出典：LD Capital Research
著者：0xRJ_eth（Twitter：@0xRJ_eth）
今回は主に上から下へ、そして時間軸に沿った視点でイーサリアムのスケーリングソリューションを整理しました。内容には現在ではあまり言及されなくなった古いソリューションも含まれており、中には聞いたこともないものもあるかもしれません。
しかし、大枠と相互の論理関係を明確にすることは非常に重要だと考えます。これにより、スケーリングの発展がどのような革新や組み合わせを経て、どのような問題に直面し、各時代の市場関心がどこにあったのか、そしてなぜ現在ロールアップソリューションが優勢になったのかを理解できます。これらは大きな方向性を把握する上で役立ちます。
個人的にリサーチを行っていた際、ネット上にはこの観点からの包括的なまとめや比較記事があまり見当たりませんでした。
当初、私はスケーリングについて全く知識がなく、多数のソリューションがあり、それぞれに長所短所がある上、似通っているものも多く、なぜそうなのか理解できず、多くの時間をかけて各時代の資料を掘り下げました。
しかし、ここ2週間ほどで、時間軸を加味した整理が私にとって非常に有益であることに気づきました。
ただし、本日の情報量はかなり多くなる予定です。避けられないほど多くの技術用語や概念に触れることになりますが、最後まで読めば、スケーリング分野全体のフレームワーク構築と論理的整理に大いに役立つはずです。
一、背景
第一層のイーサリアムブロックチェーンでは、ネットワーク利用需要の増加によりネットワークが混雑し、取引コストが高騰しています。
ストレージ容量、ネットワーク速度、およびトランザクション処理能力（TPS）の向上は、イーサリアムの大規模採用に不可欠な基盤です。
そのため、スケーリング（Scaling）が必要となります。
二、目的
スケーリングの核心目的は、分散性とセキュリティを維持しつつ、取引速度（迅速な確定）と取引スループット（毎秒取引数TPSの向上）を高めることです。
三、スケーリングソリューション
スケーリングソリューションは大きく2種類に分けられます——On-Chain（レイヤー1）とOff-Chain（サイドチェーン＋レイヤー2）です。
オンチェーン（On-chain）スケーリング
ブロックチェーン自体のパフォーマンスを向上させる方法であり、第一層メインネット／イーサリアムプロトコルの変更が必要です。これがいわゆる「レイヤー1」です。レイヤー1ネットワークとは、基礎となるブロックチェーンの別称です。イーサリアム（ETH）以外にも、ビットコイン（BTC）、Solana、Polkadot、Near、Cosmos、Aptos、Suiなどもレイヤー1プロトコルに該当します。なぜなら、それらはそれぞれのエコシステムにおける主要ネットワークだからです。レイヤー1プロトコルは、自らのブロックチェーン上で取引を処理・完了でき、取引手数料の支払いに使用されるネイティブトークンを備えています。
（全体としてのレイヤー1スケーリングは、イーサリアムアップグレードの重要な一部ですが、ここでは概念の概要のみ紹介し、詳細は割愛します）
オンチェーン（Layer 1）スケーリングの選択肢には以下があります：
a. 合意形成メカニズムの変更。イーサリアムのアップグレードでも採用された方法です。数週間前のビーコンチェーンとメインネットのマージにより、PoWからPoSへの合意メカニズムの移行が完了しました。
b. シャーディング（sharding）の実施。シャーディングは一般的なレイヤー1拡張ソリューションで、主に取引スループットを増加させるために使われます。これはコンピュータ科学におけるデータベース分割技術で、ネットワークとそれに接続するノードを異なるシャードに分割し、負荷を分散して取引速度を向上させます。各シャードはネットワーク活動の一部を処理し、それぞれ独自の取引、ノード、ブロックを持つことになります。また、各検証者の負担を軽減できます（全ネットワークの取引を処理・保存する必要がなくなるため）。各ノードは自身の作業をメインチェーンに書き込み、リアルタイムでローカルデータを共有します。これは以前の「イーサリアム2.0」計画に含まれていたスケーリング手法でしたが、現在はDankshardingに置き換えられています。
