VitalikがL2と実行シャーディングについて語る：何が違い、どのような課題があるのか？
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VitalikがL2と実行シャーディングについて語る：何が違い、どのような課題があるのか？
L2を中心とするエコシステムは、真の技術的意味においてまさにシャーディングである。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Vitalik Buterin
翻訳：Peng Sun、Foresight News
2年半前、「Endgame」という記事で、ブロックチェーンの将来の発展経路は、少なくとも技術的には非常に似通っていると述べました。どちらの場合も、チェーン上には大量のトランザクションが発生し、それらを処理するには（1）膨大な計算能力と（2）大量のデータ帯域幅が必要です。現在私のPC上で動作している2TBのrethアーカイブノードのような通常のイーサリアムノードは、優れたソフトウェアエンジニアリング性能とVerkleツリーを備えていても、巨大なデータ量と計算量を直接検証するには不十分です。その代わりに、「L1シャーディング」とロールアップ中心のアプローチのいずれにおいても、ZK-SNARKが計算の検証に、DASがデータ可用性の検証に使われます。L2シャードであろうとロールアップであろうと、DASの仕組みは同じであり、ZK-SNARK技術も同じです。これらはどちらもスマートコントラクトコードとして、またプロトコルの機能としても実装されます。真に技術的な意味で言えば、イーサリアムはすでにシャーディングを実施しており、ロールアップこそがまさにシャードそのものなのです。
こうなると当然、両者の違いは何なのかという疑問が浮かびます。一つの違いは、コードのバグによって生じる結果の相違です。ロールアップではトークンが盗まれる可能性がありますが、シャーディングではコンセンサス自体が破綻します。しかし、私は今後、プロトコルが安定化し、形式的検証（formal verification）技術が進歩することで、コードのバグによる影響は次第に小さくなると考えています。それならば、この二つの長期的に共存しうるアプローチの間には、他にどのような違いがあるのでしょうか？
実行環境の多様性
2019年、イーサリアムコミュニティ内で議論されたアイデアの一つが実行環境（Execution Environment）でした。本質的に、イーサリアムは異なる「ゾーン」を持つことになり、各ゾーンはアカウントモデル（UTXOのようなまったく異なる方式を含む）、仮想マシンの動作方法、その他の機能について独自のルールを設定できるようになります。これにより、スタックのさまざまなレイヤーで多様なアプローチを可能にする一方で、イーサリアムがすべての機能を一つに統合しようとすると、それが困難になるのです。
結局、私たちはより野心的な計画の一部を放棄し、EVMだけを残しました。しかし、イーサリアムL2（ロールアップ、ヴァリディウム、プラズマを含む）は、事実上最終的に実行環境の役割を果たしていると言えます。現在、私たちは主にEVM同等のL2に注目していますが、実はそこには多くの他のアプローチによる多様性が存在していることを無視しています：
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Arbitrum Stylusは、EVMに加えて、WASMに基づく第二の仮想マシンを提供しています；
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Fuelは、ビットコインに類似した（ただしより強力な）UTXOベースのアーキテクチャを使用しています；
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Aztecは、ZK-SNARKに基づいたプライバシー保護型スマートコントラクト設計のための新しい言語およびプログラミングパラダイムを導入しています。
UTXOベースのアーキテクチャ、出典：Fuelドキュメント
EVMをあらゆる可能なパラダイムを包含するスーパーバーチャルマシンにしようとする試みもできますが、そうすれば各機能の効率が大きく低下してしまい、むしろ各プラットフォームが専門分野に特化するほうが良いでしょう。
セキュリティのトレードオフ：スケーラビリティとトランザクション速度
イーサリアムL1は非常に強固なセキュリティを提供します。L1上で確定されたブロックに特定のデータが含まれている場合、コンセンサス全体（極端な場合はソーシャルコンセンサスさえも）が、そのデータが改ざんされず、それによって引き起こされたいかなる実行も取り消されず、かつデータへのアクセスが維持されることを保証しようとします。このようなセキュリティ保証を得るために、イーサリアムL1は高いコストを受け入れています。本稿執筆時点では、取引手数料は比較的低くなっています。Layer2では1トランザクションあたり1セント未満、L1でも基本的なETH送金は1ドル未満です。技術革新が十分に速ければ、利用可能なブロックスペースの増加が需要の増加に追いつき、将来的にもこれらの手数料は低いまま推移する可能性がありますが、必ずしもそうなるとは限りません。ソーシャルメディアやゲームなど多くの非金融アプリケーションにとって、1トランザクションあたり0.01ドルでも高すぎる場合があります。
しかし、ソーシャルメディアやゲームはL1と同じレベルのセキュリティモデルを必要としません。誰かが100万ドル払ってチェスで負けた記録を取り消したり、自分の投稿が実際に公開されてから3日後に公開されたように見せたりできても、問題ないのです。そのため、これらのアプリケーションは同じセキュリティコストを支払うべきではありません。L2は、ロールアップ、プラズマ、バリディウムまで、さまざまなデータ可用性の手法をサポートすることでこれを実現しています。
