Layer2があるのに、なぜLayer3が必要なのか？
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Layer2があるのに、なぜLayer3が必要なのか？
イーサリアムのスケーリング物語は、Layer3で幕を閉じるかもしれない？
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者：Cynic
TL;DR
1、Layer1からLayer2へ
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技術的にスケーリングをどう実現するか？ イーサリアムはRollupを唯一のLayer2ソリューションと見なしており、これは非中央集権性とセキュリティを損なうことなく拡張性を提供できるためである。モジュール化の観点から見ると、Layer2が実行を担い、決済・合意形成・データ可用性はすべてLayer1が処理する。
2、Layer2からLayer3へ
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Layer2-Layer3とLayer1-Layer2にはどのような違いがあるのか？ Rollup技術はイーサリアムの計算ボトルネックを解決したが、データ可用性の問題までは解決していない。上位層は下位層に送る取引データを圧縮する必要があるが、この圧縮は繰り返せないため、Layer2-Layer3の性能向上は限定的となる。
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すでにLayer2があるのに、なぜLayer3が必要なのか？ Layer2は非中央集権性を維持し、汎用的な計算レイヤーとして相互運用性を提供する一方で、Layer3はアプリケーション特化型チェーンとして、各アプリケーションの特殊なニーズ（互換性、効率性、プライバシーなど）に対応すべきである。
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同じくアプリケーションチェーンエコシステムでも、Layer3とCosmosは何が違うのか？ Layer3はイーサリアムエコシステムに依存しているため、ユーザーと資金を集めやすいが、その分主権の一部を失っている。たとえばトークンによる価値捕獲が制限される。
3、Layer3からLayerXへ？
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Layer3の現状：Arbitrumは6月22日にOrbit Chainを発表。zkSyncは6月26日に数週間以内にZK Stackをリリースすると発表。Starknetエコシステムのmadaraはハッカソン中に24時間でStarknet Layer3アプリケーションチェーンのデプロイを支援した。
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Layer3が到来した今、Layer4やLayer5は遠いのか？ LK Ventureは、技術原理上、Layer3では単純な積み重ねによって性能飛躍はもはや期待できないと考えている。Layer1–2–3間のエコシステム連携は緊密（イーサリアムエコシステム）、相互運用性も従来の異種チェーン間より強く（クロスチェーンコストが安い）が、それでもエコシステムの完全継承は不可能である。イーサリアムのスケーリング物語は、Layer3で終焉を迎えるかもしれない。
Layer1からLayer2へ：スケーリング
ブロックチェーンには「不可能三角」というものがあり、セキュリティ・非中央集権性・スケーラビリティの3つを同時に達成することはできない。イーサリアムは前者2つを選択し、拡張性には課題を抱えている。普段のイーサリアムでのswapはGas Feeが$3～$4かかるが、取引量が増える好況期には$100近くになることもあり、混雑が深刻である。
先行優位により築かれた巨大なエコシステムを持つイーサリアムは、2018年以降、スケーラビリティを謳う新規パブリックチェーンが次々と登場しても、依然として市場を支配している。そのため、多くの人々はイーサリアム上でのスケーリングソリューションに注目している。
広く使われているのはサイドチェーン、Validium、Rollupの3つのアプローチであり、それぞれ異なる信頼前提を持っている。
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サイドチェーンはLayer1とは独立して動作するブロックチェーンであり、双方向ブリッジでイーサリアムメインネットと接続される。個別のブロックパラメータやコンセンサスアルゴリズムを持て、取引を効率的に処理できるが、イーサリアムのセキュリティは継承しない。
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Validiumは、データ可用性と計算をオフチェーンで行い、オフチェーンの取引をオンチェーンでゼロ知識証明で検証することでスループットを向上させ、Layer1上で安全性を確保する。
