モジュラー型ブロックチェーン：Web3の最後のピース

2024.05.14

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モジュラー型ブロックチェーン：Web3の最後のピース

モジュラー型ブロックチェーンのトレンドは、技術的な変革にとどまらず、ブロックチェーンエコシステム全体が将来の課題に備えるための重要な戦略でもある。

2024.05.14 - 01:22:05

模块化

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執筆：GeekCartel

一. はじめに

モジュラー型ブロックチェーンは、専門化と分業を通じてシステムの効率性とスケーラビリティを高めることを目指した革新的なブロックチェーン設計パラダイムです。モジュラー型ブロックチェーンが登場する以前、単体（モノリシック）チェーンは実行層、データ可用性層、コンセンサス層、決済層などすべてのタスクを処理しなければなりませんでした。モジュラー型ブロックチェーンはこれらの作業を自由に組み合わせ可能なモジュールとして扱い、各モジュールが特定の機能に特化することで問題を解決します。

実行（Execution）層：トランザクションの処理・検証およびブロックチェーン状態の変更管理を担当します。
コンセンサス（Consensus）層：トランザクション順序について合意を得ます。
決済（Settlement）層：取引の完了、証明の検証を行い、異なる実行層間の橋渡しを担います。
データ可用性（Data Availability）層：ネットワーク参加者が検証できるよう、必要なデータが利用可能であることを保証します。

モジュラー型ブロックチェーンのトレンドは技術的変革にとどまらず、ブロックチェーンエコシステム全体が将来の課題に立ち向かうための重要な戦略でもあります。GeekCartelはモジュラー型ブロックチェーンの概念と関連プロジェクトを分析し、包括的で実用的な知識解説を提供することで、読者がモジュラー型ブロックチェーンをより深く理解し、将来の発展を見通せるようにすることを目指しています。注意：本文の内容は投資助言を構成しません。

二. モジュラー型ブロックチェーンの先駆者 -Celestia

2018年、Mustafa Albasan氏とVitalik Buterin氏は、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題に対する新しい解決策を示す画期的な論文を発表しました。「データ可用性サンプリングと詐欺証明」では、ネットワークノードの増加に伴ってストレージ容量が自動的に拡張される方法が紹介されました。2019年には、Mustafa Albasan氏がさらに研究を進め、「Lazy Ledger」という、データ可用性のみを処理するブロックチェーンシステムの概念を提唱しました。

これらのアイデアに基づき、Celestiaが誕生しました。これはモジュラー構造を採用した初のデータ可用性（DA）ネットワークであり、CometBFT およびCosmos SDKを活用して構築されたプルーフ・オブ・ステーク（PoS）ブロックチェーンで、スケーラビリティを大幅に向上させつつ、分散化の特性も維持しています。

DA層はあらゆるブロックチェーンの安全性にとって極めて重要であり、誰もが台帳をチェック・検証できることを保証する役割を果たします。ブロック生成者がすべてのデータが利用可能でない状態でブロックを提案した場合、そのブロックは最終確定されても無効なトランザクションを含む可能性があります。ブロックが有効であっても、完全に検証できないデータはユーザーおよびネットワーク機能に悪影響を及ぼします。

Celestiaはデータ可用性サンプリング（DAS）と名前空間付きメルクルツリー（NMT）という2つの主要機能を実現しています。DASにより、軽量ノードはブロック全体をダウンロードせずともデータ可用性を検証できます。一方、NMTsによりブロックデータをアプリケーションごとの独立した名前空間に分割でき、各アプリケーションは関連するデータだけをダウンロード・処理することで、データ処理負荷を大幅に削減できます。特に重要なのは、DASによってCelestiaはユーザー数（軽量ノード）の増加に応じてスケーリング可能でありながら、エンドユーザーのセキュリティを損なわない点です。

モジュラー型ブロックチェーンは、これまでにない形で新規チェーンの構築を可能にしています。さまざまなタイプのモジュラー型ブロックチェーンが目的やアーキテクチャに応じて協働できます。Celestia公式は、モジュラー・アーキテクチャに関する設計思想と事例を提示しており、モジュラー型ブロックチェーンの柔軟性と組み合わせ可能性を示しています：

