ArkStream Capital：モジュラー型ブロックチェーン――Web3エコシステムの進化を推進するインフラ
TechFlow厳選深潮セレクト
ArkStream Capital：モジュラー型ブロックチェーン――Web3エコシステムの進化を推進するインフラ
次の10億規模のインフラ構築ストーリー――モジュラー型ブロックチェーン
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察概要
モジュール型ブロックチェーンは、次のサイクルにおけるインフラ新ストーリーとして確実に台頭するだろう。しかし、これはモノリシックブロックチェーンが置き換えられるということではない。むしろ、モジュール型ブロックチェーンの発展は、モノリシックブロックチェーンの進化を促進する重要な力となる。両者は相補的な利点を持ち、次世代の10億ユーザー規模のWeb3エコシステムを共に牽引し支えることになる。
モジュール型ブロックチェーンの正確な定義よりも、取引やブロックデータを通じてその実行層、データ可用性層、コンセンサス層、決済層を感じ取り理解することで、より直感的な認識を得ることができる。
実行層は、モノリシックブロックチェーンの取引拡張や計算の外注化の先駆け的存在である。データ可用性層は単なるデータ格納コスト削減・効率化だけでなく、コンセンサス層による保証下でのデータ検証後の「利用可能性」を実現している。コンセンサス層は非中央集権の力を再利用し、新たな非中央集権的構築フレームワークを創出することを目指す。決済層の核心はアカウント資産と取引履歴の整合性を最適化し、双方の正確な関連付けを行うことにある。
モノリシックブロックチェーンの定義、発展、長所短所および解決策
ビットコインの誕生は、非中央集権型電子マネー時代の到来を象徴し、人々はこれによりブロックチェーン技術の概念とPoW（作業量証明）コンセンサスメカニズムを知ることとなった。その後登場したイーサリアムは「世界のコンピュータ」として、スマートコントラクトプラットフォームとして金融、ソーシャル、ゲームなどの分野で広大な将来性を示した。十数年にわたり普及度や技術蓄積はまだ初期段階ではあるが、その潜在的可能性は計り知れない。
通常、我々が現在接触しているパブリックチェーンはすべて総称して「モノリシックブロックチェーン」と呼べる。これらは各取引を媒体とし、ブロックによって有効な取引記録を保存し、特定のコンセンサスメカニズムを通じて非中央集権的、信頼不要、改ざん不可な分散台帳ネットワークを実現している。
モノリシックブロックチェーンの特徴は、ウォレット、アプリケーション、ミドルウェアからインフラまで、一貫して独立したエコシステムを構築でき、各要素間が密接に連携できる点にある。しかし、エコシステムの発展と繁栄に伴い、取引の混雑、手数料の高騰、ネットワーク参加のハードル上昇、全ネットワーク状態維持コストの増加といった問題が生じる。特に高負荷時においては、取引処理能力の限界から高価で使いにくくなり、ユーザーエクスペリエンスに大きな影響が出る。また、ブロックチェーンの継続的成長により「ステート爆発（state explosion）」が起き、ネットワーク維持のハードルとコストがますます高くなる。
これらの課題を解決するため、業界では長年にわたりスケーリング、ステートトリミングなどの研究が行われており、ステートチャネル、サイドチェーン、Rollup、ライトノード、シャーディング、モジュラー化など多様な技術が開発されている。これらの技術革新はブロックチェーンスタックを継続的に最適化し、普及を促進している。
モジュール型ブロックチェーンの定義および製品
本質的に、モジュール型ブロックチェーンとは、集合と組み合わせの思想に基づき、ブロックチェーンのレイヤー構造を再定義・再分割し、異なるモジュールに分けるものである。これらのモジュールは相互に独立しており、必要に応じて修正・拡張・再組み合わせが可能であり、組み合わせることで性能向上と多様なユースケースへの対応が可能となる。
過去、モノリシックブロックチェーンのアーキテクチャから考えると、以下のような分割が一般的であった：分散型アプリケーションをホストするアプリケーション層、スマートコントラクトロジックを実行する実行層、取引の正当性・順序・ブロック生成を処理するコンセンサス層、取引・ブロックデータを保存するデータ層、P2P通信を行うネットワークライヤー。
