サイドチェーン vs ロールアップ：スケーラビリティ解決策の違いと選択
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サイドチェーン vs ロールアップ：スケーラビリティ解決策の違いと選択
本稿では、Rollupsとサイドチェーンの概要を説明し、それらがアーキテクチャ、セキュリティ保証、スケーラビリティ性能等方面でどのように異なるかを考察する。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Emmanuel Awosika
編集：TechFlow
サイドチェーンとロールアップは、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題を解決するための二つのアプローチです。これらのソリューションの基本的な考え方は、リソースに制約のあるブロックチェーン（例：イーサリアム）から計算処理を、大規模化に最適化された独立したブロックチェーンへ移転することです。この方法により、トランザクションごとのコスト削減、遅延の低減、全体的なスループット向上といった利点が得られます。しかし、ここまでの類似点はそれだけです。
サイドチェーンとロールアップは、拡張のアプローチそのものに根本的な違いがあり、設計上の意思決定やトレードオフも異なります。これらのソリューションを利用してスケーラブルなdappを構築しようとする開発者にとって、それらの違いを理解することは極めて重要です。
本稿では、ロールアップとサイドチェーンの概要を説明し、アーキテクチャ、セキュリティ保証、スケーリング性能などの面での相違点を探ります。
サイドチェーンとは？
サイドチェーンとは、「メインチェーン」と呼ばれる別のブロックチェーンと並行して動作するブロックチェーンネットワークです。通常、サイドチェーンは双方向のクロスチェーンブリッジを通じてメインチェーンに接続され、両ネットワーク間での資産移動や、場合によってはコントラクト状態、Merkle証明、特定トランザクションの結果など任意のデータの転送が可能になります。
多くのサイドチェーンは、メインチェーンとは独立した独自のコンセンサスメカニズムとバリデータを持っています。これにより、他のブロックチェーンに依存せずにトランザクションを決済・完了できます。ただし、これはつまり、サイドチェーンに橋渡しされた資金の安全性が、バリデータによる悪意ある行為を防ぐための強力な暗号経済的インセンティブに依存していることを意味します。
サイドチェーンの種類
EVM互換および非EVMサイドチェーン： EVM互換のサイドチェーンは、イーサリアム上でのスマートコントラクト展開に使用される実行環境であるイーサリアム仮想マシン（Ethereum Virtual Machine）のカスタム実装を使用しています。実際、これらの大半のブロックチェーンは当初、イーサリアムプロトコルで最も普及している実装であるgo-ethereum（通称Geth）をフォークして開始されています。
EVM互換のサイドチェーンは、スマートコントラクトのサポートなどイーサリアム設計の大部分の特性を維持しつつ、実行効率とスループットを高めるために特にコンセンサスメカニズムなどで最適化されています。現在、EVM互換のサイドチェーンではSolidityなどのEVM言語で書かれたスマートコントラクトが多数動作しており、dappユーザーのコストと遅延を低減しています。
一方、非EVMサイドチェーンは異なる仮想マシンアーキテクチャを採用しており、大量のコード再構築なしにはイーサリアムネイティブなdappを実行できません。非EVMチェーン上で開発を行う者は、Truffle、Remix、Hardhatといった馴染み深いEVM開発環境やツールを利用できず、RustやGolangなどの別言語を学ぶ必要があるかもしれません。
注：Avalanche、Fantom、Celo、PalmはEVM互換サイドチェーンの一例です。NEAR、Solana、Algorandは非EVMサイドチェーンの一例です。
コミットチェーンとOptimisticサイドチェーン： すべてのサイドチェーンが自らのセキュリティのみに依存しているわけではありません。コミットチェーンやOptimisticチェーンのような一部のサイドチェーンは、メインチェーンからの一定のセキュリティ保証に依存しています。コミットチェーンは、定期的に別のブロックチェーンに暗号的コミットメント（例：ブロックヘッダー）を提出することで最新状態を更新します。メインチェーンはサイドチェーンの状態にアクセスできないためこれらのステート証明を検証できませんが、正直な参加者が無効なブロックヘッダーに対して確認前に異議を唱えることができることを保証します。
通常、これはメインチェーン上に設置されたスマートコントラクトによって実現され、サイドチェーンのバリデータに対する報酬、ステーキング、交代、ペナルティ処理を行います。バリデータが証明可能な違反（例：同じ高さで2つのブロックに署名）を行った場合、誰でもその証拠をスマートコントラクトに提出し、そのバリデータのステークをスラッシュできます。