図1 Layer1 と Layer2 アーキテクチャ

Layer 1 と Layer 2：Celestiaはこれを「素朴なモジュラー」と呼び、当初は単体Layer1であるイーサリアムのスケーラビリティを目的として開発されました。Layer2は実行に集中し、Layer1が他の重要な機能を提供します。

Celestiaは、Arbitrum Orbit、Optimism Stack、およびPolygon CDK（近日対応予定）といった技術スタックを用いたチェーンに対して、CelestiaをDA層として利用することをサポートしています。既存のLayer2はRollup技術を用いて、データ発行先をイーサリアムからCelestiaに切り替えることが可能です。ブロックのコミットメントはCelestia上に記録され、従来の単体チェーンへのデータ発行よりも高いスケーラビリティを実現します。
Celestiaは、Dymensionの技術コンポーネントを使って構築されたRollApp（アプリケーション専用チェーン）を実行層として使用することも可能で、これはイーサリアムのLayer1とLayer2の概念と類似しています。RollAppsの決済層はDymension Hub（後述）に依存し、DA層にはCelestiaを利用します。チェーン間通信はIBCプロトコルで行われます（IBCはCosmos SDKに基づく、ブロックチェーン間の相互接続を可能にするプロトコルであり、バイト単位で符号化できる任意のデータを共有できます）。

図2：実行、決済、DA層アーキテクチャ

実行、決済、データ可用性：最適化されたモジュラー型ブロックチェーンでは、実行層、決済層、データ可用性層をそれぞれ専用のモジュラー型ブロックチェーン間で分離することが可能です。

図3: 実行とDA層アーキテクチャ

実行とDA：モジュラー型ブロックチェーンの目的は柔軟性にあるため、実行層が必ずしも決済層にブロックを発行する必要はありません。例えば、決済層を経由せず、コンセンサス層とデータ可用性層の上に実行層のみを持つモジュラー型スタックを構築することも可能です。

このモジュラー型スタックでは、実行層は主権的（sovereign）となり、通常はソートおよびデータ可用性のために別のブロックチェーンにトランザクションを発行しますが、自らの決済を処理します。モジュラー型スタックの文脈では、主権Rollupが実行と決済を担い、DA層がコンセンサスとデータ可用性を処理します。

主権RollupとスマートコントラクトRollupの違いは以下の通りです：

スマートコントラクトRollupのトランザクションは、決済層のスマートコントラクトによって検証されます。一方、主権Rollupのトランザクションは、主権Rollupのノード自身が検証します。
スマートコントラクトRollupと比較して、主権Rollupのノードは自律性を持っています。主権Rollupでは、トランザクションのソートおよび妥当性はRollup自身のネットワークによって管理され、別個の決済層に依存しません。

現在、RollkitおよびSovereign SDKが、Celestia上で主権Rollupのテストネットを展開するためのフレームワークを提供しています。

三. ブロックチェーンエコシステムにおけるモジュラー型アプローチの探求

1. 実行層のモジュラー化

実行層のモジュラー化について説明する前に、まずRollup技術とは何かを理解しておく必要があります。

現在、実行層のモジュラー化技術は主にRollupに依存しており、これはLayer1チェーン外で動作するスケーリングソリューションです。このソリューションはオンチェーンではなくオフチェーンでトランザクションを実行するため、ブロックスペースの消費が少なく、イーサリアムにとっても重要なスケーリング手段の一つです。トランザクション実行後、複数のトランザクションデータまたは実行証明をLayer1に送信し、Layer1で決済を行います。Rollup技術は、分散性とセキュリティを維持しつつ、Layer1ネットワークにスケーラビリティを提供します。

図4: Rollup技術アーキテクチャ

イーサリアムを例に挙げると、ZK-RollupまたはOptimistic Rollupを用いることで、Rollup技術はさらなる性能およびプライバシーの向上を実現できます。

ZK-Rollupはゼロ知識証明を用いて集約されたトランザクションの正しさを検証し、トランザクションの安全性とプライバシーを確保します。
Optimistic Rollupは、イーサリアムメインチェーンにトランザクション状態を提出する前に、それらのトランザクションが有効であると仮定します。挑戦期間中、誰もが詐欺証明を計算してトランザクションを検証できます。