モジュール型ブロックチェーンのレイヤー構造を理解する際、モノリシック思考が先行しがちで、混乱を招くことがある。この点を避けるために、実際に稼働中のイーサリアムL2オプティミスティックRollupであるArbitrumを例に、ユーザー視点から深く理解することが有効である。Arbitrumのホワイトペーパーに記載されたL2取引フローによれば、ユーザーの取引はもはや直接L1とやり取りせず、L2のシーケンサーが収集・バッチ処理を行い、その元データを圧縮してL1へ送信する。同時に、取引の順序付けやユーザー・ネットワーク状態の遷移を計算し、その結果をL1で決済する。
L2シーケンサーによる取引の収集とバッチ処理（実行層）
L2が取引を圧縮処理後、L1へ送信（データ可用性層）
決済については、Arbitrumのブロックエクスプローラーが一対一の関連付けを十分に行えていないため、ここではイーサリアム上にデプロイされたArbitrum公式スマートコントラクトに着目し、「Delayed Inbox」コントラクト内の決済関連関数を分析する。例えば、sendL1FundedContractTransactionは決済に異議がある場合に呼び出され、異議がない場合はOutboxコントラクトのupdateSendRootが呼び出される。関連アドレスは以下参照：https://developer.arbitrum.io/useful-addresses。
以上により、実行層、データ可用性層、コンセンサス層、決済層の機能と役割について明確な理解が得られた。実行層はシーケンサーによる取引のバッチ処理、データ圧縮、状態遷移計算を担う。決済層は状態変化の最終性を確定する。データ可用性層はL1における実行層からの圧縮データの保存と維持を担う。コンセンサス層は、実行層がデータ可用性層および決済層に依存する安全性を保証する。
上位から下位へと定義すると、モジュール型ブロックチェーンの階層構造は以下の通りである。
決済層は異なる実行層の取引妥当性証明（例：オプティミスティックな詐欺証明、ゼロ知識証明）設計に関わるため、ここでは深入りしない。以下では、モジュール型ブロックチェーンでよく言及される実行層、データ可用性層、コンセンサス層の3つのモジュールについて、それぞれの背景、解決する課題、現状と課題を重点的に解説する。
実行層製品およびプロジェクト
実行層という概念が正式に提唱される前、私たちはよく「イーサリアムキラー」という言葉を耳にした。これは、ユーザーが取引スループット、速度、コストなどの性能に対して強いニーズを持っている一方、イーサリアムが提供する現状との間に明らかなギャップがあることを意味している。このため、多くの新規パブリックチェーンが、トランザクション構造、ブロック設計、コンセンサス、ネットワーク放送メカニズムを根本から見直し、大量取引処理、高速、低コストを実現する高性能チェーンを開発しようとした。一方、イーサリアム側でもさまざまな技術アプローチを模索し、今日ではRollup中心のL2戦略が主流となっている。特に、詐欺証明ベースのオプティミスティックRollup（Optimism、Arbitrum）は、他のEVM互換チェーンを次々と追い抜き、ユーザー獲得・維持において優位に立っている。また、ZK証明を用いるZKRollup（Starknet、Hermez、zkSync、Scroll、Taikoなど）、並列処理を重視するFuel、AltLayer、Smoothなども独自の分野で進展を見せている。
RollupなどL2の発展に伴い、「実行層」という概念が正式に提唱された。もちろん、イーサリアムに限らず、TPSや取引コストを改善したSolana、BNB Chain、Cosmos、Aptosなどでも、それぞれ公式またはコミュニティが独自のRollupや実行層製品を提案している。こうして、我々はマルチチェーン時代に加え、複数種類の実行層が共存する時代に入った。しかし、これにより新たな課題も生まれている：各実行層が閉鎖的で、エコシステムの共有が難しく、ユーザーの操作コストが高く、開発者の構築・運用コストも大きい。そのため、「Rollup as a Service（RaaS）」型の製品も登場している。例えばSovereign Labs、Stackr Labs、Eclipse Builders、Dymensionなどは、実行層のハブとして機能し、従来のL2 RollupをL3へと位置づけ、1つのハブに複数のRollupを接続する樹枝状の実行層を構築している。
スケーリング需要の歴史的背景から、実行層の研究開発は長年続けられ、各方式とも大きな進展を遂げてきた。今後も未解決の課題が多く残っており、例えば非中央集権的シーケンサー、zkEVM、並列処理などが挙げられる。
データ可用性層製品およびプロジェクト
