Optimism対ZK：どちらのRollupソリューションが優位に立つのか？
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Optimism対ZK：どちらのRollupソリューションが優位に立つのか？
現時点では、レイヤー2がイーサリアムのスケーラビリティ向上に重要な役割を果たすことは確かだが、どのロールアップソリューションが優れているかについては明確な結論が出せない。
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Optimism Rollup と ZK Rollup の比較分析に入る前に、まず Rollup が登場した背景を理解する必要がある。
Rollup はイーサリアムのスケーラビリティに対する究極的な解決策とされており、第1層（L1）外でトランザクションを実行しつつ、そのデータを第1層に記録する。これにより、ネットワークの拡張性を高めつつ、イーサリアムのコンセンサスから安全性を引き続き得ることが可能になる。このプロセスの本質は、取引の実行・データ取得・データ圧縮を行い、それらを一括してメインチェーンに集約することであり、そのため「Rollup」と呼ばれる。
なぜ Rollup スケーリングソリューションが必要なのか？
実際、Rollup に関する研究の注目度は、ここ数年におけるイーサリアムの発展と密接に関連している。イーサリアムのスケーリングは、暗号資産分野で最も議論される話題の一つである。2017年のCryptoKitties ブーム、2020年のDeFi サマー、2021年初頭の暗号資産バブルなど、イーサリアムへの需要増加に伴い、スケーリング議論はますます活発化し、ガス代の急騰によりユーザーの取引コストも上昇した。
同時に、Web3 の急速な発展に伴って、イーサリアムは数千ものDAppの基盤となっている。膨大な取引量は必然的に処理速度のボトルネックを引き起こし、イーサリアム上のプロジェクトの取引スピードが低下し、ユーザーの離脱も進んでいる。
こうした状況から、完璧なスケーリングソリューションの探索は、複数のチームおよびイーサリアムコミュニティ全体にとって重要な目標となった。一般的に、イーサリアムのスケーリング手法には主に3つのアプローチがある。ブロックチェーン自体の拡張（Layer 1）、Layer 1 上での構築（Layer 2）、および Layer 1 側にサイドチェーンを構築する方法である。
Rollup のスケーリング原理は、数百件の処理済みトランザクションをまとめて1つのバッチとして、イーサリアムメインネットと並列に動作するL2チェーン上で実行し、完了した取引をバッチ単位でベースレイヤー（L1）に提出することで、取引速度を向上させ、ガス費用を削減することにある。
さまざまな Rollup 方式の中でも、Optimistic Rollup と ZK Rollup は特に注目されている。実際、Optimistic Rollup と ZK Rollup の実行原理は似通っているが、最大の違いは検証方式にある。本稿では、これら二つの優れたスケーリングソリューションに迫り、それぞれの実行プロセスにおける長所と短所を比較し、次世代イーサリアムスケーリングの理想形について展望する。
Optimism と ZK のエコシステムを解明する
Optimism
Optimistic Rollup はその名の通り「楽観的」な仕組み、すなわち不正検出証明（Fraud proofs）を採用している。システムは取引データの正当性をデフォルトで信頼し、有効性検証なしに直ちに待機期間に入り、この間に誰かのノードが異議を唱え、悪意ある取引であることを証明できれば取引はキャンセルされる。異議がなければ、待機期間終了後に取引が確定し、ブロックに書き込まれる。「不正検出証明」方式は大規模な検証処理を省略できるため、計算リソースを節約し、取引の正確性を保証できる。
Optimistic Rollup の代表的な実装例にはArbitrumとOptimismがある。Optimism は EVM 互換の Optimistic Rollup プロトコルを最初に開発したが、メインネットの立ち上げ遅延により、Arbitrum が後発ながら優位を得た。
Optimism：単一ラウンド非対話型不正検出証明
Optimism はスマートコントラクトを利用して、トランザクションデータをイーサリアムメインチェーンからLayer 2へ移動させる。シーケンサーは複数の取引を1つのバッチにまとめ、1回の取引としてメインチェーンに戻す。シーケンサーはすべての取引が有効であるという前提のもと、楽観的に処理を進める。システムは1週間の待機期間を設けており、この間に誰でも異議を提起でき、異常があれば不正検出証明が生成される。
