オデッセイ到来、あなたは本当にArbitrumを理解しているだろうか？

2022.06.24

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オデッセイ到来、あなたは本当にArbitrumを理解しているだろうか？

自己への疑念に耐え抜き、業界に対して継続的な思考と建設を続けてきた者たちだけが、最終的に暗号資産（Crypto）の発展による恩恵と成果を享受した。

2022.06.24 - 05:43:25

Arbitrum奥德赛

Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察

執筆：0xCryptolee、CIG Builder

技術監修：Jason（Arbitrum）

編集：呉極、CIG Labs マネージャー

Luna/USTのアルゴリズム型ステーブルコイン崩壊を経て、市場は持続的に下落し、その後3ACやCelsius、BlockFiなどの機関が相次いで流動性危機を発表した。暗号資産市場は複数の打撃を受け、BTCは前回のブルマーケット高値をすでに下回っており、多数のアルトコインも時価総額の大半を失った。

このような状況下で、業界内では多くの疑問の声が上がり、退場を検討する人もいれば、CryptoおよびWeb3の将来性に疑念を抱く者もいる。一連の下落と無数の批判の中、多くの人々が市場から追い出され、長期にわたりCryptoから離れていくことになった。しかし歴史的な経験から明らかなのは、自己への疑念に耐え、継続的に業界について考え、建設し続ける人々だけが、最終的にCryptoの発展による恩恵と成果を享受できるということだ。

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Layer2エコシステム各プロジェクトのTVL推移

Vitalikが「Rollup中心のイーサリアム発展ロードマップ」を発表して以降、鋭い洞察を持つ者たちは既に、Rollupがイーサリアムアプリケーションおよびエコシステムの中心として、イーサリアムの実行層機能を担うことになることに気づいており、これはイーサリアムの将来のトレンドであり、将来的なメタバースのインフラでもある。

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Rollup中心のイーサリアム発展ロードマップ（日本語訳）

Arbitrumは、現在イーサリアムエコシステム最大かつ最も成熟したRollup Layer2であり、他のLayer2ソリューションに対して先行優位を持っている。その今後の発展は、イーサリアムの安全性と非中央集権性という特性を活かすことで、他のパブリックチェーンや広義のLayer2競合を引き続きリードしていく可能性が高い。現在、Arbitrumのオデッセイイベントが盛り上がりを見せている。もし筆者と同じくArbitrumに強い関心を持っているならば、本稿を参考にして知識を深め、認知を高め、長期のベアマーケットにおいて信念を貫いてほしい。

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ArbitrumエコシステムのTVL推移

一、よく聞く話――不可能三角

Cryptoやブロックチェーンに参加している人であれば、「不可能三角」という言葉を耳にしたことがあるだろう。「不可能三角」とは、ブロックチェーンが同時に「非中央集権性」「安全性」「高性能」の三つの特性を達成することはできず、設計上はそのうち二つを選択し、一つをある程度犠牲にするしかないという概念である。

イーサリアムは安全性と非中央集権性を選び、その結果、性能面での弱点が後に続く競合からの攻撃対象となった。その隙を突き、競合たちは資本の支援を受けながらイーサリアムのトラフィックとエコシステムの一部を奪い、急速に台頭し、マルチチェーン競争の構図を形成した。

スマートコントラクトプラットフォームとしてのポジショニングゆえ、イーサリアムはビットコインの10分間隔のブロック生成時間と比べて大幅に短縮しており、PoW合意形成時では約13秒、PoS移行後は固定で12秒となっている。性能向上のために可能な限り最適化されているが、ブロック生成時間が短すぎたりブロックサイズが大きすぎると、P2Pネットワーク内での同期が困難になり、ネットワークの安全性に脅威を与える。イーサリアムには数千ものノードがあり、クライアントが同期を完了するには十分な時間を確保しなければならない。さもなくば、同期遅延によりフォークが発生しやすくなり、ネットワークの安全性と非中央集権性が損なわれる。

一方、他のパブリックチェーンやサイドチェーンの多くは、高いTPSと高性能を追求するあまり、非中央集権性を放棄している。ごく少数のノードだけで合意形成を行い、ノード間の同期時間とブロック容量を改善することで性能を高め、多くのユーザーを惹きつけている。