異なるL2タイプは、それぞれ異なるユースケースに適しています。詳しくはこちらをご覧ください。
もう一つのトレードオフは、L2からL2への資産転送に関わるもので生じます。今後5〜10年で、すべてのロールアップがZKロールアップになるだろうと予測しています。Biniusやlookups付きCircle STARKsといった超高速な証明システムに加え、証明集約層を利用することで、L2が各slotで最終状態ルートを提供することが可能になるでしょう。しかし現時点では、複雑な組み合わせを通じてオプティミスティックロールアップとZKロールアップを混在させ、異なる証明時間枠を用いる必要があります。もし2021年に実行シャーディングを実施していたなら、シャードの誠実性を保つためのセキュリティモデルはZKではなくオプティミスティックロールアップになっていたため、L1はチェーン上の詐欺証明ロジックを管理しなければならず、資産をシャード間で移動するには1週間の引き出し待ち時間が発生していたでしょう。しかし、コードのバグと同様に、この問題も一時的なものだと考えています。
トランザクション速度は、セキュリティのトレードオフにおける第三の側面であり、より永続的な側面でもあります。イーサリアムは12秒ごとにブロック生成を行いますが、それよりも短くすると、中央集権化が進みすぎてしまいます。しかし、多くのL2はブロック生成時間を数百ミリ秒まで圧縮することを模索しています。12秒は悪くありません。ユーザーはトランザクション送信後、平均して約6〜7秒待てば次のブロックに取り込まれます（単純に6秒ではないのは、次のブロックが直ちにそのトランザクションを取り込むとは限らないためです）。これは私がクレジットカードで支払いをする際に待つ時間とほぼ同じです。しかし、多くのアプリケーションはさらに速い速度を必要としており、L2はそれを実現できます。
より高速化するために、L2は「プリコンファメーション（preconfirmation）」という仕組みを持っています。つまり、L2自身のバリデーターがデジタル署名によって特定の時間内にトランザクションを含めることを約束し、もしそれが含まれなければペナルティを受けるというものです。StakeSureはこの仕組みをさらに一般化したものです。
L2のプリコンファメーション
今、我々はこれらのすべての機能をL1に実装しようとすることもできます。L1に「高速プリコンファメーション」と「低速ファイナルコンファメーション」のシステムを組み込むことも可能です。また、異なるセキュリティレベルを持つ複数のシャードを含めることもできます。しかし、これによりプロトコルの複雑さが増します。さらに、L1で全てを行うと、コンセンサスの過負荷リスクが生じます。なぜなら、より大規模または高スループットなアプローチほど、中央集権化のリスクが高かったり、より強い「ガバナンス」を必要とするため、L1でそれが行われると、その影響がプロトコルの他の部分にも波及してしまうからです。L2を通じてトレードオフを提供することで、イーサリアムはこういったリスクを大きく回避することができます。
組織と文化におけるL2の利点
ある国を二分する思想実験をしてみましょう。半分を資本主義国家に、もう半分を政府が強く統制する国家にしてみます（現実で起きたような戦争の結果ではなく、ここでは境界線が自然に出現したと仮定します）。資本主義側では、レストランはそれぞれ分散された所有権、ブロックチェーン、選挙権によって運営されています。政府主導側では、レストランは警察署のようにすべて政府の機関として運営されています。初日はあまり変化はありません。人々は既存の習慣に従い、労働スキルやインフラといった技術的現実に応じて、何がうまくいき、何がうまくいかないかが決まります。しかし、1年後には大きな変化が見られることでしょう。異なるインセンティブ構造と支配構造が行動の大きな違いを生み出し、人々の流入・流出、何が建設され、何が維持され、何が放置されるかに影響を与えるからです。
産業組織理論はこうした違いについて多くを語っています。それは政府管理経済と資本主義経済の違いだけでなく、大手フランチャイズ企業が支配する経済と、それぞれのスーパーが独立した起業家によって経営されている経済との違いについても言及しています。私は、L1中心のエコシステムとL2中心のエコシステムの違いも、これと同様であると考えます。
「コア開発者がすべてを管理する」アーキテクチャには重大な問題がある
L2中心のエコシステムとして、イーサリアムの主な利点は以下の通りです。
イーサリアムがL2中心のエコシステムであるため、独自の機能を持つサブエコシステムを自由に独立して構築しつつ、同時に大きなイーサリアムの一部となることができます。
単にイーサリアムクライアントを構築する場合、あなたは大きなイーサリアムの一部ではありますが、ある程度のイノベーション空間はあるものの、L2ほど広くはありません。一方、完全に独立したチェーンを構築する場合、創造の余地は非常に大きくなりますが、共有セキュリティや共有ネットワーク効果といったメリットを失ってしまいます。L2は、ちょうどよいバランスポイントです。
それは新しい実行環境やセキュリティのトレードオフを試す技術的機会を提供するだけでなく、スケーラビリティ、柔軟性、速度を実現するだけでなく、開発者やコミュニティが構築・維持を続けるインセンティブも提供します。
