Cobo Ventures：オンチェーン外スケーラビリティのディープダイブ
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Cobo Ventures：オンチェーン外スケーラビリティのディープダイブ
分散化と安全性を保ちながら、ブロックチェーンのスループットとトランザクション速度を向上させる方法は？
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者（アルファベット順）：Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin
目次
1. スケーラビリティの必要性
2. スケーリングソリューションの分類
3. オフチェーンスケーリングソリューション
4. まとめと展望
1. スケーラビリティの必要性
ブロックチェーンの未来は、非中央集権性、安全性、拡張性という壮大なビジョンに満ちている。しかし、通常のブロックチェーンではこの三つの要件を同時に満たすことはできず、これを「ブロックチェーンの不可能三角問題」と呼ぶ（下図参照）。
長年にわたり、この難題を解決する方法が探求されてきた。特に、非中央集権性と安全性を保ちつつ、トランザクション処理能力（スループット）や速度を向上させる「スケーリング」は、現在のブロックチェーン発展におけるホットトピックの一つである。
まず、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、拡張性を大まかに定義してみよう：
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非中央集権性：誰でもノードとして参加し、ブロックチェーンシステムの生成・検証に参加できる。ノード数が多いほど非中央集権性が高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者によって支配されることを防ぐ。
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安全性：ブロックチェーンシステムの支配権を得るために必要なコストが高いほど、安全性は高く、多数の参加者が攻撃しても耐えられる。
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拡張性：ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。
ビットコインネットワーク初の重大なハードフォークは、スケーリング問題に端を発している。ユーザー数と取引量の増加により、1ブロックあたり1MBに制限されたビットコインネットワークは混雑し始めた。2015年からビットコインコミュニティ内ではスケーリングについて意見が割れ、Bitcoin ABCが代表するブロックサイズ拡大派と、Bitcoin Coreが代表する小ブロック派が対立した。後者は隔離ウィットネス（Segwit）によるメインチェーン構造最適化を主張していた。2017年8月1日、Bitcoin ABCが独自に開発した8MB版クライアントが稼働し、ビットコイン史上初の重大なハードフォークが発生、新通貨BCHが誕生した。
同様に、イーサリアムネットワークも拡張性の一部を犠牲にして、ネットワークの安全性と非中央集権性を確保している。イーサリアムはビットコインのようにブロックサイズで取引量を制限する代わりに、単一ブロック内のガス上限を設定することで目的を達している。これは信頼不要な合意形成（Trustless Consensus）を実現し、帯域幅・ストレージ・計算量が不足する小さなノードも広く分布できるようにするためであり、ガス上限の撤廃または引き上げは多くの小規模ノードを排除してしまう。
2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、その後のGameFiやNFTなど、オンチェーンアプリケーションの台頭により、スループット需要は急増した。しかし、チューリング完全なイーサリアムですら毎秒15～45トランザクション（TPS）しか処理できない。その結果、取引コストが上昇し、決済時間が延び、多くのDappsが運用コストを負担できず、ネットワーク全体が遅く高価になってしまった。理想的なスケーリングソリューションとは、非中央集権性と安全性を損なわず、トランザクション速度（短いファイナリティタイム）とスループット（高いTPS）を可能な限り高めることである。
2. スケーリングソリューションの分類
我々は「レイヤー1（L1）メインネットプロトコルを変更するかどうか」を基準に、スケーリングソリューションをオンチェーンスケーリングとオフチェーンスケーリングの二大カテゴリに分ける。
2.1 オンチェーンスケーリング
核心概念：レイヤー1メインネットプロトコルを変更することによりスケーリング効果を得るソリューション。現在の主要案はシャーディングである。
オンチェーンスケーリングには複数の方式があるが、本稿では簡潔に以下の二つを紹介する：
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第一の方式はブロック容量の拡大。各ブロックに詰め込める取引数を増やすことで、高性能ノードの要求が上がり、ノード参加のハードルが高まる。これにより「非中央集権性」が低下する。
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第二の方式はシャーディング。ブロックチェーン帳簿を複数の部分（シャード）に分割し、全ノードがすべての記帳を行うのではなく、異なるシャード（＝異なるノード群）がそれぞれ別の記帳を担当し、並列処理により複数取引を同時処理できる。これによりノードの計算負荷と参加ハードルが低下し、取引処理速度と非中央集権性が向上する。しかし、ネットワーク全体の算力が分散されるため、「安全性」が低下するリスクがある。