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Rollupはオフチェーンで計算を行い、データ可用性はLayer1に委ねる。オンチェーンに不正検出証明または有効性証明を提出し、Layer1のスマートコントラクトで検証を行うことで、イーサリアムのセキュリティを継承する。
イーサリアムは、非中央集権性とセキュリティを損なわずに拡張できる唯一のLayer2ソリューションとしてRollupを採用している。モジュール化の観点からは、Layer2が実行を担当し、決済・合意形成・データ可用性はすべてLayer1が担う。
提出する証明の種類により、RollupはOptimistic RollupとZK Rollupに分けられる。
Optimistic Rollupでは、Rollupが取引をまとめて処理し、一括取引・実行前の状態・実行後の状態をLayer1にデプロイされたRollupコントラクトに送信する。Layer1は状態遷移過程を検証せず、Rollupが提出した初期状態がLayer1コントラクトに保存されているものと同じであれば、楽観的に新しい状態に更新する。不正行為への対策は不正検出証明（fraud proof）によって行われる。一定期間の異議申し立て期間中に、他の検証者がそのステートルートに異議を唱え、Rollupコントラクトに不正証明を送信できる。これにより、Rollupの状態は異議前の確定状態に戻され、正当な状態が再計算され、結果に基づいて検証者に罰則が科される。実際には不正はほとんど発生しないため、楽観的な状態遷移は検証リソースを大幅に節約できる。
ZK Rollupとの違いは、状態遷移の際に検証が必要な点にある。これはLayer1のRollupコントラクトではなく、有効性証明（Validity Proof）をコントラクト内で検証し、検証完了後すぐに最終性を得る。1週間程度の異議期間を待つ必要がない。
Optimistic Rollupを採用するプロジェクトで最も成熟しているのはArbitrumとOptimismであり、ともにメインネット上稼働中である。Arbitrumは不正検出証明を実装済みだが、ホワイトリスト内のみの提出に限定されており、Optimismはまだ開発中である。両社とも、ソーターおよび検証者の非中央集権化を進めている。L2Beatのデータによると、2023年6月26日時点でArbitrum OneとOptimismのTVLはそれぞれ$5.81B、$2.25Bである。その他のOptimistic RollupプロジェクトにはBoba Network、Zora Network、Layer2.finance、Fuel、BNBOP、Coinbaseなどがあり、一部はOptimismチームがオープンソース化したOP Stackを使用している。
ZK Rollupを採用するプロジェクトでは、仮想機械をサポートするのは主にzkSync Era、StarkWare、Polygon zkEVMなどであり、現在メインネット上にあり、TVLはそれぞれ$618M、$68.11M、$42.65M。特定の取引タイプのみをサポートするのはdydx、Loopring、zkSync Liteなどで、TVLは$350M、$98.47M、$97.69M。現在のZK Rollupの開発方向はより良いイーサリアム互換性であり、開発中のzkEVMプロジェクトにはTaiko、Scroll、Lineaなどがある。
Layer2からLayer3へ：カスタマイズ
Layer2: 100倍、Layer3: 100倍² = 10000倍？
Layer1からLayer2へでコストは1/100になった。ならば、Layer2上に同様の操作でLayer3を構築すれば、コストは1/10000になると思われるかもしれない。残念ながら、答えはノーである。
Rollupは実行をオフチェーンに移すことで、確かにイーサリアムの計算問題を解決した。L1ノードは一括取引内の各取引を実行して状態遷移の正当性を検証する必要がなくなる。暗号学の再帰的証明技術のおかげで、計算は無限に再帰可能となり、理論上無制限の性能向上が可能である。しかし、データ可用性は積み重ねられない。Layer2は取引データをcalldata形式でイーサリアムのスマートコントラクトに送信する必要がある。取引データは圧縮されているが、同じ方法で2回圧縮することはできない。Layer3の取引データも最終的にはLayer1に提出されなければならない（さもなくばセキュリティを継承できない）。しかし、取引の圧縮率はこれ以上下げられず、データ可用性の面では積み重ねによるコスト削減は不可能である。
したがって、Layer3は単純な積み重ねの道を歩めず、StarkWareチームが提案するのはカスタマイズであり、Layer3とLayer2は異なる機能を担うべきである。
Layer2があるのに、なぜLayer3が必要か？
イーサリアムはセキュリティと非中央集権性を提供し、Layer2はスケーラビリティを提供する。つまりブロックチェーンの三難問題は解決済みではないか。なぜLayer3が必要なのか？