Arbitrum：多ラウンド対話型不正検出証明
Arbitrum は2021年5月28日にイーサリアムメインネット上で起動した。全体的なプロセスは大きく変わらないが、主な違いは、Arbitrum の検証者とチャレンジャーがオフチェーンで二分探索的手法を用いて争点のあるステップを細分化し、最終的に特定のステップまで絞り込んだ上で、L1上でそのステップの判定を行う点にある。これにより、より効率的に争議を解決できる。従って、Optimism と比較して Arbitrum はより高い取引処理能力を持ち、より徹底した「原因究明」が可能となる。
ZK Rollup
ZK Rollup（ゼットノレデンショウメイ）は1980年代にMITの研究者によって導入され、「ムーンマス（月の数学）」とも称された。
ZK Rollup はゼロ知識証明による有効性検証を用いたスケーリングソリューションである。オンチェーンの取引をバッチ処理し、暗号化された有効性証明を生成して取引の真偽を検証する。これらの有効性証明はL1ブロックチェーンに追加され、L1のコントラクトによって迅速に検証され、無効なバッチは即座に拒否される。
Optimistic Rollup がすべての参加者が善意であると仮定するのに対し、ZK Rollup はそれが実際に正しいかどうかを厳密に確認しようとする。現在、ZK Rollup 分野の主要プレイヤーには Hermez、ZKSync などが挙げられる。
Hermez：簡潔な非対話型知識証明（SNARK）を生成
Hermez は SNARK（Succinct Non-interactive Argument of Knowledge）という暗号証明を生成でき、イーサリアムを秒間2000件の取引までスケーリングする能力を持つ。このシステムは主に協調者（coordinator）がバッチ処理と有効性証明の生成を行う。協調者はオークション形式で選ばれ、ネットワークに登録されたノードが次の協調者になるために入札する。現在、Hermez チームは完全なオペコード互換性を目指したゼロ知識イーサリアム仮想マシン（ZKEMV）の開発を進めている。
ZKSync：簡潔な非対話型知識証明（SNARK）を生成
ZKSync は自身を「スケーリングとプライバシーのエンジン」と位置付け、イーサリアム上で低ガス料金での Ether 及び ERC-20 トークン転送をサポートしている。ZKSync では、単一の検証者がバッチを処理し、有効性証明を生成する。すでにZKSync 2.0をリリースしており、これはオフチェーンのデータ可用性ソリューションとして、ステーキングの確定とデータ可用性を確保するとともに、管理者が資金を盗むことを防ぐ仕組みを備えている。
Optimism VS ZK：どちらが優れているのか？
Optimism と ZK は市場参入当初から、異なるスケーリングアプローチの道を歩んできた。不正検出証明と有効性証明は、開発者やユーザーのニーズに応じて、スループット、リアルタイム性、コストといった側面でそれぞれの「強み」を発揮している。以下のような観点から、異なる開発シナリオに応じた適切な選択ができるだろう。
開発のハードルと利用コスト
Optimism は大規模な検証を必要とせず、すべての取引が有効であるという前提のもと、多数の開発手順を省略でき、検証情報をベースレイヤーに配信するだけで済む。この「楽観的」な設計により、追加作業が不要となり、技術者の開発ハードルが大幅に低下し、時間・労力・金銭的コストを節約できる。短期間でRollupソリューションを導入したい開発者にとってはOptimismが最適であり、データによればOptimismは10〜100倍のスケーラビリティ改善を提供できる。
一方、ZK Rollup は有効性証明を生成し、それを逐一メインチェーンに提出する必要があり、この工程はOptimismよりもはるかに高い技術的難易度を伴う。初心者の開発者がZK Rollupを使用しようとすると、頻繁にエラーが発生し、かえってスケーリング効率と実行速度が低下することが多い。
スマートコントラクトの実行可能性
Optimism は高い相互運用性を持ち、スマートコントラクトの実行も可能である。これにより、L2上での柔軟な操作空間が広がり、ユーザーの共同参加を通じて、Optimism の運営はより高い「信頼性」を得ており、データ保護の強化や取引当事者の権利の明確化といった付加価値も生まれている。特筆すべきは、Fuel、OMGX、Cartesi などのチームが、自らの Rollup に対してEVM互換版を開発しようとしていることで、Optimism の適用範囲とパフォーマンスがさらに向上している点だ。