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ブロックチェーンの不可能三角

ここで多くの人は「これでもいいのではないか、利用体験が良くなるのだから」と思うかもしれない。しかし、こうした高性能には大きな代償が伴う。例えば、Axie Infinity専用に作られたサイドチェーンRoninの例を見てみよう。2022年3月31日、Roninの開発会社Sky Mavisは、クロスチェーンブリッジから17.36万ETHおよび2550万ドル相当の現金がハッカーに盗まれたことを公表した。被害総額は6.1億ドルにのぼる。

事後の分析によると、ハッカーはRoninのバリデーターノードおよびAxie DAOのバリデーターノードの秘密鍵を盗み、引き出しを偽造することでブリッジ内の資産を盗んだ。Roninブリッジは9つのバリデーターノードで構成されているが、ハッカーはそのうち5つのノードを掌握しただけで資産を盗むことに成功した。このことから、非中央集権性と安全性を犠牲にして得た高性能は、極端な状況下では非常に脆弱であることがわかる。

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PeckShieldが整理した資産盗難および転送経路

長々と述べてきたが、ここであらためてブロックチェーン誕生の原点に戻って考えてみよう。2008年、中本聡がBTCを創造した理由は不明だが、BTCの登場によって「中央銀行の通貨に挑戦する、非中央集権的で十分に安全な電子マネー」が現実のものとなった。

その成長と試行の道のりは長く曲折しているが、それが成功するかどうかはわからない。それでも、人々が抱く非中央集権への理想を確かに体現している。ビットコインに続いて、イーサリアムは最も非中央集権的なブロックチェーンと言える。開発者コミュニティは非中央集権性と安全性を最優先に位置づけ、それがイーサリアムの成功を大きく支えた。なぜなら、人々がブロックチェーンを創造し参加する原点とは、「単一のポイントで制御されることのない、非中央集権的で安全なシステム」をこの世界に築きたいという思いにあるからだ。イーサリアムはこの道を歩み続けている。それは、未来のメタバースと現実世界が共存する基盤となるかもしれない。メタバースは国境や地域を超えた交流融合を可能にするが、その基盤にもやはり非中央集権的で十分に安全なインフラが必要となる。

従って、イーサリアムおよびそのエコシステムは、将来において最良の選択肢となり得る。しかし、それゆえにイーサリアムの性能向上を諦めるべきだろうか？決してそうではない！かつてのイーサリアムのスケーリング案——例えばPlasmaやサイドチェーンなど——は比較的安全性に欠ける道を進んできた。しかしRollupやモジュラー型ブロックチェーンの提案によって、ついに不可能三角に緩みが生じ始めたのである。

二、モジュラー型ブロックチェーン

モジュラー型ブロックチェーンとは、ブロックチェーンの実行層、合意形成層、データ可用性層などを分離し、スケーラビリティと性能を向上させるアプローチを指す。マージ以前のイーサリアムメインネットは実行層として動作しており、仮想マシンを稼働させて世界状態の変更やスマートコントラクトの実行を行う、つまりDappの稼働や取引処理を行う場所であった。マージ後、Beacon ChainはPoW合意形成を置き換えて合意形成層として機能し、新ブロックの生成権を決定する。従来のマイニング方式とは異なり、ハッシュ計算を繰り返す必要はなく、ランダムに選ばれたバリデーターがブロックを生成する。また、ブロック提案者とブロック生成者の役割を分離することで、悪意のある行為をさらに抑止する。これにより、合意形成層と実行層が分離された。

現在のシングルスタック型ブロックチェーンでは、合意形成、実行、データ可用性（D/A）がすべて同一レイヤーで行われているが、Rollupの設計により実行がオンチェーン外へ移行し、取引の実行と状態遷移がオフチェーンで行われるようになった。その上で、データはイーサリアムメインネットにアップロードされてデータ可用性が保証されるため、実行層とデータ可用性層が分離される。

モノリシックブロックチェーンはCPUの進化過程のように、モジュラー型ブロックチェーンへと進化しつつある。これはブロックチェーンが三重のジレンマを乗り越える最良の方法であり、Rollupは不可能三角の突破口として極めて重要な役割を果たしている。