ビッグデータ時代・クラウド時代の到来により、現代社会の基盤資源である「データ」はあらゆる意思決定を支える戦略的資産となり、かつての石油のように重要になっている。ブロックチェーンにおけるデータとは、通常、チェーン上に記録された取引データやスマートコントラクトデータを指す。その保存方法は従来のデータベースとは異なり、各ノードが完全なデータコピーを保持する分散型である。現在、チェーン上の取引データの活発化とスマートコントラクトの発展に伴い、データ量は線形増加に加え、指数的増加の兆しを見せている。ビットコインネットワークは2016年の全ネットワークサイズ55GBから年約50GBずつ増加していたが、2020年以降は年間60GBへと増加し、2023年2月時点で全ネットワークサイズは459GBに達している。
https://www.blockchain.com/explorer/charts/blocks-size
世界のコンピュータ・スマートコントラクトプラットフォームとしてのイーサリアムは、決済に特化したビットコインよりも遥かに大きなデータ量を持つ。Etherscanによると、現在イーサリアムのフルノードには800GB以上の容量が必要であり、アーカイブノードでは13,000GB以上のストレージが求められる。
データ量が膨大なだけでなく、大部分が非構造化形式で保存されており、処理・インデックス・照会が極めて困難である。このため、モノリシックブロックチェーンの観点から、いかに効率的かつ安価にデータを保存し、迅速に処理し、大量アクセスをサポートするかが極めて重要な研究テーマとなっている。
ビットコインホワイトペーパー発表当初、中本氏はネットワークのステート爆発に対し「ディスクスペースの回収（Reclaiming Disk Space）」と「簡易支払い検証（SPV）」という予防策を提示した。「Reclaiming Disk Space」は古いデータを削除してネットワーク全体のデータ量を削減する方法であり、維持コストと参加ハードルをある程度低下させられるが、ネットワーク規模の巨大化や、UTXOモデルとは異なるアカウントモデルを採用するイーサリアムなどでは適用範囲が限定的である。ただし、このアイデアを踏まえて、イーサリアムコミュニティは「Stateless Ethereum」を追求している。SPVは、軽ノードがMerkleツリーを使って取引データを検証する仕組みであり、参加ハードルを下げつつ取引の正当性を保証する。しかし、SPVノードはブロックヘッダーのみをダウンロードするため、詐欺的証明攻撃を受けやすい。この問題に対し、Celestia共同創設者のMustafa Al-Bassam、Mysten LabsのAlberto Sonnino、Vitalikらは2018年に『Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities』を発表し、対策を提示した。ここで、モノリシックブロックチェーンのデータ可用性とは、完全同期なしに軽ノードが取引Merkleツリーを利用してデータの正当性を検証できる状態を指す。
モジュール型ブロックチェーンの実行層にとって、モノリシックチェーンのデータは「オンチェーンデータ」となり、実行層の取引データは圧縮され「オンチェーンデータ上に存在するオフチェーンデータ」となる。オンチェーンデータは、通常の保存・照会性能やコスト要件に加え、それに付随するコンセンサスメカニズムによる安全性保証も求められる。このように、実行層製品の発展が、モノリシックチェーンのデータ可用性の概念を豊かにし、データ可用性層の文脈を拡張している。
ここで注意すべきは、「データ可用性層」と「データストレージ層」は混同できない概念だということである。データ可用性層は「利用可能性」を重視し、データの正当性を視点とする。データストレージ層は、コンピュータの記憶装置観点からデータの保存・使用性能を定義し、主にオンチェーンストレージのコストや読み書き効率に注目する。データ可用性は必然的にデータストレージ層から派生する概念であり、その延長線上にあるのがコンセンサスメカニズムによる可用性保障である。言い換えるなら、「Don't Trust, Verify」の「Verify」こそがデータ可用性なのである。
現在、実行層製品が最も多く採用するデータ可用性層はイーサリアムだが、GasモデルとCalldata構造の制約から以下の欠点がある：
1. データ操作・保存コストが高い
2. データ保存容量に制限がある
3. ネットワークリソースの不均等分配
このため、イーサリアムはEIP-4844（Proto-Danksharding）、データ可用性サンプリング（DAS）、消散符号化（Erasure Coding）、Proposer/Builder Separationなどを通じて、自前のデータシャーディングとステート拡張を進めている。
