モジュラー化を一文で理解する：プラグアンドプレイ方式がブロックチェーンのパフォーマンスボトルネックを解決
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モジュラー化を一文で理解する：プラグアンドプレイ方式がブロックチェーンのパフォーマンスボトルネックを解決
モジュール化技術は、より「魂のこもった」プラグイン可能な製品設計思想を表している。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：@twilight_momo
指導講師：@CryptoScott_ETH
TL;DR
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モノリシックブロックチェーンは包括性に優れ、データストレージからトランザクション検証までネットワークのすべてのレイヤーを独立して担う。一方、モジュラーブロックチェーンは異なる機能を個別のモジュールに分割することで、特定の機能においてパフォーマンスとスムーズなユーザーエクスペリエンスを提供し、「不可能三角」問題の一定程度の解決につながる。
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イーサリアムは最初のスマートコントラクト対応プラットフォームとして、モジュラー設計の肥沃な土壌を提供した。ブロックチェーン技術の発展とともに、ビットコインエコシステムもモジュラー化の可能性を探り始め、新たなモジュール追加によりプライバシー保護の強化、効率的な取引処理、高度なスマートコントラクト機能などの実現を目指している。
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モジュラー技術はより「ソウルフル」なプラグアンドプレイ型製品思想を体現しており、今後ますます柔軟でカスタマイズ可能なブロックチェーンソリューションが登場する。各種サービスや機能はレゴブロックのように簡単に挿入・取り外しが可能になり、開発者は特定のユースケースに応じて迅速に構築・展開できるようになる。
1. モジュラーブロックチェーンとは
source：Celestia.org
モジュラーブロックチェーンについて考察するには、まずモノリシックブロックチェーン（Monolithic Blockchain）という概念を理解する必要がある。ビットコインやイーサリアムなどの単体チェーンは包括性に長け、データ保存から取引検証、スマートコントラクト実行までネットワークのあらゆる側面を独立して担っている。この過程で、単体チェーンは多面手（generalist）として全工程に関与する役割を果たす。
一例として、成熟したモノリシックブロックチェーンであるイーサリアムはおおむね以下の4つのアーキテクチャに分類される：
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実行層 (Execution Layer)
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決済層 (Settlement Layer)
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データ可用性層 / DA 層 (Data Availability Layer)
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合意形成層 (Consensus Layer)
下図では、ブロックチェーンでの記録をスポーツの試合に例え、各アーキテクチャの役割を詳しく説明している：
このアナロジーを通じて、ブロックチェーンの各アーキテクチャがどのように協働するかをより明確に理解できる。モノリシックブロックチェーンはすべての機能を同じチェーン上で実行するのに対し、モジュラーブロックチェーン（Modular Blockchain）は新たなアーキテクチャであり、システムを合意形成、データ可用性、実行、決済など特定のタスクを担当する専門コンポーネントまたはレイヤーに分解する。
モジュラーブロックチェーンは各領域の専門家（specialists）の集まりのようなもので、それぞれの分野における深掘りと技術革新に注力する。この専門性により、特定機能において卓越したパフォーマンスとユーザーエクスペリエンスを提供でき、例えば低コストで高速な取引処理が可能になる。
ノードアーキテクチャの観点では、単体チェーンはフルノードに依存しており、これらはブロックチェーン全体のデータコピーをダウンロード・処理しなければならない。これはストレージと計算リソースに対する高い要求を生み、ネットワークの拡張速度にも制限をかける。対照的に、モジュラーブロックチェーンは軽量ノード（ライトノード）設計を採用し、ブロックヘッダー情報のみを処理することで、取引速度とネットワーク効率を著しく向上させる。