c. ブロックサイズの拡大。各ブロックがより多くの取引を処理できるようにします（現在のイーサリアムアップグレード「proto-danksharding」も同様のアプローチです。この部分のアップグレードについては別途解説予定です）。レイヤー1スケーリングは大規模な変更を伴います。多くの場合、ネットワークユーザー全員がこうした変更に同意するわけではなく、コミュニティの分裂やハードフォークを引き起こす可能性があります（2017年のビットコイン分裂によるBitcoin Cashの誕生がその一例です）。
オフチェーン（Off-chain）スケーリング
すべてのオフチェーンスケーリングは、第一層メインネットとは独立して実施され、既存のイーサリアムプロトコルを変更する必要はありません。
ロールアップは大まかに2種類に分けられます：Ⅰ. サイドチェーン；Ⅱ. レイヤー2（L2）ソリューション。
Ⅰ. サイドチェーン
サイドチェーンは独立して稼働するブロックチェーンであり、そのセキュリティは完全に自身のプロトコルメカニズムに依存しています。これが、サイドチェーンと現在主流のオフチェーンスケーリングソリューションであるレイヤー2との最大の違いです。
また、他のレイヤー1パブリックチェーンと比べた場合、サイドチェーンはイーサリアムの過剰な処理需要を扱うために専用化されており、イーサリアム全体と競合するのではなく、補完的に機能します。これらのエコシステムはイーサリアムコミュニティと密接に連携し、イーサリアムアプリケーションをホストしています。
この分類に関して、ネット上の多くの記事は混乱しており、サイドチェーンをレイヤー2に含めてしまっています。ここでは、イーサリアム財団とサイドチェーンホワイトペーパーでの定義を参考にしています。
https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/sidechains/
第2のオフチェーンスケーリングは、前述の通りよく知られているレイヤー2ソリューションです。基本的な考え方は、「チェーン外での計算／実行、結果をチェーン上に記録」し、オフラインでバッチ処理を行うことです。直接第一層イーサリアムコンセンサスから安全性を得ます。さまざまなレイヤー2ソリューションは、セキュリティ、スケーラビリティ、分散性、汎用性の間でバランスを取っています。
まずはサイドチェーンについて見ていきましょう：
サイドチェーン（Side Chains）は、イーサリアムメインネットと並列かつ独立して稼働する独立したブロックチェーンです。
通常、効率的な取引処理のために設計されています。第二層スケーリングソリューションとの最大の違いは、状態変更や取引データをイーサリアムメインネットに送り返さないこと。そのため、イーサリアムのセキュリティ属性を継承しません。
サイドチェーンは、高いスループットを実現するために、ある程度の分散性やセキュリティを犠牲にしていることが一般的です。
サイドチェーンは主に、双方向ペグ型クロスチェーンブリッジ（two-way pegged cross-chain bridge）を通じてメインネットと接続・相互操作を行います（この概念はすぐに詳しく説明します）。ここで言う「双方向ペグ」とは資産の双方向ペグを指し、資産がメインチェーンとサイドチェーンの間で相互に転送されることを意味します。ただし注意すべきは、資産が実際に移動しているわけではなく、「一方のチェーンでロックし、他方のチェーンで同等額の資産を発行（ミント）する」ことで「クロスチェーン」を実現している点です。双方向ペグ型クロスチェーンブリッジを構築するプロジェクトはすべてサイドチェーンと見なされます。
まずは双方向ペグ型クロスチェーンブリッジ（two-way pegged cross-chain bridge）について理解しましょう：
この概念は、BlockStreamが2014年に発表したサイドチェーンホワイトペーパーで提唱されました。双方向ペグとは、メインチェーン上の特定資産（例えば10ETH）を特定アドレスにロックすることを指します。その後、サイドチェーン上でこの「ロック取引」の存在を証明し、等価のデジタル資産がラップドトークン（wrapped token）としてサイドチェーン上に発行されます（例えば10wETH）。この10wETHはサイドチェーン上で自由に取引できます。逆も同様で、ユーザーがメインチェーンでETHを取り出す際には、サイドチェーン上で同等額のラップドETHを燃やす（バーン）ことで可能です。