一方、ZK Rollup は現時点では主にシンプルな取引に限定されており、これがZK Rollupの拡張性に多くの制約をもたらしている。そのため、現在のZKはZKSyncが開発したEVM互換仮想マシンを通じてのみ、Solidityで記述された任意のスマートコントラクトをサポートしており、アプリケーション領域の拡大を図っている。あるいはLoopring、Hermez、ZKTubeなどを通じて支払い規模の拡大やプライバシー機能の導入などを進めている。
資金引き出しの実行効率
ユーザーの取引保証と権利確定のメカニズムとして、取引後の資金引き出し速度は開発者やユーザーにとって重要な選定要因となる。この点において、ZK Rollup がむしろ優位である。Optimism の紛争解決プロセスは煩雑であり、すべての関係者に不正検出証明を提出する十分な時間を与えた上で、ようやく取引が確定する。この期間は非常に長く、最悪の場合でも不正取引が申し立てられる可能性があるため、Optimismからの資金引き出しには1〜2週間かかる。
対照的に、ZK Rollup は長期的な引き出し待機時間の問題がない。Rollup バッチと有効性証明が第1層に提出されれば、すぐに資金を引き出せる。これによりユーザーの時間コストが削減され、より多くの取引が迅速に流動化し、取引環境全体の効率が向上する。
セキュリティとプライバシー保護の強度
現在、ZK Rollup は高度な数学的計算と暗号技術を用いて、ETHメインチェーン上で取引が「決済」されることを保証している。これはOptimismとは本質的に異なる検証方式である。SNARK、STARK、PLONK、DARK など、ZK Rollup に実装される証明戦略は、それぞれデータフットプリント、証明時間、検証時間、共謀リスクといった側面で異なるセキュリティレベルとリスク特性を持っている。
明らかに、単純な不正検出証明と比べ、ZK はセキュリティとプライバシー保護において多重の保証と検証メカニズムを設け、取引検証の厳密さを確保している。例えば、Aztec はZK Rollup技術にプライバシー機能を統合することに注力しており、ZK Rollup のプライバシー機構をさらに強化している。
2023年のOptimismとZKの展望
見てきたように、Optimism と ZK は Rollup ソリューションとしてそれぞれ独自の強みを持っている。新たな年を迎えても、両者はそれぞれの進化の道を歩み続けるだろう。2023年にOptimismとZKの両スケーリングソリューションがより多くの実プロジェクトに応用され、イーサリアムの発展をさらに加速していくことが期待される。
現時点では、Layer 2 がイーサリアムのスケーラビリティ向上に重要な役割を果たすことは確かだが、どちらの Rollup ソリューションが優れているかについては断言できない。しかし確かなのは、Optimism と ZK が Web3 世界における Rollup 分野の「ダークホース」となり、さらなる最適化策を打ち出してくることだろう。
長期的には、ZK 関連技術の進展とともに、ZK Rollup の限界が打破され、強力な応用ポテンシャルが発揮されるかもしれない。将来的には、この二つの Rollup ソリューションが相互に補完し合い、セキュリティ・プライバシー、リアルタイム性・コスト、開発の容易さといった要素を融合したより優れた製品を生み出し、新たな世界を開くことを願っている。繰り返すが、Optimism と ZK は Rollup ソリューションとしてそれぞれ独自の強みを持っている。新たな年を迎えても、両者はそれぞれの進化の道を歩み続けるだろう。2023年にOptimismとZKの両スケーリングソリューションがより多くの実プロジェクトに応用され、イーサリアムの発展をさらに加速していくことが期待される。
参考文献：
Optimistic、zk-Rollups、L3...イーサリアムのスケーラビリティ研究はどこまで進んでいるのか？
https://techflowpost.mirror.xyz/DCQiiuK5_p2UhF32jCVk3ZmHy-B15qNXXuvK1guaMZk
イーサリアムのスケーリングの道
https://juejin.cn/post/7127205065839869959
深掘り｜ZKとOptimistic Rollupの将来性と違いをどう理解すべきか？
Optimistic Rollups VS ZK Rollups ：最も注目される6つのイーサリアムLayer 2スケーリングプロジェクト
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