Optimisticチェーンも同様に、バリデータが定期的にブロックヘッダーをメインチェーン上のスマートコントラクトに提出することを要求します。しかし、Optimisticチェーンには個別のコンセンサスメカニズムがなく、ブロックヘッダーは単に有効と見なされ、不正行為が検出されるまで異議が提起されません。このため、Optimisticチェーンはたった1人の（正直な）バリデータだけで動作可能ですが、コミットサイドチェーンは正常に機能するために複数のバリデータを必要とします。
いずれの場合も、正直な参加者は親ブロックチェーンに対してサイドチェーン上で発生した悪意ある行為を証明できます。これにより、サイドチェーンの大多数のバリデータが悪意を持っていても、ユーザーはある程度のセキュリティを確保できます。
ただし、正直な参加者がブロック内に保存された状態データにアクセスしない限り、悪意ある行為を証明できないことに注意が必要です。しかし、メインチェーンはサイドチェーンからのブロックヘッダー（ブロックボディではない）しか受け取らないため、ブロックデータの可用性を保証できません。これにより、不正なブロック提案者はデータを隠蔽することで不正行為（例：ブリッジからの資金窃取）を行う余地があります。
この問題は「データ可用性問題」と呼ばれ、すべてのサイドチェーン（コミットチェーン、Optimisticサイドチェーン、ロールアップを含む）のセキュリティ属性の差異の中心にあります。
ロールアップとは？
ロールアップは、独立した実行環境でトランザクションを処理することで基盤となるブロックチェーンのスケーラビリティを向上させます。サイドチェーンと同様に、ロールアップも親ブロックチェーンとロールアップ間での資産移動を可能にするクロスチェーンブリッジを備えています。また、ユーザーの計算速度とコスト効率を高めるための最適化も施されています。
しかし、ロールアップは定期的にブロックをメインチェーンに提出することで、基盤チェーンのセキュリティと非中央集権的特性を継承します。つまり、親ブロックチェーンはロールアップに対して以下のセキュリティ属性を保証します：
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可用性：ロールアップのブロックの可用性は、データがより分散化され安全な親ネットワーク上に保存されているため保証されます。例えば、ユーザーは常にブリッジコントラクトに対してロールアップ状態の詳細（特定のトークン保有など）を証明し、ロールアップのバリデータがトランザクションデータを隠匿した場合でも資金を引き出すことができます。
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有効性：母チェーンが強制する有効性条件を満たすロールアップブロックのみが最終確定されます。
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存続性：ロールアップのデータがベースレイヤーに保存されているため、誰でもロールアップの最後の有効な状態を再構築し、新しいブロックを生成できます。さらに、ユーザーはトランザクションをロールアップのオンチェーンスマートコントラクトに送信することで、それをロールアップに強制的に取り込ませることができます。
ロールアップの種類
ロールアップには二つの形式があります：Optimistic型とゼロ知識型です。ゼロ知識型ロールアップ（有効性ロールアップとも）は、チェーン外のトランザクションが正しく実行されたことを確認する証明とともにブロックを母チェーンに提出します。証明がオンチェーンで検証されれば、そのブロックは基盤層で最終確定されます。
Optimistic型ロールアップは、チェーン外計算の有効性を証明するものなしにブロックを提出します。他者が「詐欺証明」により特定のトランザクション結果に異議を唱えない限り、ブロックは単に有効と仮定されます。詐欺証明は検証ゲームの形を取り、母チェーンの介入のもとで双方が計算内容を争い、不正な当事者が特定されるまで続きます。
Optimistic型ロールアップという名称は、状態遷移の多くが有効であるというOptimisticな前提に基づいています。しかし、このOptimisticな前提は暗号経済的インセンティブと組み合わされることで、無効なブロックが長期間異議申し立てられない限り、メインチェーンで最終確定されることはないことが保証されています。
注：ArbitrumとOptimismはOptimistic型ロールアップの一例です。
EVM互換性は、Optimistic型とゼロ知識型ロールアップのもう一つの顕著な違いです。Optimistic型ロールアップはEVM互換ですが、ゼロ知識型ロールアップはEVM互換性において差異があります。証明回路内でネイティブなEVM命令を証明することは複雑かつリソース集約的であるため、一部の有効性ロールアップはより効率的な証明に最適化されたカスタム仮想マシン命令セットを使用しています。
EVM互換のZK-Rollupについては、その実行環境を「ゼロ知識EVM（ZK-EVM）」と呼びます。ZK-EVMは、イーサリアムのスマートコントラクトをチェーン外で実行し、すべての計算部分が正しく実行されたことを証明できます。そのため、無効な実行を防ぐために暗号経済的インセンティブと正直な前提に依存するOptimistic型ロールアップと比べ、ZK-Rollupはより安全だと考えられています。