メインチェーンでトークンをロックし、サイドチェーンで（ラップド）トークンを発行（ミント）。サイドチェーンでトークンを破棄（バーン）し、メインチェーンでトークンを引き出す。
https://medium.com/techskill-brew/layer-2-blockchain-scaling-solutions-channels-sidechains-rollups-and-plasma-part-16-79819e058ef6
サイドチェーンの実行環境はメインチェーンと同じで、EVM（イーサリアム仮想マシン）に基づいています。しかし、独自の帳簿システム、合意アルゴリズム（例：権威証明、委任権益証明、ビザンチンフォールトトレランス）、スクリプト契約などを備えています。異なる目標を達成するために、セキュリティの確保方法も異なります。
具体例を見てみましょう：
1、中央集権型（Centralized / basic third party authority）：ブロックチェーン間でデジタル資産を移動させる最も単純な現行方法です。ユーザーがメインチェーン上の資産を中央管理者（取引所など）に送金すると、管理者はサイドチェーン上で同等の資産を有効化します。この方式の最大の欠点は、極度の中央集権化です。
2、連盟型（Federation - multisig federation）：複数の公証人からなる連盟が、単一の保管者に代わって、マルチシグ署名によってサイドチェーン上の資産移動を確認します。この方式では、メインチェーン上の凍結資産を盗むには、より多くの機関を突破する必要がありますが、依然として公証人連盟の誠実性に依存するため、中央集権的です。
3、SPV（Simple Payment Verification）方式：上記2つの方式はいずれも第三者に安全を委ねるもので、中央集権的です。
SPV（簡易支払検証）は、ナカモト氏が『ビットコイン白書』（『Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains』も参照、リンクを下に掲載）で提唱した概念で、ビットコインの基盤技術の重要な一部です。これはより高いセキュリティを持つ非中央集権的アプローチです。
SPVは取引の存在を証明する方法で、特徴は少量のデータで特定ブロック内に取引が存在するかを検証できることです。
SPV方式では：
1. ユーザーはメインチェーン上で資産を特殊アドレスに送信し、資産をロックします。
2. メインチェーン上で確認期間を待ちます。これは、親チェーン上で資産がロックされている期間で、子チェーンへの転送前に十分な作業量を生成することで、次の待機期間中のサービス拒否攻撃を困難にするのが目的です。典型的な確認期間は1〜2日程度です。
親チェーンに特殊出力が生成された後、ユーザーは確認期間の終了を待ち、次に子チェーン上でその出力を参照する取引を作成し、それが親チェーン上で十分な作業量により覆蓋されていることを示すSPV証明を提供します。確認期間は子チェーンに依存するセキュリティパラメータで、クロスチェーン取引の速度とセキュリティの間のトレードオフです。
3. 親チェーンの確認期間が終わり、資産が確実にロックされたら、SPV証明を作成し子チェーンに送信します。その後、このSPV証明を含む取引が子チェーン上に現れ、同等価値の子チェーン資産が生成されます。
4. 生成された子チェーン資産は一時的にロック状態になり、次にユーザーは競争期間を待つ必要があります。この期間中、新しく転送されたコインは子チェーン上で使用できません。競争期間の目的は、再編時に二重支出を防ぐことです。再編期間中に先にロックされたコインが転送された場合、遅延期間中に新しい作業証明が発表され、累積作業量の多いチェーンにロック出力ブロックが含まれていない場合、その転送は無効とされます。これを再編証明と呼び、二重支出を防ぐために競争期間を待つ必要があります。競争期間中にユーザーが親チェーン上でロックされたコインを転送した場合、他のユーザーが最新のSPV証明を提出すれば、子チェーンのミント取引は無効となり、これを再編証明と呼びます。