Layer3という概念は、StarkWareチームが「Fractal Scaling: From L2 to L3」という記事で最初に提唱したものである。StarkWareチームは、このような階層的構造・カプセル化の思想こそが、コンピュータ科学が活力を保つ核となる要諦だと考えている。さらに、Layer2上の仮想マシンは非中央集権性を維持し、汎用的な計算レイヤーとして相互運用性を提供すべきであり、Layer3はアプリケーション特化型チェーンとして、異なるアプリケーションの独自ニーズに応えるべきだと述べている。チューリング完全性は階層化の基盤を提供しており、理論的にはその上にあらゆるアプリケーションを作成できる。
実際、Layer2は汎用性を維持するために妥協せざるを得ず、すべてのアプリケーションのニーズを満たすことはできない。最も直接的な例は、StarkWareが証明生成をより効率的に行うために開発したCairo言語とCairoVMはイーサリアムと互換性がないため、これをLayer3チェーンで補完できる点である。
考えられるLayer3のユースケースには以下がある：
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互換性：Layer2の仮想マシン上で他の言語のインタプリタを実装し、他の仮想マシンと互換性を持つようにする
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効率性：アプリケーションが非常に高いTPS（例：ゲーム、SNS）を求める場合、Validum方式を採用して安全性の一部を犠牲にし、Layer2上で決済を行うことができる。また、自身のニーズに応じて取引フォーマットをカスタマイズし、より高い圧縮率を実現することも可能である。
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プライバシー：プライバシーチェーンを専用に構築し、Layer2上で決済を行うが、公開観測不能にする。
さらに、アプリケーションチェーンは専用であるため、他のアプリケーションからの直接的影響を受けにくく、パフォーマンスとコストが比較的安定している。また、ブリッジ取引を直接Layer1に送信する必要がなく、コストが低くなる。L2-L3間やL3-L3間のブリッジはより安価である。取引の一括提出においても、Layer3には明確な利点がある。一括提出に必要な固定Gasが低く、平均Gasを下げるために多くの取引をまとめて待つ必要がなく、Layer2における確認時間とコストのジレンマを大幅に緩和できる。
同じくアプリケーションチェーンエコシステムだが、Layer3とCosmosの違いは何か？
Cosmosは、最も早くからアプリケーションチェーンの概念を提唱したプロジェクトであり、Cosmos SDKを使うことで誰でも簡単に独自のアプリケーションチェーンをカスタマイズ・発行できる。Cosmos IBCはインターネットのTCP/IPプロトコルに相当し、Cosmos SDKで構築されたアプリケーションチェーン間にネイティブな相互運用性を提供する。簡単に言えば、Cosmosのビジョンは「万のチェーンが接続されるブロックチェーン宇宙」の構築である。
Layer3も相互運用性に力を入れている。同じ技術アーキテクチャにより、取引コストが低く、Layer3間のクロスチェーンは信頼不要・高速・安価な特徴を持つ。したがって、Layer3間の流動性は共有されると考えられる。相互運用性の観点では、Layer3とCosmosが提供する機能はほぼ同等である。
LK Ventureのリサーチチームは、Layer3とCosmosの最大の違いは、イーサリアムエコシステムへの強固な紐付けにあると考えており、これは強みでもあり、弱みでもある。
強みについて言えば、主にイーサリアムエコシステムの巨大な流動性とユーザー数にある。
Cosmosは技術的に優れており、大手企業のチェーン発行先としても人気だが、依然として市場占有率が低い運命を免れない。DeFiLlamaのデータによると、2023年6月26日時点でイーサリアムのTVLは$26.2Bであるのに対し、Cosmosエコシステム全体でも約$1Bに過ぎない。Layer3が成功するためには、イーサリアムエコシステムが鍵となる要素である。
弱みについては、イーサリアムへの過度な依存により、主権の一部を失っている点にある。
Cosmosチェーンの場合、トークンモデルはプロジェクト側が自由に設計でき、トークンの付加価値が強い。しかし、Layer3チェーンのネイティブトークンはイーサリアムに制約される。プロジェクト側がネイティブトークンをGas代として利用できるとはいえ、最終的に取引データをイーサリアムに提出するには$ETHが必要である。したがって、Gas代に$ETHではなく自社発行のネイティブトークンを使う場合、プロジェクト側は常にネイティブトークンを$ETHに交換する必要があり、結果的に価値は$ETHに還元される。
Layer3のもう一つの特徴は、Layer3上で行っていることは基本的にすべてLayer2に移行可能であり、それはDAレイヤーの選択次第である。