三、Rollupによるスケーリング

Rollupは、V神が提唱したLayer2スケーリングソリューションであり、コミュニティから現在のイーサリアムスケーリングの最適解と見なされている。現在の主流なRollup手法はOptimistic RollupとZK-Rollupの二種類がある。OP-Rollupは詐欺証明（fraud proof）メカニズムで安全性を確保しており、代表的な実装にはArbitrumやOptimismがある。ZK-Rollupはゼロ知識証明（zero-knowledge proof）で安全性を確保しており、汎用的な実装としてはzksyncやStarknetなどが挙げられる。その他にも、ObscuroのようなTEE Rollupソリューションもイーサリアムのスケーリングに貢献している。

所謂Rollupとは、本来メインチェーンで行われる計算と一部のデータストレージをオフチェーンに移すことで、メインチェーンの計算負荷を分散させ、計算結果のみをcalldata形式でイーサリアムメインネットに送信・保存する仕組みである。メインネットに保存されるデータは、Rollupチェーンを復元するために必要な最小限の情報であり、詐欺証明やゼロ知識証明によってメインチェーンに送信されたデータの正確性が保証される。これにより、Rollupはイーサリアムメインチェーンの安全性を継承できる。Rollupによるスケーリングは、イーサリアム拡張において最も有望な方向性となっており、Arbitrumはその中でも重要な地位を占めている。

四、Arbitrumのアーキテクチャ設計の詳細

1. Ethereum Layer1メインネット契約

前述の通り、Rollupはデータをイーサリアムメインネットにアップロードすることでデータ可用性を確保している。具体的にはどう実現しているのか？イーサリアムメインネット上に、Arbitrumはinbox契約、outbox契約、ETHBridge、Rollup契約といった主要なスマートコントラクトを展開している。

● inbox契約：イーサリアムメインネット上に設置されたArbitrum専用の「受信箱」とも言える存在。Sequencerが提出したcalldataデータを格納する。検証者やエコシステムの他の参加者は、inbox契約内のデータをもとに、ローカル環境で完全なSequencerチェーンを再構築できる。

● outbox契約：Layer2からLayer1へ戻るメッセージを受信するための契約。例えば、Arbitrum公式ブリッジで資産を巻き戻した場合、7日間のチャレンジ期間を経て、ユーザーは公式ブリッジで資産のclaimを行う必要がある。これにより、資産がイーサリアムメインネットに戻るプロセスが完結する。

● ETHBridge：ETHBridge契約はArbitrum公式ブリッジを管理しており、ユーザーが資産をブリッジ契約に預けると、イーサリアムメインネット上で資産がロックされ、リトライ可能チケットを通じてArbitrumに資産が転送される。

● Rollup契約：イーサリアムメインネット上で詐欺証明を実行する。オフチェーンで紛争のある主張が特定された後、Rollup契約は該当取引を再実行し、正誤を判定し、悪意のある当事者のステーキング資産を没収する。

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Arbitrumアーキテクチャ

2. Sequencer Chain

Sequencer Chainとは、Sequencer（定序器。Layer2の取引をまとめて並べるフルノード。つまりLayer2ネットワークのブロック生成ノード）がRollup内の取引をLayer2ブロックにパッケージ化し、チェーン構造で接続したブロックチェーンを指す。そのデータ構造は一般的なブロックチェーンと同様であり、Layer2の取引データはすべてSequencer Chainに保存される。ユーザーが取引を発行すると、RPC（リモートプロシージャコール）を通じてRPCノードに送信され、さらにSequencerノードに転送される。Sequencerはユーザーの取引を受信すると即座にパッケージ化し、Layer2取引の一次確定を実現する。

一定期間の取引を収集した後、Sequencerはそれらを一括してまとめ、圧縮した上でcalldata形式でイーサリアムLayer1上のSequencer inbox契約にアップロードする。これにより、データ可用性はイーサリアムメインネットに委ねられ、実行はLayer2に移管されるという設計が実現される。これでLayer2の二次確定が完了する。ここでいくつかの疑問を提起し、Sequencerの詳細について考察してみよう。

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Arbitrum Sequencer Chain

● 問題一：Sequencerは合意アルゴリズムによる競争なしにブロック生成権を持ち、しかもArbitrum公式がこれを握っている。これはLayer2の中央集権化を意味するのか？