可能な限り、すべての子チェーンユーザーは再編証明を提出するインセンティブを持ちます。なぜなら、不正な証明を認めると、すべてのコインの価値が希薄化するためです。
5. 典型的な競争期間も1〜2日です。競争期間が終われば、子チェーントークンが生成され、子チェーン内で自由に移動可能になります。親チェーンとのさらなるやり取りは不要です。ただし、親チェーンのコインとしての身分は保たれ、元のチェーンにのみ戻すことができます。
6. ユーザーがコインを子チェーンから親チェーンに戻す際は、上記手順を繰り返します。子チェーン上でコインをSPVロック出力に送信し、その出力が完了したことを示す十分なSPV証明を生成し、この証明を使って親チェーン上で以前にロックされていた同等価値の出力を解除します。
（あまり重要ではない）ドライブチェーン（Drivechain）：ドライブチェーンの概念は、Bitcoin Hivemind創設者Paul Sztorc氏が提唱しました。ドライブチェーンでは、マイナーが「アルゴリズム的代理監護人」として、サイドチェーンの現在の状態を監視します。マイナーは資金の託管者となり、ロックされた資産の管理権をマイナーに委ね、マイナーが投票によりいつ資産を解除し、どこに送金するかを決定できます。マイナーはサイドチェーンの状態を監視し、サイドチェーンからの要求を受け取ると、要求の真偽について合意する協調プロトコルを実行します。ドライブチェーンにおける正直なマイナーの参加度が高いほど、システム全体のセキュリティも高まります。
（あまり重要ではない）ハイブリッド方式：ドライブチェーン + 公証人／サイドチェーン。ハイブリッド方式は、上述の双方向ペグ方式を組み合わせたものです。メインチェーンとサイドチェーンの実装メカニズムに本質的な違いがあるため、対称的な双方向ペグモデルでは不十分な場合があります。ハイブリッド方式では、メインチェーンとサイドチェーンで異なる解除方法を使用します。例えば、サイドチェーンではSPV方式、メインチェーンではドライブチェーン方式を使うなどです。
データ可用性（DA）：
データ有効性に関して、サイドチェーンはデータをサイドチェーン上に保存し、メインチェーンにペグバックしないため、サイドチェーン自身のバリデータによって保証され、セキュリティは大幅に低下します。
サイドチェーンプロジェクト：
Polygon - プロジェクト範囲は単一のレイヤー2プラズマソリューション（旧Matic Network）から始まり、現在はイーサリアム互換のブロックチェーンネットワークとスケーリングソリューションを作成するためのスケーリングフレームワークにまで拡大しています（単一のソリューションというよりプロトコルに近い）。目標はイーサリアム周辺に多角形のようなマルチチェーンネットワークを構築することです。現在7つのスケーリングソリューション（zkロールアップ、サイドチェーン、SDKなど）を開発中です。Polygon POSサイドチェーンはこの分野のリーダー的存在です。Polygonチームは、将来においてもイーサリアムが高価値取引と価値貯蔵の支配的ブロックチェーンであり続け、日常取引はPolygonの低コストブロックチェーンに移行すると考えています。そのため、Polygon POSサイドチェーンはイーサリアムメインネットと直接競合するのではなく、スケーリング支援を通じて価値を提供します。
Gnosis Chain - 元々xDaiサイドチェーンとしてスタートし、後にGnosisと統合して開発されたGnosis Chain。低コストとイーサリアム互換性が2つの主要な売りポイントです。
Skale - イーサリアムの「弾力的なサイドチェーンネットワーク」として位置付けられ、数千の独立したブロックチェーン、サイドチェーン、ストレージチェーン、その他のサブチェーンをサポートできます。これらのブロックチェーンはすべてイーサリアムメインネットに接続され、イーサリアムエコシステムと完全に互換性があります。
Palm - イーサリアム共同創設者Joseph Lubin氏、ConsenSys創設者、映画プロデューサー兼Heyday Films所有者David Heyman氏、アートテックグループHENI Group創設者Joe Hage氏が関与。NFTを構築できるイーサリアムサイドチェーンです。