1.1 イーサリアムLayer2：未来のスケーリングソリューションの構築

イーサリアムは当初、サイドチェーンとシャーディング技術を用いてスケーリングを図りましたが、サイドチェーンは高いスループットを実現するために分散性と安全性の一部を犠牲にしていました。一方、Layer2 Rollupsの発展は予想以上に速く、すでに大幅な拡張を実現しており、Proto-Danksharding導入後にはさらに拡張が見込まれます。このため、「シャードチェーン」は不要となり、イーサリアムのロードマップから削除されました。

イーサリアムは実行層をRollup技術に基づくLayer2に外部委託することでメインチェーンの負荷を軽減し、EVMはRollup層上で実行されるスマートコントラクトに標準化された安全な実行環境を提供します。いくつかのRollupソリューションはEVMとの互換性を考慮して設計されており、Rollup層上のスマートコントラクトが引き続きEVMの特徴や機能を活用できるようになっています。例えば、OP Mainnet、Arbitrum One、Polygon zkEVM などが該当します。

図5: イーサリアムの第2層スケーリングソリューション

これらのLayer2はスマートコントラクトの実行およびトランザクション処理を行いますが、以下の点では依然としてイーサリアムに依存しています：

決済：すべてのRollupトランザクションはイーサリアムメインネット上で完了します。Optimistic Rollupsのユーザーは、挑戦期間が終了するまで待つか、反詐欺計算後にトランザクションが有効とみなされます。ZK Rollups のユーザーは、有効性が証明されるまで待機する必要があります。
コンセンサスおよびデータ可用性：RollupsはCallData形式でトランザクションデータをイーサリアムメインネットに発行し、誰もがRollupトランザクションを再実行し、必要に応じて状態を再構築できるようにします。イーサリアムメインチェーンでの確定前に、Optimistic Rollupsは大量のブロックスペースと7日間の挑戦期間を必要とします。ZK Rollupsは即時最終性を提供し、検証用データを30日間保存しますが、証明の生成には大量の計算能力が必要です。

1.2 B² Network：ビットコイン初のZK-Rollup

B² Networkは、ビットコイン初のZK-Rollupであり、安全性を犠牲にすることなくトランザクション速度を向上させます。Rollup技術を活用することで、B² Networkはチューリング完全なスマートコントラクトを実行できるオフチェーン取引プラットフォームを提供し、取引効率を高め、コストを最小限に抑えます。

図6：B² Networkアーキテクチャ

図に示すように、B² NetworkのZK-Rollup層はzkEVMソリューションを採用しており、Layer2ネットワーク内のユーザートランザクションの実行および関連する証明出力を担当しています。

他のRollupと異なり、B² NetworkのZK-Rollupは、アカウント抽象化モジュール、RPC Service、Mempool、Sequencers、zkEVM、Aggregators、Synchronizers、Proverなどの複数のコンポーネントから構成されています。アカウント抽象化モジュールはネイティブアカウント抽象化を実現し、ユーザーがアカウントに高度なセキュリティと優れたUXを柔軟にプログラミングできるようにします。zkEVMはEVMと互換性があり、開発者が他のEVM互換チェーンからDAppをB² Networkに移行することを支援します。

Synchronizersは、B²ノードからRollup層への情報を同期させるもので、シーケンス情報、ビットコイン取引データなどを含みます。B²ノードはオフチェーン検証者として機能し、B²ネットワーク内の複数の独自機能を実行します。B²ノード内のBitcoin Committerモジュールは、B² Rollupデータを記録するデータ構造を作成し、「B²インスクリプション」と呼ばれるTapscriptを生成します。次に、Bitcoin Committerは1サトシ（satoshi）のUTXOを$B^{2}$インスクリプションを含むTaproot アドレスに送信し、これによりRollupデータがビットコインに書き込まれます。

また、Bitcoin Committerは時間ロックによる挑戦を設定し、挑戦者がzk証明の検証に対するコミットメントに異議を唱えられるようにします。時間ロック期間中に挑戦者がいない、または挑戦が失敗した場合、Rollupはビットコイン上で最終的に確定します。挑戦が成功した場合は、Rollupはロールバックされます。

イーサリアムであろうとビットコインであろうと、本質的にLayer1は単体チェーンであり、Layer2から拡張されたデータを受け取ります。ほとんどの場合、Layer2の容量はLayer1の容量に依存しています。したがって、可伸縮性の観点から見ると、Layer1とLayer2スタックの実装は理想的ではありません。Layer1がスループット上限に達すると、Layer2も影響を受け、取引手数料の上昇や確認時間の延長につながり、システム全体の効率とユーザー体験に悪影響を及ぼします。