レイヤー1プロトコルコードの変更は予期せぬ副作用を引き起こす可能性がある。基本層の些細なセキュリティホールでもネットワーク全体の安全を脅かし、強制的なフォークや中断による修復アップグレードを余儀なくされる。例えば、2018年のZcashインフレーション脆弱性事件：Zcashのコードはビットコイン0.11.2ベースだが、エンジニアが根本的なバグ（トークン無限増産可能）を発見。チームは8ヶ月かけて秘密裏に修正し、公開まで至った。
2.2 オフチェーンスケーリング
核心概念：既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更しないスケーリングソリューション。
オフチェーンスケーリングはさらにLayer2とその他のソリューションに細分化できる：
注：表内の用語定義はイーサリアム公式サイトより引用、内容はCobo Venturesが整理したもの。
以下では、発展の時間軸、技術原理、利点と欠点、応用比較などの観点から、現在主流のオフチェーンスケーリングソリューションを紹介していく。
3. オフチェーンスケーリングのソリューション
3.1 ステートチャネル
3.1.1 概要
ステートチャネルでは、チャネルの開設・閉鎖・紛争解決時のみユーザーがメインチェーンと相互作用し、ユーザー間のやり取りはオフチェーンで行う。これにより取引の時間・金銭コストを削減し、取引回数の制限を解除する。
ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ラウンド制アプリケーション」（例：二人のチェスゲーム）に適している。各チャネルはメインチェーン上で動作するマルチシグスマートコントラクトにより管理され、チャネル内の資産を制御し、状態更新を検証し、参加者間の紛争を仲裁する（署名付きタイムスタンプ付き不正行為証明に基づく）。ユーザーは契約をデプロイ後、資金を預けロックする。双方が署名確認すればチャネルが正式に開通。チャネル内で、送金残高を超えない限り無制限の無料オフチェーン取引が可能になる。参加者は交互に状態更新を相手に送り、署名確認を待つ。相手が署名確認すればその状態更新は完了となる。正常時は、合意された状態更新はメインチェーンにアップロードされない。紛争発生時やチャネル閉鎖時のみ、メインチェーンでの確定が必要になる。閉鎖時、いずれかの参加者がメインチェーンで取引リクエストを出す。全員が署名承認すれば即座にチェーン上で実行され、最終状態に応じてロックされた資金が分配される。他者が署名承認しなければ、「挑戦期間」終了まで待つ必要がある。
以上から、ステートチャネルはメインチェーンの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、コストを下げることができる。
3.1.2 時間軸
上図の時間軸は、ステートチャネルの発展と進化の主なマイルストーンを示している。
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2015/02、Joseph Poon氏とThaddeus Dryja氏がライトニングネットワーク白書草案を発表。
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2015/11、Jeff Coleman氏が初めて体系的にステートチャネルの概念をまとめ、ビットコインのペイメントチャネルはステートチャネルの一部事例であることを提唱。
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2016/01、Joseph Poon氏とThaddeus Dryja氏が正式に白書『The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments』を発表。ビットコインネットワークの送金専用の拡張ソリューション「ペイメントチャネル」を提案。
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2017/11、ペイメントチャネルフレームワーク下での最初のステートチャネル設計仕様「Sprites」が提案。
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2018/06、Counterfactualが完全な一般化ステートチャネル設計を詳細に提示。これはステートチャネル関連の初の完全設計。
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2018/10、「ステートチャネルネットワーク」と「仮想チャネル」の概念を提唱した論文『Generalised State Channel Networks』発表。
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2019/02、N-Partyチャネルへ概念拡張。Nitroがそのアイデアに基づく初のプロトコル。
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2019/10、Pisaが全参加者の常時オンライン要求を解決するため、「ウォッチタワー」の概念を拡張。
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2020/03、HydraがFast Isomorphic Channelsを提案。
3.1.3 技術原理
出典: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
図1は従来のオンチェーン作業フローを示す：アリスとボブがメインチェーン上のスマートコントラクトと相互作用し、ユーザーがチェーンに取引を送信することでコントラクト状態を変更する。前述の時間とコストの問題が発生する。