Ronin - チェーンゲームAxie Infinityの開発会社Sky Mavisがリリースした、ゲーム向けのサイドチェーン。ゲームには高速なインタラクションと低手数料が必要で、毎日発生する何万乃至何百万もの取引を拡張・促進する必要があります。ユーザーエクスペリエンスはスムーズで使いやすい必要があります。そのため、開発チームは自ら開発を開始しました。
シャードチェーン - 元々のethアップグレード案（eth 2.0）におけるシャードチェーンも、eth自身のサイドチェーンの亜種に該当します。
長所と短所：
+ve：
1） サイドチェーンの互換性は非常に高く、汎用計算をサポートし、EVM互換でスマートコントラクトもサポートできます。
2） 大規模で複雑な取引においても、サイドチェーンのTPSは非常に高くなります。サイドチェーンの設計自体が、ある程度の分散性やセキュリティを犠牲にして高スループットを実現するためです（ブロックチェーン不可能三角を参照）。
3） サイドチェーンの主な目的は、メインチェーンの混雑を緩和し、コストを下げ、イーサリアムエコシステムの可用性と拡張性を高めることです。
4） 開発者はサイドチェーンを使って、メインチェーン上では利用できない新機能やユースケースを探求・テストできます。そもそもサイドチェーンの概念はどのように生まれたのでしょうか？2012年、ビットコインのコア開発チームが、ソフトウェア障害が起きた場合に既存のビットコインネットワークに深刻な影響を与える危険性を懸念しながら、安全にビットコインプロトコルをアップグレードする方法を模索していました。また、ビットコインのネットワーク構造上、大規模な変更には大多数のマイナーの支持が必要でした。そこで、ビットコインのコア開発者がサイドチェーン案を提案したのです。
つまり、最初のサイドチェーンは、開発者が新機能を他のブロックチェーンに試験的に追加し、それを既存のビットコインブロックチェーンに接続することで、親チェーンネットワークを保護することを目的としていました。
-ve:
1） ロールアップやチャネルとの主な違いは、ロールアップとチャネルはイーサリアムメインネットワークのセキュリティを継承するのに対し、サイドチェーンは独自の合意メカニズムを採用しているため、通常はイーサリアムのセキュリティ属性を継承しません。技術的には、サイドチェーンソリューションはレイヤー2に該当しません。
2） 分散性が低い。
3） チャネルソリューションと比べて、プライバシー性が弱い。サイドチェーン上では、すべての取引がサイドチェーンに公開され、サイドチェーン上のすべての参加者が受信するためです。
Ⅱ. レイヤー2（L2）ソリューション
基本的な考え方は、チェーン外での計算／実行、結果をチェーン上に記録すること。データはオフラインでバッチ処理されます。この方法は第一層イーサリアムコンセンサスから直接安全性を得るもので、以下のソリューションが含まれます：
A. チャネル（Channel）
これは非常に初期の、由緒あるブロックチェーン拡張ソリューションで、最も有名な応用例はビットコインのライトニングネットワークです。可用性よりもセキュリティを重視しています。
参加者は、ETH預入などのイーサリアムの一部ステートをマルチシグ契約にロックする必要があります。この初期ステートが最初の取引となり、チャネルが開かれます。その後、参加者はチェーン外で迅速かつ自由に取引できます。やり取りが終了したら、最終ステートをチェーン上に提出し、チャネルを閉じます。
さらに細分化すると、2種類あります：支払いチャネル（Payment Channel）とステートチャネル（State Channel）：
支払いチャネル（Payment Channel）：まずメインチェーン上にマルチシグアドレスを作成します。例えば、AとBがこのようなマルチシグ契約を作成し、資金は両者の合意のもとでのみ移動可能になります。双方が10ETHずつ預け入れると、この初期状態が支払いチャネルのオープンとなります。その後、チェーン外で数十乃至数千回の取引を行い、各取引には両者の署名とタイムスタンプが必要です。最終的にAが5ETH、Bが15ETHとなったとします。しかし、これら多数の取引をブロックチェーン上に記録する必要はなく、初期資金取引と最終残高分配の2件だけを記録すればよいのです。最終残高をメインチェーンにアップロードすれば、チャネルのクローズとなります。