モジュラーブロックチェーンの顕著な利点はその柔軟性と協働性にある。非コア機能を他の専門家に外部委託することで相乗効果を生み、全体のパフォーマンスを大幅に向上できる。この設計哲学はレゴブロックに似ており、開発者がプロジェクトのニーズに応じて異なるモジュールを自由に組み合わせ、多様なソリューションを創造できる。
単体チェーンはグローバル制御、セキュリティ、安定性の面で優位性を持つものの、拡張性、アップグレードの難しさ、新規ニーズへの適応といった課題も抱える。モジュラーブロックチェーンはその高い柔軟性とカスタマイズ性により際立っており、新しいブロックチェーンの作成と最適化プロセスを簡素化する。
しかしモジュラーブロックチェーンも独自の課題を抱える。複雑なアーキテクチャは設計・開発・メンテナンスにおける開発者の負担を増加させる。新興技術として、十分なセキュリティテストや市場変動による試練を経ていないため、長期的な安定性と安全性はさらに検証が必要である。
2. なぜモジュラーブロックチェーンが必要なのか
なぜモジュラーブロックチェーン技術が広く注目され、「将来のトレンド」と予言されているのか？ これはブロックチェーン界で有名な「不可能三角」理論と密接に関係している。
Source:chainlink
ブロックチェーンの「不可能三角」とは、ブロックチェーンネットワークがセキュリティ、非中央集権性、拡張性という3つの核心的特性を同時に最適化することは困難であることを指す。
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拡張性はネットワークが多数の取引を処理できる能力、およびユーザー数や取引量の増加に伴い効率的かつ低コストで動作し続ける能力を意味する。通常、TPS（1秒あたりの取引数）と遅延（取引確認に要する時間）で測定される。
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セキュリティは、ブロックチェーンネットワークを攻撃から守るコストと難易度を指す。例えば、ビットコインのPoW方式では攻撃者が全ネットワークの51%以上のハッシュレートを掌握する必要があり、イーサリアムのPoS方式では⅓以上のノードが共謀する必要がある。
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非中央集権性は、ネットワークの運営が単一の中心ノードに依存せず、多数のノードに分散している状態を表す。ノード数が多く、地理的に広範に分布しているほど、非中央集権性は高くなる。
「不可能三角」の核心は、ブロックチェーンシステムがこの3つの特性を同時に最適化することが極めて難しい点にある。例えば、多くのパブリックチェーンの中でも、ビットコインとイーサリアムは広範なノード分布と豊富なノード数により、非中央集権性とセキュリティの面で優れた性能を示している。
しかし、その代償として拡張性を犠牲にしており、取引速度が遅く、手数料が高くなる傾向がある。ビットコインのブロック生成間隔は約10分、イーサリアムのTPSは約13であり、取引量が急増するとイーサリアムの手数料は数百ドルに達することもある。
こうした背景のもと、モジュラーブロックチェーン技術が登場した。異なる機能を専門のモジュールに分配することで、従来のパブリックチェーンが直面する拡張性と取引コストの課題を解決する。例えば、ビットコインのライトニングネットワークやイーサリアムのRollup技術は、いずれもモジュラー思想の体現である。
モジュラーブロックチェーンの利点は階層化されたアーキテクチャにあり、各レイヤーを特定のニーズに応じて最適化できる点にある。データ層はデータ保存と検証に集中でき、実行層はスマートコントラクトのロジックを処理できる。この分離はパフォーマンスと効率の向上だけでなく、異なるブロックチェーン間の相互運用性も促進し、オープンで相互接続されたエコシステム構築の基盤を提供する。
以上から、モジュラーブロックチェーン技術は従来のパブリックチェーンの限界を解決する新たな道を提供している。非中央集権性とセキュリティを維持しつつ、より高い拡張性と低い取引コストを実現しており、ブロックチェーン技術の広範な応用と長期的発展に深い意義を持つ。
3. モジュラーブロックチェーン業界 - プロジェクト分析
モジュラーブロックチェーンはそのアーキテクチャの特徴により、異なるタイプに分類できる。これらのタイプの中で、データ可用性層と合意形成層は密接な相互依存関係にあるため、しばしば統一された全体として設計される。これは、ノードが取引データを受け取る際に、同時に取引順序も確定する必要があるためであり、これがブロックチェーンのセキュリティと改ざん防止の核心となる。
このような設計原則に基づき、実行層、データ可用性層と合意形成層、決済層の3つの観点から、モジュラーブロックチェーンのさまざまなプロジェクトを紹介する。
3.1 実行層
Layer 2 技術は、ブロックチェーンアーキテクチャにおける実行層の拡張であり、モジュラーブロックチェーンの概念の一形態である。基礎となるブロックチェーン上に構築されるオフチェーンネットワーク、システム、または技術を通じて、メインチェーンの拡張性を高めることを目指す。
