpowers-from-l1-sequencing/15016/1

【2】The different types of ZK-EVMs https://vitalik.eth.limo/general/2022/08/04/zkevm.html

参考記事：
【1】信用のゲーム：多重署名と委員会に操られたRollupたち https://mp.weixin.qq.com/s?_biz=Mzk0OTYwMDM1Mg==\&mid=2247486544\&idx=1\&sn=7a0ee8eb1d32e6ef0bd08354986c0a1f\&source=41#wechatredirect

【2】Taiko研究報告：シームレスなスケーリングと完全互換性を実現するイーサリアムLayer 2ソリューション https://www.panewslab.com/zh/articledetails/id09jfto.html