Layer3が依存するLayer2にセキュリティ上の脆弱性が発生したり、アクティブ性が低下した場合、Layer3は低コストで他のLayer2に移行でき、あるいは直接Layer1に依存してDAと決済を行うことで、Layer2に変身できる。イーサリアムエコシステムへの高い依存性ゆえに、Layer3上では多くの革新的な仕組みが生まれる可能性がある。
Layer3からLayerXへの展望
Layer3の現状
6月22日、Offchain LabsはArbitrum Orbit Chain発行ツールをリリースした。Orbit ChainはArbitrum Layer2上に構築されるLayer3であり、Arbitrum One、Arbitrum Nova、Arbitrum GoerliのいずれかのLayer2で決済を選択できる。ユーザーはRollupまたはAnytrust技術を自由に選べる。AnytrustはDACを利用し、取引データをオンチェーンに提出しない分、コストが安く済むが、セキュリティはやや劣る。Orbit Chainの利点は、簡単なチェーン発行プロセス、Arbitrumエコシステムとの相互運用性、Nitroによる即時アップデート、StylusによるEVM+互換性（Rust、C、C++記述可能、WASM仮想マシン上で実行）にある。誰でも容易に任意のOrbit Chainをカスタマイズ発行できるが、Arbitrum Layer2上で決済を行う必要があり、そうでない場合はOffchain LabsまたはArbitrum DAOの許可を得る必要がある。
6月26日、zkSyncは既存のオープンソースコードを数週間以内に改修し、ZK Stackをリリースすると発表した。これによりユーザーは独自のZKスーパーチェーンをカスタマイズ構築できるようになる。ArbitrumのOrbit Chainとは異なり、ZK Stackは主権と相互運用性を強調しており、ユーザーはニーズに応じて完全にカスタマイズ可能で、ZK Stackで構築されたチェーン同士はブリッジなしで相互運用できる。ZK StackはLayer2構築にもLayer3構築にも使用でき、公式は制限を設けておらず、zkSync上で決済する必要もない。この点から見ると、ZK Stackが提供する主権はより強いと言える。
Layer3の概念を最も早く提唱したStarkWareチームも、Starknetエコシステム内でLayer3の育成に力を入れており、Madaraは一般向けStackのテストを進めている。@PragmaOracleハッカソンでは、あるチームがMadaraを使って24時間でアプリケーションチェーンを発行した。ただし、Starknetは独自のzk-STARK証明技術を採用しており、技術的成熟度は比較的低く、製品の完成にはさらなる開発期間が必要で、その後に一般向けのStarknet Stackを公開する予定である。
現在のLayer3エコシステムはまだ初期段階にあるが、各Layer2が簡便なチェーン発行ツールを提供し始めているため、まもなく本格的なLayer3が稼働するだろう。インフラが徐々に整備される中、いかにしてユーザーを引きつけるかが、すべてのチェーンにとって最も重要な課題となっている。
Layer3が来た、LayerXはまだ遠いのか？
技術原理から見ると、Layer3では単純な積み重ねによって性能飛躍はもはや期待できない。もちろん、Layer3はカスタマイズにより特定の利点を得られるが、汎用性の損失によりさらなる積み重ねは困難になる。もちろん、望めばこの階層的積み重ねは無限に続けることができるが、LK Ventureのリサーチチームは、現時点ではこのような積み重ねが何の需要も満たさず、システムの複雑さが幾何級数的に増大すると考えている。
最も重要な点として、Layer1-Layer2-Layer3間のエコシステム連携は緊密（イーサリアムエコシステム）であり、従来の異種チェーン間よりも相互運用性が強く（クロスチェーンが安価）だが、それでもエコシステムの完全継承はできない。Arbitrum Oneにデプロイされたコントラクトは、Orbit Chain上で直接呼び出せない。zkSyncにデプロイされたDEXの流動性も、ZK Stackに直接集約できない。
今の状況は、ショッピングモールは建てられたが、ますます高くなっていく一方で、店舗や客が少ない。地下1階は賑わっている（イーサリアム）が、人々は高層階での消費を避けようとする。なぜなら、高層階の店舗数が低層階よりずっと少ないからだ。
したがって、LK Ventureのリサーチチームは、ブロックチェーン技術が超大規模に普及する前に、Layer3が大きなユーザー数を得るのは難しいと考えている。Layer4、Layer5……LayerNに至っては、特定のニーズを持つ個別アプリケーションが存在したとしても、おそらく「LayerN」と銘打って宣伝することはないだろう。
古語に言う、「道は一を生じ、一は二を生じ、二は三を生じ、三は万物を生ず」。イーサリアムのスケーリング物語は、Layer3で終わるのだろうか？ それにはまだ時間がかかるかもしれない。
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