Lineaは完全なEVM対応を持つ第2層有効性ロールアップの一例で、開発者がイーサリアムのインフラやツールを再利用してdappを構築できるようにしています。一方、StarkNetのような非EVMのZK-Rollupへのデプロイには、（a）異なるスタックでスマートコントラクトを構築するか、（b）コードベースを変更してStarkNet仮想マシン上で動作させる必要があります。
サイドチェーンとロールアップの違い
スループット：サイドチェーンの平均トランザクション処理量は、通常ロールアップよりも高いです。これは、メインチェーンのコンセンサスやデータ可用性に依存しないためです。例えば、サイドチェーンは大きなブロックサイズと非常に速いブロック生成時間を実現でき、より高いスループットを得られますが、ロールアップはそうできません。
ロールアップは、バッチ処理するトランザクションが多すぎて単一のメインチェーンブロックに収まらなくなることを避ける必要があります。そうでなければ、基盤層の混雑が再発し、ロールアップが生成するブロックに追いつくのが難しくなります。したがって、ロールアップの母チェーンのデータ帯域は、そのスループットに実質的な制限を課しています。
メインチェーンのセキュリティに部分的に依存するサイドチェーン（コミットチェーンやOptimisticチェーンなど）であっても、そのスループットはロールアップを上回る傾向があります。
コスト：ユーザーは、サイドチェーンでの取引においてロールアップよりも少ない手数料を支払う可能性があります。サイドチェーンとロールアップの他の違いと同様に、これはロールアップが母チェーンに決済と最終性のために依存していることに起因します。以下は、ロールアップが発生させる運用コスト（これらはユーザーが負担）です：
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データストレージ：ロールアップのブロックを基盤層に提出すると、固定コスト（ブロック内にトランザクションを含めるコスト）と可変コスト（ロールアップブロックのサイズに基づく）が発生します。そのため、ロールアップはユーザーに計算費とデータ費の両方を請求し、データ量の多いトランザクションほど高い料金を請求します。
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証明生成と検証：ゼロ知識ロールアップは、基盤層での検証用に有効性証明を生成する必要があり、これにより追加コストが発生します。有効性証明の検証には大量のリソースが必要で、例えばイーサリアム上では現在約50万Gasのコストがかかります。
純粋なサイドチェーンは上記のコストを発生しないため、利用コストは低くなります。コミットチェーンやOptimisticサイドチェーンはブロックヘッダーの提出など若干の追加コストを発生させるかもしれませんが、これらは無視できるレベルです。また、複数のブロックヘッダーを1つのトランザクションにまとめるなどしてコストを削減できます。
最終性：自らのセキュリティを完全に管理するサイドチェーンは即時最終性を持ち、大多数のバリデータの承認を得た時点でブロックは取り消せなくなります。しかし、コミットチェーンやOptimisticサイドチェーンはこのルールの例外であり、ブロックヘッダーの最終性を遅らせる可能性のある異議申し立てを考慮しなければなりません。
一般的に、ロールアップの最終性時間は純粋なサイドチェーンよりも長くなります。理由はさまざまです。例えば、Optimisticロールアップは、正直な参加者が無効な状態更新に異議を唱える十分な時間を確保するために、トランザクションの確定を遅らせます。
有効性ロールアップは検証後即時に最終性を持ちますが、純粋なサイドチェーンと比較すると最終性時間は長くなります。有効性証明の生成・検証には高コストがかかるため、シーケンサーは証明の生成と提出前に多数のトランザクションを蓄積する傾向があります。
セキュリティ：ロールアップ（Optimisticまたはゼロ知識）のセキュリティは基盤ブロックチェーンによって保証され、ユーザーの信頼前提が減少します。前述の通り、ロールアップは（経済的に安全な）母チェーンにコンセンサスとデータ可用性を依存しており（サイドチェーンとは異なる）、これにより検閲、出金凍結、無効な実行などのリスクが低下します。
純粋なサイドチェーンは自らのセキュリティを担いますが、多様で信頼できるバリデータを立ち上げるのは困難であり、これがサイドチェーンがロールアップより安全度が低いと考えられる理由です。
コミットチェーンやOptimisticサイドチェーンは純粋なサイドチェーンよりやや安全ですが、ユーザーはバリデータとプロポーザーがデータを提供することを信頼しなければなりません。もしデータ隠蔽攻撃が罰則なしに行われた場合、コミットチェーンやOptimisticサイドチェーンには何のセキュリティ保証もありません。
ブリッジ：ロールアップとサイドチェーン（ほとんどの場合）は同じ資産ブリッジ方式を使用します：メインチェーン上のスマートコントラクトにXトークンをロックし、サブチェーン上でユーザーにXトークンを発行します。違いは、ブリッジコントラクトに預けられた資金の保護方法にあります。
ロールアップは特定の基盤チェーン専用であるため、通常は両者をつなぐ「標準ブリッジ」が存在します。ロールアップブリッジに預けられた資金は母チェーンによって保護されます：
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有効性ロールアップへの資金は、退出トランザクションを含むバッチに関連する証明がオンチェーンで検証されて初めて引き出せます。