2. DA層のモジュラー化

CelestiaのDAソリューションがLayer2で好まれていることに加え、他にもDAに特化した革新的なソリューションが相次いで登場し、ブロックチェーンエコシステム全体で重要な役割を果たしています。

2.1 EigenDA：Rollup技術への強化

EigenDA は、安全で高スループットかつ分散化されたDAサービスであり、その設計はDankshardingから着想を得ています。RollupはデータをEigenDAに発行することで、EigenLayerエコシステム全体で低い取引コスト、高い取引スループット、安全な相互運用性を実現できます。

イーサリアムRollupが分散化された一時的データストレージを構築する際、データストレージはEigenDAオペレーターが直接処理できます。オペレーター（Operators）とは、ネットワーク運営に参加し、データの処理、検証、保存を担当する者です。EigenDAはステーキング量とオペレーターの増加に応じて水平方向にスケーリングできます。

EigenDAはRollup技術と組み合わせ、DA部分をオフチェーンで処理することでスケーラビリティを実現します。そのため、実際の取引データをすべてのノードで複製・保存する必要がなくなり、帯域幅とストレージの需要が減少します。オンチェーンでは、データ可用性に関連するメタデータと責任追及メカニズム（问责）のみを処理します（責任追及によりデータはオフチェーンに保存されても、必要時にその完全性と真正性を検証できます）。

図7: EigenDAの基本データフロー

図に示すように、RollupはトランザクションのバッチをDA層に書き込みます。悪意あるデータを検出するための詐欺証明システムとは異なり、EigenDAはデータをブロックに分割し、KZGコミットメントと多重開示証明を生成します。EigenDAはノードに全blobをダウンロードする代わりに少量のデータ[O（1/n）]のダウンロードを要求します。Rollupの詐欺仲裁プロトコルは、blobデータがEigenDA証明で提供されたKZGコミットメントと一致しているかを検証できます。この検証を行うことで、Layer2チェーンはRollupのステートルートの取引データがソータ／プロポーザによって操作されていないことを保証できます。

2.2 Nubit：ビットコイン初のモジュラー型DAソリューション

Nubit は、スケーラブルでビットコインネイティブなDA層です。Nubitはビットコインネイティブな未来を開拓しており、データスループットと可用性サービスを向上させ、エコシステムの成長するニーズに対応しようとしています。彼らのビジョンは、大規模な開発者コミュニティをビットコインエコシステムに取り込み、スケーラブルで安全かつ分散化されたツールを提供することです。

NubitのチームメンバーはUCSB（カリフォルニア大学サンタバーバラ校）の教授および博士課程学生であり、卓越した学術的評価と世界的影響力を持っています。彼らは学術研究に精通しているだけでなく、ブロックチェーンのエンジニアリング実装においても豊富な経験を持っています。チームはdomo（BRC20の創始者）とともにモジュラー型インデクサーの論文を執筆し、DA層の設計をビットコインmetaプロトコルのインデクサー構造に統合し、業界標準の確立に貢献しています。

Nubitの核心的革新：コンセンサスメカニズム、信頼不要なブリッジ、データ可用性。Nubitは革新的なコンセンサスアルゴリズムとライトニングネットワークを活用して、ビットコインの完全な検閲耐性を継承し、DASで効率を向上させます：

コンセンサスメカニズム：Nubitは、署名集約に使用されるPBFT( 実用的ビザンチンフォールトトレランス )に基づく、SNARK支援の効率的なコンセンサスを探索しています。PBFTスキームとzkSNARK技術を組み合わせることで、検証者間の署名検証における通信複雑度を著しく削減でき、データセット全体にアクセスすることなくトランザクションの正しさを検証できます。
DAS：NubitのDASは、ブロックデータの小部分に対して複数回のランダムサンプリングを行うことで実現されています。各回の成功したサンプリングにより、データが完全に利用可能である可能性が高まります。所定の信頼レベルに達すれば、ブロックデータは利用可能とみなされます。
Trustless Bridge：Nubitは、ライトニングネットワークの支払いチャネルを利用する信頼不要なブリッジを使用しています。この方法は、ネイティブなビットコイン支払い方式と整合しており、追加の信頼要件を課しません。既存のブリッジソリューションと比較して、ユーザーにとってリスクが低くなります。