将来、イーサリアムは新しいBlob取引タイプと追加データ層を導入し、データ可用性を保証しつつオンチェーン動的ストレージコストを削減する。他にも専用DA製品が登場しており、DAS、Erasure Codingなどの技術に加え、Polygon AvailのFast Sync、Celestiaの主権性・相互運用性など、独自の研究突破も進められている。また、既存のデータストレージ層としては、BNBエコシステムの新ストレージサイドチェーンGreenfield、Kvye、Arweaveなどの統合製品も見られる。
コンセンサス層製品およびプロジェクト
Not your keys, not your crypto（鍵を失えば資産を失う）。ブロックチェーンネットワークにおいて、秘密鍵はデジタル資産の所有権を意味する。この所有権を確実にするため、十分な非中央集権性と安全性を備えた強固なコンセンサスメカニズムが必要となる。コンセンサスは、各モノリシックチェーンの取引フォーマットに適合したデータを保証する。例えばビットコインは取引と内蔵スクリプトの正当性を保証し、イーサリアムはEVMで実行・検証可能な取引を保証する。
さらに、ブロックチェーン世界にはPoWとPoSという明確に異なる2種類のコンセンサスがあり、異なるチェーン間での相互運用や統合は困難である。また、CosmosやPolkadotのように元からマルチチェーン相互運用を支援するモノリシックチェーンであっても、取引フォーマットやコンセンサスの互換性があっても、コンセンサス自体の共有利用は難しい。
コンセンサス層製品に入る前に、まずPoWとPoSの発展と現状を確認しよう。
PoWは物理世界の計算力でネットワークを守るものと大まかに理解できる。代表的な攻撃は51%攻撃と二重支払いであり、ネットワークの計算力が十分に大きければ、安全性は確保できる。
多くの新規PoWチェーンは、立ち上げ初期の計算力不足によりセキュリティリスクを抱えやすい。そのため、長期的な高コストな算力蓄積を続けるか、ビットコインなどの伝統的PoWネットワークと同じアルゴリズムを使い、マイナーに同じ計算力を共有させる「共同採掘（merged mining）」を検討する。
ブロックチェーンの算力はブロック高の増加とともに徐々に増えるため、共同採掘は暗号経済インセンティブを通じて算力を「レンタル」する。両チェーンの利益が一致すれば魅力的だが、新規PoWチェーンとビットコインの利益が衝突すれば、ビットコイン側はプロトコル上でマイナーを制裁できないため、マイナーは他のチェーンに不利な行動をとる可能性がある。
例えば、Namecoinは以前ビットコインと共同採掘していたが、一部の状況で両ネットワークの利益が不一致になり、Namecoinに潜在的リスクをもたらした。スマートコントラクト機能を持つビットコインサイドチェーンRSKも、ビットコインとの利益調整を試みたが、ビットコインがチューリング完全でないため、開発が制限され、共同採掘での突破も限られた。
また、Quai Networkのように設計段階から多チェーン合同PoWを採用し、算力を共有する試みもある。しかし、これもコンセンサスの冷スタートコストを分散するだけであり、PoWコンセンサスの真正な「再利用・組み合わせ」には至っていない。
PoSの核心は「持分」によるネットワーク保護であり、持分の価値がネットワーク全体の価値を決定する。十分に高い価値の持分があって初めて、高価値ネットワークを守れる。現在主流のPoSはPBFTを改良したもので、本質的には依然として「持分の証明」である。代表的なPoSネットワークにはCosmosやPolkadotがある。最小限の信頼を重視するCosmosハブは、アプリケーションチェーンのコンセンサスに干渉しない。
Cosmosエコシステムのアプリチェーンは整った開発スタックを再利用できるが、ネットワーク検証者セットの設立・維持には非常に高いハードルとコストがかかる。これは信頼と安全の代償である。多くのアプリチェーンは空投でCosmos検証者を惹きつけ、高いインフレ報酬でステーキングを促す。これを解決するため、Cosmos 2.0では、アプリチェーンにセキュリティ共有ICSや、コンセンサス共有のSpace Meshなどを提案している。
さらに、CosmosエコシステムのBabylonは、ビットコインのPoWコンセンサスの安全性をCosmosに持ち込み、アプリチェーンの保護を試みている。ポルカドットに関しては、強力なオンチェーンガバナンスと先進的コンセンサス理念を併せ持つ。つまり、平行チェーンスロットオークションを通じて、他チェーンの取引までコンセンサスの保護範囲に含める。これらの仕組みはコンセンサス再利用の観点で非常に先進的だが、オンチェーンガバナンスの効率とコンセンサスの強要件が一致しなかったため、ポルカドットの平行チェーンは注目されにくくなっている。