出典: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
図2は、大多数のステートチャネルプロトコルが従う一般的な作業フローを示す：楽観的には、アリスとボブは以前と同じ操作を行うが、今回はステートチャネルを使用してオンチェーンコントラクトとの相互作用を避ける。
第1段階、アリスとボブは個人のEOAから資金をチェーン上コントラクトアドレスに預け入れる（相互作用1,2）。これらの資金はチャネル閉鎖時にのみユーザーに返却されるまでロックされる。両者が署名確認すれば、二人のステートチャネルが正式に開通する。
第2段階、アリスとボブは理論上無制限のオフチェーン取引（青破線）を実施できる。参加者は暗号化された署名メッセージで通信（ブロックチェーンネットワークと通信しない）。各取引に対し両ユーザーが署名し、ダブルスペンディング悪意行為を防ぐ。これらのメッセージを通じ、自身の口座状態更新を提案し、相手の提案を受け入れる。
第3段階、アリスがボブとの取引を終了しチャネルを閉鎖したい場合、アリスは最終状態をコントラクトに提出する（相互作用3）。ボブが署名承認すれば、コントラクトは最終状態に応じてロック資金をユーザーに配布（相互作用4,5）。ボブが署名応答しなければ、挑戦期間終了後に資金が返還される。
出典: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
図3は悲観的な状況下のステートチャネル作業フローを示す：初期に両参加者が資金を預け（相互作用1,2）、その後状態更新を交換（青破線）する。
ある時点で、ボブがアリスからの状態更新署名に応答しない（相互作用3）と仮定する。このときアリスは、最後の有効状態をコントラクトに提出して挑戦を開始できる（相互作用4）。この有効状態にはボブの以前の署名が含まれ、最終取引がボブの承認を得、最終状態がボブの確認を得たことを証明する。
その後、コントラクトは一定期間内にボブが次の状態をコントラクトに提出することで応答できる。応答すれば、二人はステートチャネル内で取引を継続できる。応答しなければ、コントラクトが自動的にステートチャネルを閉鎖し、資金をアリスに返還（相互作用5）。
3.1.4 利点と欠点
3.1.5 応用
- ビットコイン・ライトニングネットワーク
概要：
ライトニングネットワークは、ビットコインネットワーク向けの少額支払いチャネル。その技術進化は、2/2マルチシグで片方向支払いチャネルを構築→RSMC（Revocable Sequence Maturity Contract）導入で双方向支払いチャネルに→HTLC（Hash Time Lock Contract）追加で中継人経由の多人支払いネットワークを構築、という流れを経てきた。オフチェーンの小額支払いチャネルを構築し、中継人で取引ネットワークを形成することでビットコインネットワークのスケーリング問題を解決する。「入金（チャネル開設）→ ライトニングネットワーク取引（チャネル状態更新）→ 返金/決済（チャネル終了）」というプロセスに従う。理論上、ライトニングネットワークは毎秒百万件の取引を処理可能。
時間軸：
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2015年2月、Joseph Poon氏とThaddeus Dryja氏がライトニングネットワーク白書草案を発表；
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2016年1月、正式版白書を発表し、Lightning Labsを設立；
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2018年3月15日、Lightning Labsが初のライトニングネットワークメインネット版「Lightning Network Daemon (LND) 0.4」をリリース。
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2021年初頭、ライトニングネットワークの公開キャパシティ（TVL）は約4000万ドル、利用ユーザーは約10万人未満。
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2021年6月、エルサルバドルがビットコインを法定通貨に採用。9月にライトニングネットワークベースのウォレットChivoをリリース。
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2022年、Cash AppおよびOKX、Kraken、Bitfinexを含む26の暗号資産取引所がライトニングネットワークをサポートすると発表し、即時かつ安価なBTCの入出金と送金機能を実現。
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2022年10月、Lightning LabsがTaprootベースの新プロトコル「Taro protocol（α版）」を発表。テストネットでテスト中。将来、ビットコインネットワーク上でアセットを発行・送受信し、ライトニングネットワークで即時・大容量・低料金取引を実行可能になる。
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2022年11月23日、1ml.comによると、ライトニングネットワークは76,236の支払いチャネルを持ち、チャネル資金は5049 BTC（8180万ドル）。
エコシステム発展：
上図の通り、BTCライトニングネットワークエコは下から上へ：BTCネットワーク → コアインフラ → 各種Dapps。
コアインフラには以下が含まれる：