Layer 2 ソリューションは、より迅速かつコスト効率の高い取引処理を可能にしつつ、基礎チェーンのセキュリティと非中央集権性を維持する。@0xningが作成したDuneダッシュボードによると、イーサリアムエコシステムにおけるLayer 2の検証と決済にかかるガス代は平均して10％未満であり、ユーザーの取引コストを大幅に削減している。
source：https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war
現在、Layer 2 における主流ソリューションはRollup技術であり、その核心理念は「オフチェーン実行、オンチェーン検証」である。つまり、計算処理をオフチェーンで行い、そのcalldataをメインネットに戻す。
オフチェーン実行
Rollupモデルでは、取引はオフチェーンで実行され、基礎チェーンはスマートコントラクト内の取引証明の検証とオリジナル取引データの保存のみを行う。この設計により、メインチェーンの計算負荷とストレージ需要が大幅に軽減され、より効率的な取引処理が可能になる。
コスト削減のために、Rollupは取引のバンドル技術を採用している。これは物流における貨物コンテナ化に例えられる。個別に貨物を送る場合、輸送費は非常に高くなる。Rollup技術は複数の取引をまとめて1回の「輸送」で済ませることで、各取引のコストを大幅に下げている。
オンチェーン検証
オンチェーン検証はLayer 2ネットワークのセキュリティの鍵を握る。Layer 2ネットワークは、基礎チェーン上の潜在的な不一致を解決するために暗号化された証明を提供しなければならない。現在、主流の証明メカニズムは2種類あり、誤謬証明（Fraud Proof）と有効性証明（Validity Proof）であり、それぞれOptimistic RollupsとZK Rollupsを支えている。
Optimistic Rollupsの誤謬証明
Optimistic Rollupsは、すべての取引がデフォルトで有効であるという楽観的仮定を採用する。このモデルは、挑戦期間中の誤謬証明（詐欺証明）に依存しており、ネットワーク参加者は誰でもスマートコントラクトの状態に異議を唱える証明を提出でき、ネットワークの公正性と透明性を確保する。
L2BEATのデータによると、現在Optimistic Rollups方式を採用するLayer 2は16本存在し、Arbitrum、OP、Base、Blastなどが含まれる。
Source: l2beat.com
ZK Rollupsの有効性証明
Optimistic Rollupsとは異なり、ZK Rollupsは慎重なアプローチを採用し、すべての取引が承認される前に有効性証明を通過する必要がある。この証明メカニズムは検証プロセスに似ており、Layer 2ネットワーク内のすべての取引と計算が正確であることを保証する。
簡単に言えば、有効性証明はZK-Rollupsの基盤であり、各バッチの取引は対応する証明を添付しなければならず、これにより基礎チェーンのスマートコントラクトが状態変更を検証・承認できる。検証ノードにとって、ZK Rollupsはゼロエラーの決済メカニズムを提供する。なぜなら、すべての取引が厳格な有効性検証を通過しなければならないからだ。
L2BEATのデータによると、現在ZK Rollups方式を採用するLayer 2は11本存在し、Linea、Starknet、zkSyncなどが含まれる。
Source: l2beat.com
3.2 データ可用性層と合意形成層
3.2.1 Celestia
Celestiaはモジュラーブロックチェーン分野の先駆者であり、本質的にはデータ可用性層であり、dAppsやRollupの開発に堅固な基盤を提供する。Celestiaのデータ可用性層と合意形成層上でアプリケーションを開発することで、開発者は実行ロジックの最適化に集中でき、データの可用性や合意形成の複雑さはCelestiaに任せることが可能になる。
Celestiaのアーキテクチャ設計はモジュラー拡張に多様なソリューションを提供しており、主に以下の3つのタイプに分類される：
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主権Rollup：Celestiaがデータ可用性層と合意形成層を提供し、決済層と実行層はそれぞれの主権チェーンが独立して実装する。
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決済Rollup（例：Cevmosプロジェクト）：Celestiaが提供するDAおよび合意形成層の上に、Cevmosが決済層サービスを提供し、アプリケーションチェーンが実行層を担う。
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Celestium：データ可用性層はCelestiaが担当し、合意形成層と決済層はイーサリアムの強力なネットワークに依存し、アプリケーションチェーンは引き続き実行層に注力する。