さて、マージ後のPoSコンセンサスを持つイーサリアムに戻ろう。イーサリアムは優れたコンセンサス層製品のリソースである。長年のPoW蓄積により高額な価値を形成し、長年の探索と反復で成熟したPoSメカニズム、充実したスマートコントラクトプラットフォーム、そして活発に発展する実行層製品群により、PoSイーサリアムを次世代コンセンサス層製品として活用する条件はすでに整っている。
現在のイーサリアムステーキングの仕組みを基に、適切なインセンティブとペナルティ設計により、ステークされたETHを再利用し、オラクルネットワークやクロスチェーンブリッジなど他のネットワークを保護できる。
EigenLayerはこの分野で長年研究を重ね、最近ホワイトペーパーを発表し、「Restaking」概念を正式に提唱した。また、最近注目の流動性ステーキング派生品（Liquid Staking Derivatives）も大量のステーク済みETHを保有しており、適切なコンセンサス層製品が登場すれば、シームレスにコンセンサス提供者として参加できる。
結び
現代のソフトウェア開発では、マイクロサービスアーキテクチャが主流である。アプリケーションを機能・特性ごとに独立したサービスに分割し、各サービスが自律的に開発・展開・運用され、通信とデータ共有により柔軟に組み合わされる。これにより、拡張性、柔軟性、保守性が大幅に向上する。マイクロサービスは徐々に成熟しているが、分散トランザクション、サービス管理、セキュリティなどの課題はある。しかし、技術の進歩と経験の蓄積により、それらは少しずつ解決されつつある。
モジュール型ブロックチェーンは、マイクロサービスアーキテクチャと多くの共通点を持つ。ブロックチェーンの進化とともに、今後重要な方向性となるだろう。現在、実行層製品はますます多くの計算処理を担い、ユーザー・取引データなどの指標で卓越した成果を上げている。データ可用性層とコンセンサス層もそれぞれの領域で前進しており、決済層の機能はまだ開発途上である。これらモジュール間の柔軟な組み合わせが、無限の可能性を生み出すだろう。未来において、モジュール型ブロックチェーンはさらなる革新と機会をもたらし、ブロックチェーン技術の応用と発展に大きく貢献すると信じている。
参考資料
https://developer.offchainlabs.com/docs/home
https://community.optimism.io/
https://starkware.co/starknet/
https://zksync.io/dev/
https://scroll.io/
https://taiko.xyz/
https://www.paradigm.xyz/2022/08/dasData Availability Sampling: From Basics to Open Problems
https://arxiv.org/abs/1809.09044Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities
https://ethereum.org/en/developers/docs/data-availability/
https://ethresear.ch/t/the-stateless-client-concept/172/13
https://notes.ethereum.org/@vbuterin/proto_danksharding_faq
ArkStream Capitalは、純粋な暗号資産関係者が設立したプライマリーマーケットファンドであり、投資、戦略コンサルティング、成長支援を一体化し、Web3.0のユニコーン企業育成を推進している。チームメンバーはMIT、Stanford、SUSTech、UBS、Accenture、Tencent、Googleなど出身。投資案件にはAAVE、Filecoin、Republic、FLOW、Pocket、Secret、Secondliveなどが含まれる。
Website：https://arkstream.capital/
Medium: https://arkstreamcapital.medium.com/
Twitter: https://twitter.com/ark_stream
TechFlow公式コミュニティへようこそ
Telegram購読グループ：https://t.me/TechFlowDaily
Twitter公式アカウント：https://x.com/TechFlowPost
Twitter英語アカウント：https://x.com/BlockFlow_News
Arkstream Capital