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ライトニングネットワークソリューション：個人や企業が実行・接続できるソフトウェア。市場シェア最大はLightning Labs。
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ノードおよび流動性サービス：ユーザーが独自にノードを運営するのは複雑で、ユーザーフレンドリーなインターフェースを提供し、ライトニング支払いチャネルを管理する必要がある。
コアインフラの上には、各種の支払い・金融サービスおよびアプリケーションがあり、例として、LNDソリューション上に構築されたStrikeは、ユーザーがBTCを売買でき、Twitter上でBTCでクリエイターに投げ銭ができ、Shopify商人がBTCを受け取れる。
2022年11月時点、ビットコイン・ライトニングネットワークベースのDappsは20以上のカテゴリー、100以上のアプリに増加。主なカテゴリは、BTCライトニングネットワーク支払い、ウォレット、ノード管理、ブラウザ拡張、ポッドキャスト・ストリーミング等。現在、ノードインフラ技術層はほぼ成熟し、ウォレット対応が増え、金融サービスと支払い統合が成長を続け、より多くの娯楽アプリがライトニングネットワーク上に構築され、エコシステムは繁栄している。
- イーサリアム・レイデンネットワーク
概要：
レイデンネットワークは、イーサリアム向けの少額支払いチャネル。ライトニングネットワークと非常によく似ており、ステートチャネルを構築することでオンチェーン取引を拡張し、イーサリアム上でERC20トークンのほぼ即時・低費用・拡張可能な支払いを実現することを目的とする。
時間軸：
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2017年設立。創設者Heiko Hees氏は、元イーサリアムコア開発者兼顧問。
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2017年10月17日、オランダ式オークションで$RDNトークンのICOを実施し、3000万ドル以上を調達。
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2020年5月、初のレイデンライトクライアント「Alderaan」がイーサリアムメインネットに上線。TypeScriptベースのレイデンネットワーク実装。
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2021年末、長期にわたる開発進捗の欠如、情報開示不足、ユーザー使用状況により、複数の取引所が$RDNの上場廃止を決定。Bitkub、NiceHash、Binanceなどが含まれる。
現在、この技術は広範に採用されていない。理由は以下の通り：
1）使用ハードルが高い：イーサリアムのGas料金が高い時、チャネル開設コストが高くなり、これがレイデンネットワーク採用の障壁となる。
2）より進んだ拡張技術の出現：レイデンネットワークは2015年から研究が始まったが、当時はイーサリアム唯一の拡張案だった。しかし現在、Rollupなどより優れた拡張ソリューションが登場し、レイデンネットワーク自体のユースケースが限定されている。
エコシステム発展：
現在、レイデンネットワークのエコシステム発展は緩慢。チームはレイデンネットワークを再構築し、イーサリアムLayer2 Rollupネットワーク上で動作させることで、State Channel作成時のGas料金をさらに削減しようとしている。2022年5月、チームはレイデンネットワークがArbitrumに上線し、Rollupネイティブプロトコルとなり、L2上を走るL2になったと発表。この案により、初期チャネル作成コストが35%削減され、高頻度少額支払いシーンに適するようになった。今後、レイデンネットワークはRollups中心に変化し、Rollupsと共存する補完的ソリューションとなる。
- Celer Network
概要：
Celer Networkは、本質的にインセンティブ層（トークン$CELR）を追加したライトニングネットワークであり、オフチェーン拡張技術とインセンティブ経済モデルにより、高速・使いやすい・低コスト・安全な高頻度インタラクション型ブロックチェーンDapps（例：eスポーツプラットフォーム）を構築できる。ユーザーの参加費や賞金支払いは極めて高頻度のインタラクションであり、ステートチャネル技術の応用に非常に適している。
アリスとカールがステートチャネルでチェスゲームを行うと仮定する。両者はまずメインチェーンに資金を預けてチャネルを開設。オフチェーンにゲームルール管理用コントラクトがあり、条件付き支払いにそのコントラクトアドレスが参照される。例：「カールがゲームに勝てば、アリスはカールに1ドル支払う」。各オフチェーンコントラクトには一意の識別可能なオフチェーンアドレスがあり、必要時のみブロックチェーン上にデプロイされ、組み込みのオフチェーンアドレス変換器が対応するオンチェーンアドレスを割り当てる。他のコントラクトやオブジェクトがそれを明確に参照できる。二人のすべてのゲーム状態変更（口座残高）は、双方の署名確認のもとオフチェーンで行われ、必要時（紛争発生時）にオンチェーンで検証可能。Celer Networkが提供するオフチェーンアドレス変換器OAT（Off-chain Address Translator）により、各オフチェーンアドレスは一意に対応するオンチェーンスマートコントラクトにマッピングされる。よって、アリスとカールのゲームは、双方が協力し、紛争がなければ、ゲーム（コントラクト＋状態）全体をオンチェーン操作する必要がない。
上図の通り、Celer Networkはイーサリアム上に構築されたオフチェーン拡張フレームワークを3層からなる。下から上へ：
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