Celestiaは複数の革新的技術を採用しており、データストレージコストを著しく低下させ、ストレージ効率を最適化している。
消散符号技術
Celestiaの革新の一つは消散符号（Erasure Codes）の応用である。Mustafa Albasan（Celestia共同創設者）とVitalik Buterinが共著した論文『データ可用性サンプリングと詐欺証明』では、フルノードがブロック生成を担当し、ライトノードがブロック検証を担当する新たなアーキテクチャを提唱している。消散符号技術はデータ伝送中に冗長性を導入することで、最大50％のデータ損失があっても元のデータブロックを完全に復元できる。
このメカニズムにより、ブロックデータの100％可用性を確保するためには、ブロック生成者がネットワークに50％のデータのみを公開すればよい。悪意ある生成者がブロックデータの1％を改ざんしようとする場合、実際には50％のデータを改ざんしなければならず、これにより悪意行為のコストが大きく増加する。
データ可用性サンプリング
Celestiaはデータ可用性サンプリング（Data Availability Sampling, DAS）技術を導入し、ブロックチェーンの拡張性問題を解決している。DASの動作プロセスは以下の主要ステップを含む：
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ランダムサンプリング：ライトノードがブロックデータに対して複数回のランダムサンプリングを行い、毎回ブロックデータのごく一部を要求する。
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信頼度の段階的増加：ライトノードがサンプリングの回数を重ねるほど、データ可用性に対する信頼が徐々に高まる。
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信頼閾値の到達：ライトノードが所定の信頼レベル（例：99％）に達すると、そのブロックのデータは可用であると判断する。
この仕組みにより、ライトノードはブロックデータ全体をダウンロードせずに、データ可用性を検証できる。これによりブロックチェーンデータの完全性と可用性が確保される。Celestiaは状態実行ではなくデータ可用性に注力しているため、ブロック生成率が向上し、各ブロックにより多くのスペースが生まれ、より多くのサンプルデータを収容でき、結果としてTPS（1秒あたりの取引処理量）が著しく向上する。
3.2.2 EigenLayer
EigenDAは安全で高スループット、非中央集権的なデータ可用性サービスであり、EigenLayer上で最初に立ち上げられたアクティブ検証サービス（AVS）である。AVSはノード運営事業者と理解でき、イーサリアム上に存在する数千のノード運営事業者のうち選ばれた一部であり、本来の業務（イーサリアムの合意検証）に加えて、追加の副業（Rollupなど合意検証を必要とするネットワークのサービス提供）を行い、追加収益を得る。
再ステーキングされたイーサリアム数量の増加、および今後さらに多くのAVSがEigenLayerエコシステムに参画することで、RollupはEigenLayerエコシステム内でより低い取引コストと高いセキュリティの相互運用性を獲得できる。
EigenLayerはイーサリアムを基盤とする再ステーキングプロトコルであり、イーサリアムのコンセンサスレイヤーのステーカーを検証者として活用する。つまり、イーサリアムの一部のセキュリティを借用することで、中央集権的なサービスプロバイダーや独自トークンに依存する信頼リスクを回避し、他のプロジェクトの開発ハードルを下げることができる。同時に、イーサリアムの信頼ネットワークを強化し、その価値と影響力を高める。
アーキテクチャ面では、EigenDAはZK技術を使用してLayer 2が提出する状態データを検証し、再ステーキングされたETHによって合意の安全性を保証されたEigenDAネットワークが最終決定性を担当し、最終的にLayer 2の状態データがイーサリアムメインネットに提出・保存される。したがって、EigenDAはCelestiaのような競合ではなく、むしろイーサリアムメインネットのDAサービスにおける検証と最終決定性の部分請負業者と見なせる。
3.2.3 Avail
AvailはPolygonチームが2023年6月に発表したモジュラーブロックチェーンプロジェクトであり、今年3月にPolygonから独立した法人として運営を開始した。現在Availはテストネット上で稼働中であり、最近4300万ドルのシリーズA資金調達を完了した。DragonflyとCyber Fundが共同でリード投資を行った。