AとBにとっては、チェーン外の取引は手数料がかからず、ほぼ即時で完了します。マイナー手数料を支払う必要もなく、ブロックの確認も待つ必要がありません。
ステートチャネル（State Channel）：これは支払いチャネルの派生形で、名前からもわかるように「ステート」に焦点を当てています。つまり取引ステートだけでなく、ゲームステートやイベントステートなども扱えます。例として、五目並べのゲームを開始します。まず新しい「審判」プログラムを作成し、初期賭け金を投入することで、ステートチャネルが開かれます。棋譜の進行はブロックチェーンに取引として送信されません。しかし、一手ごとに双方が署名しタイムスタンプを付けてから、次の一手を打つ必要があります。ルールに従って勝者が決まった時点で、ゲーム終了となり、aとbがゲーム結果に基づいて賭け金を分配するステート更新に署名します。これにより、ステートチャネルが閉じられたことになります。
データ可用性（Data Availability：DA）：
すべてのデータはレイヤー2に存在し、DAはチャネル参加者自身が保証します（送金やゲームの全過程は参加者aとb自身が維持管理する必要があります）。
ステート有効性（State Validity：SV）：
チャネル終了後、どちらの当事者も最終ステートをレイヤー1に提出できますが、レイヤー1は検証せず、提出者に預託を求めます。その後1週間の不正行為証明（Fraud Proof）期間があり、誰でもその決済に疑義を呈し、証明を提出できます（ステートが誤っていることを証明）。この疑義は検証可能です。前述のように、すべてのオフチェーン送金や行動には双方の署名とタイムスタンプが必要です。そのため、疑義者が提出した詐欺証明が署名済みで**以前のものより新しいタイムスタンプ**であれば、これは検証可能な詐欺証明となります。この証明が最新ステートとなり、先にステートを提出した者の預託トークンは没収されます。
チャネルプロジェクト：
BTCのライトニングネットワーク（Lightning Network）
長所と短所：
+ve：
1） 主に高頻度、小額の支払い向けです。
2） 取引時間と費用を大幅に節約できます。特に取引費用に関して、チャネル作成には初期コストがかかりますが、一度デプロイすれば、チャネル内の各ステート更新は非常に安価です。チェーン上では実際には2件の取引しか記録されません。
3） ステート有効性（SV）は不正行為証明により十分に保証されます。
4） ステートチャネルは強力なプライバシー性能を持ちます。なぜなら、すべての処理はチャネル内部で行われ、公開放送されたりチェーン上に記録されたりしないためです。オープンとクローズの送金のみが公開されます。一方、サイドチェーンシステムでは、すべての送金がサイドチェーンに公開され、サイドチェーンのすべての参加者が受け取ります。
5） ステートチャネルは即時確定性を持ちます。つまり、双方がステート更新に署名すれば、ステートは完了したものと見なされます。
-ve：
1） 出金が遅く、1週間の不正行為証明期間を経てから出金可能になります。
2） 時折相手に送金するユーザーにとっては、チャネルの作成と精算にかかる時間的・経済的コストが高く、使いづらいです。マルチシグ契約の作成、署名、審判プログラムの設計などが必要だからです。
3） オープンな参加をサポートしません。チャネルは未参加の人にチェーン外資金を送ることはできません。
4） TPSは平均的で、少数の参加者には適していますが、大規模で複雑な取引では性能が追いつきません。
5） スマートコントラクトをサポートしません。そもそもチェーンではないからです。
6） ステートチャネルはすべての参加者が100%オンラインである必要があります。途中で離脱すると、預託トークンが没収されます。
7） 明確な論理所有者がいないオブジェクト（例：Uniswap）を表現できません。したがって、明確な参加者セットを持つアプリケーションにのみ適しています。参加者の追加・削除は可能ですが、都度契約を変更する必要があります。
B. Plasma
チャネルが「大規模、大資金、複雑な取引をサポートできない」限界から、Plasmaソリューションが登場しました。これはサイドチェーンの一部設計を組
Cycle Capital Research