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Optimisticロールアップの場合、ユーザーは出金トランザクションを含むブロックが異議申し立てウィンドウ（約1〜2週間）終了後に異議がなければ、資金を引き出せます。
一方、サイドチェーンブリッジに預けられた資金の安全性はその設計に依存します。例えば、サイドチェーンが別のブロックチェーンと標準的なクロスチェーンブリッジを持っている場合、ブリッジ資金の安全性はバリデータの正直さに依存します。また、ブリッジが全バリデータ（例：Polygon PoS ブリッジ）によって検証されるか、あるいは少数の外部バリデータ（例：Avalanche-Ethereum ブリッジ）によって検証されるかも問題となります。
ロールアップとサイドチェーンのブリッジ間の最終性時間の違いも、両者の差異を説明しています。例えば、Optimisticロールアップのユーザーは資金をメインチェーンに橋渡しする際により長い遅延を経験します。これは異議申し立てウィンドウを待つ必要があるためです。一方、サイドチェーンでは、一旦最終確定されたブロックヘッダー（および必要な場合は有効なMerkle証明）を受け取れば、ユーザーはブリッジコントラクトから資金を引き出すことができます。
ロールアップとサイドチェーンの選択
スマートコントラクトをデプロイする際、ロールアップとサイドチェーンのどちらを選ぶかは、目標、ユーザーの反応、プロジェクトの要件によります。以下は、異なる状況下でロールアップ、サイドチェーン、または両方を使うメリットです。
ロールアップを使うべきとき：
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ユーザーが最高レベルのセキュリティ保証を求める場合。
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ユーザーがわずかに高いコストと増加した遅延／最終性を許容できる場合。ロールアップのコストはイーサリアムよりはるかに低く、速度も速い（桁違い）ですが、これらの指標ではサイドチェーンに匹敵しません。
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自分自身（またはユーザー）が母チェーンエコシステム（例：イーサリアム）とより緊密な関係を築きたい場合。
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ロールアップ上でのDAppユーザー体験の改善を目指す場合。これには、Optimisticロールアップからの出金遅延を減らすための流動性プロバイダーの活用、またはユーザーがスマートコントラクトと相互作用する際に生成されるトランザクションデータを削減するためのコード最適化などが含まれます。
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EVMツールとインフラを使ってDAppを構築したい場合。多くのロールアップはEVMと互換性があり、イーサリアムと同じツール、クライアントソフトウェア、ノードAPIを使用しています。
サイドチェーンを使うべきとき：
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ユーザーが最低の手数料で取引をしたい場合。
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ユーザーが特に資金のブリッジング時において迅速な処理を望む場合。
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ユーザーが増加した信頼前提と低いセキュリティ保証を許容できる場合。
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自分自身（またはユーザー）がメインチェーンエコシステムとの緊密な関係を最重要視しない場合。
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DApp構築のために新しいプログラミング言語、ツール、インフラを学習できる場合（非EVMサイドチェーン使用時）。
サイドチェーンとロールアップの両方を使うべきとき：
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すでに一つのブロックチェーン上で強いネットワーク効果を確立しており、複数のエコシステムに同時に拡張する準備ができている場合（例：流動性の活用のため）。
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異なるタイプのユーザーに対応し、市場の片方に配慮しすぎないよう配慮したい場合。
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プロジェクトがクロスチェーン拡張を処理するのに十分なリソースを持っている場合。これは、異なるチームが異なるブロックチェーンプラットフォーム上でDAppを展開するような体制を意味するかもしれません。
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