暗号基礎知識ノート：ブロックチェーンLayer知識グラフ

一、ブロックチェーンのレイヤーとは？

データレイヤー（Data Layer）：分散型で改ざん不可能な性質を持つデータで、これらのデータはすべてのノードによって共同で維持される必要があります。

ネットワークレイヤー（Network Layer）：ブロックチェーン上のすべてのノードが構成する巨大な分散型のピアツーピアネットワーク。

コンセンサスレイヤー（Consensus Layer）：ブロックチェーンはデータの一貫性を維持するためにコンセンサスメカニズムが必要であり、有名なコンセンサス機構にはPoW、PoS、DPoSが含まれます。

インセンティブレイヤー（Actuator Layer）：ブロックチェーンの報酬メカニズムで、各ノードがブロックチェーンのネットワークを維持することでブロックをパッケージ化し、記帳権を争います。

コントラクトレイヤー（Contract Layer）：ブロックチェーンのコードは第三者の干渉なしにチェーン上のスマートコントラクトアプリケーションの基盤を提供します。

アプリケーションレイヤー（Application Layer）：ブロックチェーンシステム上で技術開発に基づいて多様なアプリケーションソリューションが展開されます。

ブロックチェーンシステムの6つのアーキテクチャは不可欠であり、その中でデータレイヤーとネットワークレイヤーはブロックチェーンシステムの最下層に位置し、その上にコンセンサスレイヤー、インセンティブレイヤー、コントラクトレイヤー、アプリケーションレイヤーが共同でブロックチェーンプロトコルを構成します。私たちはブロックチェーンシステムのアーキテクチャに基づいて、下から順にレイヤー0からレイヤー4に再分割することができます。

二、ブロックチェーンレイヤーの事例

ブロックチェーンの発展に伴い、そのニーズに応じたソリューションが提供されることがわかったとき、それらはそれぞれどこで応用されるのでしょうか？以下では、マインドマップ（より直感的な方法）を通じて、一般的なブロックチェーンアプリケーションやどのようなコインやアプリケーションがあるかを簡単に説明します。 附図1（2024年8月時点のデータ）

ビットコインのライトニングネットワーク

ビットコイン上の主要なLayer2スケーリングソリューションの一つはライトニングネットワーク（Lightning Network）であり、小額決済シーンの最適化を目的としています。ライトニングネットワークの主な実現方法は、支払いの両者がオフチェーンで「チャネル」を構築し、両者がこの「チャネル」で複数回の支払い取引を行い、決済が必要なときにチャネルを閉じることです。支払いの両者が直接の「チャネル」を持たない場合は、第三者ノードを介して中継することができます。 附図2（2024年8月時点のデータ）

三、ブロックチェーンの不可能な三角形

ブロックチェーンの不可能な三角形は、イーサリアムの創設者であるヴィタリック・ブテリンが提唱した理論で、ブロックチェーンネットワークは安全性、非中央集権性、スケーラビリティを同時に満たすことができないことを指します。

（一）安全性

ネットワークが悪意のある攻撃に対抗する能力を指し、二重支払い攻撃や51%攻撃を防ぎ、取引の改ざん不可能性を確保します。

（二）非中央集権性

ネットワークの非中央集権的な構造を指し、すべてのノードが平等な地位を持ち、共同で意思決定に参加することが、ブロックチェーンが検閲や単一障害に対抗するための鍵です。

（三）スケーラビリティ

ブロックチェーンが取引を処理する能力を指し、高い取引スループットと低遅延を含み、大規模なアプリケーションを実現するための前提条件です。

不可能な三角形現象が発生する理由は、ブロックチェーンの取引処理速度と容量を向上させるためには、通常、より多くの計算能力とネットワーク帯域幅が必要であり、これによりノードの運用がより高価で困難になります。これにより、ネットワーク上のノード数が減少し、より集中化する可能性があり、その安全性や非中央集権性が損なわれる可能性があります。

したがって、不可能な三角形の問題は、ブロックチェーンがスケーラビリティを追求する際に直面するトレードオフと、真の非中央集権的でスケーラブルなブロックチェーンを実現する際の課題を浮き彫りにしています。

四、Layer2の実現方法

ブロックチェーンLayer2は、ネットワークのスケーラビリティを向上させ、取引速度を高め、コストを削減し、安全性を保証するために、基盤となるブロックチェーンプロトコルの上で動作するネットワークまたは技術を指します。Layer2技術は、一部の取引を第二層に移動させることにより、基盤となるブロックチェーンの取引手数料の混雑と高額な問題を効果的に緩和することができます。

基盤となるブロックチェーンが非中央集権性、安全性、可用性などの重要な側面に集中できるようにすることで、Layer2ソリューションはユーザー体験を向上させ、暗号業界全体の成長に重要な役割を果たしています。

現在、主流のLayer2ソリューションにはOptimistic Rollups、Zero-Knowledge Rollups、サイドチェーンなどがあります。

（一）Optimistic Rollupとは？

Optimistic RollupsはLayer2プロトコルの一種で、ユーザーがオフチェーンで計算と状態保存を実行できるようにし、イーサリアムブロックチェーンの処理速度を向上させ、取引手数料を削減します。

Optimistic Rollupsのオペレーターは、複数のオフチェーン取引を大量にパッケージ化してイーサリアムネットワークに提出するプロセスを通じて、固定コストを分散させ、最終的なユーザーの費用を削減します。

Optimistic Rollupsのアーキテクチャには、オンチェーンコントラクトとオフチェーン仮想マシンが含まれます。

Optimistic Rollupsの操作は、イーサリアム上で実行されるスマートコントラクトによって制御され、ブロックの保存、状態更新の監視、ユーザーの預金を追跡するコントラクトが含まれます。

Optimistic Rollupの最も顕著な2つのソリューションはArbitrumとOptimismです。

（二）ZK Rollupとは？

Zero-Knowledge Rollupsは別のLayer2ソリューションで、ZK証明を使用して最大数千の取引の有効性を検証し、最小限の要約データをメインチェーンに公開します。

ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof、ZKPs）は、一方（証明者）が実際の情報を開示することなく、他方（検証者）に秘密を知っていることや主張が真実であることを証明できる方法です。

これは、取引に関する機密情報を開示することなく取引を検証できるため、ブロックチェーン上のプライバシーを向上させるために使用できます。

Zero-Knowledge Rollupsの状態は、イーサリアムネットワーク上にデプロイされたスマートコントラクトによって維持されます。この状態を更新するために、Zero-Knowledge Rollupsノードは有効性証明を提出して検証を受ける必要があります。

この有効性証明は、提案された状態変更が実際に指定された取引バッチの結果であることを示す暗号的保証です。

これは、Zero-Knowledge Rollupsがイーサリアム上で取引を完了するために有効性証明を提供するだけで済むことを意味し、Optimistic Rollupsのようにすべての取引データをチェーン上に公開する必要はありません。

現在、Loopring、zkSync、Starknetなど、さまざまなZero-Knowledge Rollupsの実装が存在します。zkEVMを使用しているプロジェクトには、Polygon zkEVM、Scroll、Taikoなどがあります。

（三）Optimistic RollupとZK Rollupの技術特性比較図

この小節の内容はここまでです。これは「暗号基礎知識ノート」シリーズの第一部の内容です。知識アーキテクチャ図の中のさらなる内容については、引き続き連載していきます。完全版の「暗号基礎知識ノート」は連載更新が完了した後、統一してPDFに整理し、ダウンロードして読めるように提供します。

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