● 問題二：SequencerはMEV（採掘可能価値）をどのように処理しているのか？

● 問題三：SequencerがSequencer Chainの進行を主導する主要ノードだが、もしダウンしたらLayer2の取引はどうなるのか？

まず最初の問題について。現在SequencerはArbitrum公式が運営しているが、これはプロジェクト初期段階であるためであり、プロジェクト側がSequencerを握ることで、安全なアップグレードやArbitrumの推進が可能になる。確かにチェーンの支配に関してはある程度の中央集権化の懸念があるが、inbox契約にアップロードされたデータに基づけば、ユーザーはLayer2の全取引履歴を再構築でき、Layer2の資産をLayer1に確実に巻き戻せる。資産所有権の観点からは十分に安全であり、その根拠はLayer1の安全性にある。また、プロジェクトが成熟すれば、Sequencerも徐々に非中央集権化され、コミュニティとArbitrumプロジェクトチームが共同で管理・運営することになると見込まれる。現在、ArbitrumとChainlinkは非中央集権化された定序器の開発で協力しており、今後Sequencerの非中央集権化を推進していく予定である。

二つ目の問題については、まずMEVの構成を理解する必要がある。MEVには取引手数料とサンドイッチアタックによる利益が含まれる。現在SequencerはArbitrum公式が運営しており、Layer2の取引は「先着順」で処理され、サンドイッチアタックは発生せず、Layer2の計算・ストレージ費用およびcalldataをメインネットinbox契約にアップロードするガス代のみを徴収している。Sequencerが非中央集権化されれば、多数の参加者がランダムに選ばれてSequencerノードを務めることになり、その際にはMEVの獲得を巡るゲーム理論的駆け引きが生じるが、Arbitrumのロードマップとしては、MEVの適正な抽出と最小化を目指している。

三つ目の問題、Sequencerノードがダウンした場合、Layer2の取引は処理不能になるのか？実はそうではない。Arbitrumの設計段階でこの問題は考慮されており、Sequencerがダウンしても、ユーザーがLayer2で発行した取引はLayer1のRPC呼び出しを通じて、Layer1のDelayed inbox契約に送信され、取引の処理と保存が保証される。

3. Rollup Chain

前述したように、Layer2の取引はSequencerによってパッケージ化され、calldata形式でLayer1のinbox契約に送信される。では誰が、このLayer1に保存されたデータが真実であるかを検証するのか？Sequencerがアップロード時に虚偽の取引を混入していないか？ここでOptimistic Rollup特有の「詐欺証明」メカニズムが登場する。Sequencerがinbox契約に送信するデータはすべて公開されており、ネットワーク参加者全員が監視可能であり、これが詐欺証明の基礎となる。

悪意ある行為者にとって常に不確実なのは、どれだけの参加者がチェーン上のデータを監視しているか分からないことである。そこで新たに「Rollup Chain」、すなわち検証者チェーンが導入される。条件さえ満たせば誰でも、inbox契約内のcalldataを使って自らの環境でSequencerチェーンをローカルに実行できる。inbox契約のデータはLayer2の状態を再現するための最小限の情報であるため、すべての取引を再実行することで、Sequencerが悪意を持っていないかを確認できる。

しかし、本当に全員がArbitrumの状態を維持すべきだろうか？明らかに不可能である。実際には、取引所などArbitrum上に大量の資産を持つ参加者のみが、自らの資産安全を確保するためにローカルで状態を維持する。だからこそ「多くのSequencer Chainが存在する」と言われるが、実際にはArbitrum自身が運営するSequencerチェーンのみがネットワークを支える主幹となる。

Rollup Chainとは、ネットワーク内の検証者がネットワーク状態にステーキングを行うことで形成されるチェーンであり、イーサリアムメインネット上で動作する。例えば、ある期間内に検証者はSequencerがinbox契約にアップロードした状態に対してステーキングを行う。つまり、正しい取引に賭ける形で、ETHをステーキングして「この取引履歴は正しい」と主張する。

すべての取引が正しい場合、チェーンの状態は正常に更新されていく。しかし、もし誰かが悪意を持ち、誤った取引状態にステーキングした場合、正しくステーキングした検証者と衝突が生じ、Rollup Chainに分岐が発生する。正義の検証者と悪意ある行為者は、二分探索的手法で紛争のある取引を特定し、そのデータをLayer2で調査する。紛争区間が特定された後、Layer1に展開されたRollup契約が紛争取引を再実行し、両者の主張を裁定する。最終的に悪意ある行為者のステーキングETHは没収され、その一部が正義の検証者に報酬として与えられる。