実際、各L2は孤立しているため、新しい手法の導入は許可不要です。すべてのコア開発者を説得して、あなたの新しい手法がチェーン全体にとって「安全」だと認めさせる必要はありません。もしL2が失敗しても、それはあなたの責任です。誰でも奇抜なアイデア（例えば、Intmaxのプラズマアプローチ）を提案でき、イーサリアムのコア開発者が全く注目していなくても、構築し、最終的に展開できます。L1の機能やプリコンパイルはそうではありません。イーサリアム内でも、L1開発の成功・失敗は最終的に政治的要因に左右されることが多く、私たちが望む以上にそうです。理論的には何を構築できるかにかかわらず、L1中心とL2中心のエコシステムが生み出す異なるインセンティブ構造は、最終的に実際に構築される内容、品質水準、順序に大きな影響を与えます。
イーサリアムのL2中心エコシステムが直面する課題
L1＋L2アーキテクチャには重大な問題がある。
出典：Reddit
このL2中心のアプローチは、L1中心のエコシステムがほとんど直面しない重要な課題に直面しています。調整（coordination）です。言い換えれば、イーサリアムには多数のL2があるにもかかわらず、それが依然として「イーサリアム」と感じられ、イーサリアムのネットワーク効果を享受できるようにするにはどうすればよいのか、という課題です。そうでなければ、N個の独立したチェーンになってしまうからです。現在、この点は多くの面で不十分です：
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L2間のクロスチェーンは通常、中央集権的なクロスチェーンブリッジを必要とし、一般ユーザーにとっては非常に複雑です。Optimism上のトークンを持っている場合、他人のArbitrumアドレスをコピーして自分のウォレットに貼り付けて資金を送ることはできません。
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個人用スマートコントラクトウォレットや組織ウォレット（DAOを含む）にとって、クロスチェーンのスマートコントラクトウォレットのサポートは十分ではありません。あるL2で鍵を交換しても、他のすべてのL2でも鍵を交換する必要があります。
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分散型検証インフラがしばしば不足しています。イーサリアムはようやくHeliosのようなまともなライトクライアントを持つようになりました。しかし、すべての活動がL2で行われ、それぞれが独自の中央集権RPCを必要とするなら、それは意味がありません。原理的には、イーサリアムのブロックヘッダーがあれば、L2向けのライトクライアントを構築するのは難しくありません。しかし、実際にはその重要性が十分に認識されていません。
コミュニティはこれらの三つの側面を改善しようと努力しています。クロスチェーンのトークン交換については、ERC-7683という新しい標準があり、既存の「中央集権ブリッジ」と異なり、固定された中央集権ノード、トークン、ガバナンスがありません。クロスチェーンアカウントについては、ほとんどのウォレットが短期的にはクロスチェーンで再送信可能なメッセージによる鍵更新を、長期的にはkeystore rollupsを使う方針です。L2向けのライトクライアントも登場し始めています。例えば、Starknet向けのBeerusがあります。また、最近の次世代ウォレットによるユーザーエクスペリエンスの改善により、ユーザーが手動でネットワークを切り替えずにDAppにアクセスできるようになる、より基本的な問題も解決されつつあります。
Rabbyのマルチチェーン資産残高総合ビュー。以前のウォレットでは不可能だった！
しかし、L2中心のエコシステムは調整を試みるとき、ある種の困難さを避けられないことを認識しなければなりません。なぜなら、単一のL2には調整インフラを構築する自然な経済的インセンティブがないからです。小規模L2は利益が小さいため構築せず、大規模L2も自らのローカルネットワーク効果を強化することで同等以上の利益を得られるため、構築しない可能性が高いのです。各L2が自分たちの利益だけを考え、広範なイーサリアムシステムとの整合性を考慮しなければ、上記の都市計画の画像のように、失敗してしまうでしょう。
この問題を完璧に解決する方法を示すのは難しいです。私が言えるのは、エコシステムがクロスL2インフラが、L1クライアントや開発ツール、プログラミング言語と同様に、イーサリアムインフラの一形態であるとより十分に認識し、重視され、資金提供されるべきだということです。私たちはProtocol Guildを持っていますが、Basic Infrastructure Guildも必要かもしれません。
まとめ
さまざまな公開討論の中で、「L2」と「シャーディング」はしばしばブロックチェーンスケーリングの相反する二つの戦略と見なされます。しかし、技術的詳細を調べてみると逆説的な事実が明らかになります。実際のスケーリング手法はまったく同じなのです。データシャーディングであろうと、詐欺検証者やZK-SNARK検証者であろうと、あるいは「ロールアップ」「シャード」間の通信ソリューションであろうと、主な違いは、これらのコンポーネントを誰が構築・更新するか、そして彼らがどれだけの自律性を持つかという点にあります。
L2中心のエコシステムは、真に技術的な意味で言えばシャーディングそのものですが、その中で自分自身のルールを使って自分自身のシャードを構築できます。これは非常に強力で、無限の創造性を可能にし、大量の自主创新を実現します。しかし、調整という重要な課題も抱えています。イーサリアムのようなL2中心のエコシステムが成功するためには、これらの課題を理解し、積極的に解決に取り組み、L1中心エコシステムの利点をできる限り多く得るとともに、双方の最良の状態に近づくことが必要です。
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