ネットワーク攻撃を防ぐため、没収されたETHの一部は焼却され、正義の検証者と悪意ある行為者が結託してネットワークをゼロコストで攻撃するリスクを排除する。以上がRollup Chainと詐欺証明の仕組みである。簡単に言えば、多数の参加者がローカルで完全なLayer2状態を維持しており、悪意ある取引がチェーン状態を改ざんしようとしたとき、参加者たちが詐欺証明を通じてチェーンを正しい方向に導く。詐欺証明のチャレンジ期間は7日間であり、7日経過後、取引状態が確定し、変更不可となる。これがLayer2取引の第三段階の確定であり、イーサリアムメインネットがフォークしない限り、これが最終確定状態となる。

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Arbitrum Rollup Chain

4. Nitro

現在Arbitrumが運用しているネットワークはArbitrum Oneである。Offchain Labsはmimi言語を使ってAVM（Arbitrum Virtual Machine）を開発した。AVMはArbitrum上でEVMと互換性を持つ仮想マシンであり、イーサリアムメインネット上で動作するDappは、ほぼ何も変更せずにArbitrumに移行できる。これはArbitrumがバイトコードレベルでEVMと互換性を持っているためであり、開発者はコード調整をほとんど行わずにアプリケーションをArbitrumにデプロイできる。

NitroはArbitrum Oneのアップグレード版であり、Nitroではgasモデルが最適化され、Arbitrumの開発体験がイーサリアムメインネットにさらに近づき、開発者とユーザー双方にとってより使いやすくなった。さらに、NitroアップグレードではAVMが削除され、代わりにWASMでコンパイルされたGo-Ethereumが採用される。Go-EthereumはGo言語で書かれたイーサリアムクライアントであり、現在イーサリアムメインネットで最も広く使われているクライアントである。このアップグレードにより、詐欺証明がLayer2上でより効率的に動作し、ユーザー体験も大幅に向上する。すべてのアップグレードはスムーズに行われ、ユーザーが直接感じる変化は「Arbitrumがより使いやすくなった」というものになる。

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5. Anytrust

Anytrustチェーンは、ArbitrumがNitroスタック上に構築した新たなチェーンであり、これらはほぼ同時期にリリースされ、並行して運用される見込みである。Anytrustはノード委員会によって運営される。従来のサイドチェーンと比べ、Anytrustが前提とする「信頼」の度合いは小さい。従来のサイドチェーンでは、チェーンの安全性を保つために2/3以上のノードが誠実である必要があるが、AnytrustはRollupの機能に依存しており、ごく少数のノードが誠実であれば安全が保証される。委員会メンバーの多くが協力を拒否しても、チェーンはRollup状態にロールバックすることで正常に稼働し続けられる。委員会が通常運営に戻れば、再びAnytrustモードに切り替わる。

Anytrustの導入は、主にチェーンゲームなど高頻度取引を要するアプリケーション向けである。Nitroがすでに高いスケーラビリティを実現しているとはいえ、チェーンゲームなどのニーズに対応し、エコシステムのバランスを保つために、Anytrustは開発者にさらなる選択肢を提供し、プロジェクトやエコシステムの構築を容易にする。

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五、大局を見据える

市場下落と冷え込んだ相場の中で、私たちは感情的に揺れ動くことがある。しかし、疑問を持つことを学ぶことで、混乱の中でも本質をより明確に捉えることができる。真に破壊的な革新は、市場の変動によって打ち倒されることはない。それを打ち倒せるのは、より破壊的な革新だけである。Rollup技術はイーサリアムのスケーリングを解決する画期的な技術であり、イーサリアムの性能課題とニーズに真正面から取り組んでいる。Rollupに、そしてArbitrumに信頼を寄せよう。イーサリアムのスケーリングの道は険しいが、優れたチームが日々前進し、製品を構築し続けていることに感謝すべきである。私たちはこのような環境の中で冷静に思考し、どのように参加・構築・問題を改善できるかを考えるべきだ。そうすることで頭がクリアになり、探求の過程でさらに驚くべき革新を発見できるだろう！

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