Availのコアアーキテクチャは主にAvail DA、Avail Nexus、Avail Fusionの3部から構成される。Avail DAはモジュラー型データ可用性層であり、Celestiaと同様にさまざまなブロックチェーンにDAサービスを提供する。Avail Nexusは標準化されたクロスチェーンメッセージングプロトコルであり、CosmosのIBCプロトコルに類似し、各チェーン間の相互運用性を提供する。Avail FusionはマルチアセットステーキングによるPoS合意形成を導入し、Availネットワーク全体のセキュリティ合意を担保することを目的としている。
技術面では、Avail DAはKate多項式コミットメントを使用し、詐欺証明を回避できる。また、大多数のノードが誠実であることを前提とせず、フルノードに依存せずにデータ可用性を確保できる。これはCelestiaのアーキテクチャと異なり、Celestiaは詐欺証明に基づいているため、技術的に根本的な違いがある。
Celestia、Availなどのモジュラー型データ可用性ブロックチェーンプロジェクトの登場により、モジュラーDAの競争はますます激化しており、イーサリアムのDA層としての機能も分流されつつある。将来的には「一強多弱」の競争構図になる可能性が高い。
3.3 決済層
3.3.1 Dymension
DymensionはCosmosベースのモジュラーブロックチェーンプラットフォームであり、内蔵の拡張可能な集計技術により、RollAppの開発にシンプルなフレームワークを提供する。Dymensionのアーキテクチャでは、開発者はビジネスロジックの実装に集中でき、Rollup開発キット（RDK）と専用の決済層を活用して、特定アプリケーション向けのRollupを迅速に展開できる。
Dymensionのアーキテクチャは2つの主要コンポーネントからなる：RollAppとDymension Hub。
RollAppはRollupとAppの融合体であり、Dymension上で特定アプリケーション向けに高性能を発揮するモジュラー型ブロックチェーンである。RollAppはDeFiプラットフォーム、Web3ゲーム、NFTマーケットプレイスなどの分散型アプリ向けの専用Layer 2ソリューションとしてさまざまな形態を取り得る。
RollAppでは、シーケンサー（Sequencer）が重要な役割を果たし、ローカル取引の検証、順序付け、処理を担当する。ブロックのパッケージングが完了すると、これらのデータはピアフルノードに渡され、RollAppが選択したデータ可用性ネットワーク（例：Celestia）上でオンチェーンに公開される。Celestiaからの応答を受け取った後、シーケンサーはその状態根をDymension Hubに送信し、合意形成と決済を実現する。
Dymension Hubはエコシステム全体の中心として、合意形成層と決済層の機能を担う。RollAppからの状態根を受け取り、RollAppに最終的な取引確認と決済サービスを提供する。
この設計により、Rollupは合意形成と決済のタスクをDymension Hubに委ね、データの保存と検証のタスクをCelestiaなどのDAネットワークに任せることができる。これにより、両ネットワークの経済的安全保障を共有しつつ、アプリ自体の実行効率とユーザーエクスペリエンスの向上に注力できる。
3.3.2 Cevmos
Cevmosという名前はCelestia、EVMos、CosmOSを組み合わせたもので、EVM互換のRollupに決済層を提供することを目的としている。
Cevmos自体がRollupであるため、その上に構築されるすべてのRollupは総称して「決済Rollup」と呼ばれる。各RollupはCevmos Rollupとの最小限の双方向信頼ブリッジを通じて、既存のイーサリアムRollupコントラクトやアプリの再配置が可能となり、移行工数を削減できる。Cevmos上のRollupはデータをCevmosに発行し、Cevmosがデータをバッチ処理した後、Celestiaに発行する。ちょうどイーサリアムのように、CevmosはRollup証明の実行を行う決済層として機能する。
4. ビットコインエコシステムにおけるモジュラーブロックチェーン
Ordinalsプロトコルによるインスクリプションの富の創出効果やビットコインETFの承認など、複数の好材料が重なり、ビットコインエコシステムに新たな活力が注入された。市場の注目は急速にビットコインエコシステムに集まり、機関投資家の資金もこの分野に流入し、ビットコインエコシステムの将来への期待と自信を示している。
こうした背景のもと、ビットコインLayer 2技術は繁栄を見せ、多数の技術案が登場し、多様で活力ある技術エコシステムを形成している。さまざまな革新的ソリューションが相次ぎ登場し、ビットコインネットワークの拡張と最適化を共に推進している。
現時点では業界内でビットコインLayer 2の正確な定義について合意が成立していないが、本稿ではイーサリアムのモジュラーブロックチェーンの考え方を参考に、モジュラーの視点からビットコインLayer 2構築の可能性と方法を探る。
4.1 なぜビットコインはモジュラー化が必要なのか
イーサリアムネットワークはチューリング完全なスマートコントラクト機能を持ち、履歴状態の保存と検証が可能であり、複雑な分散型アプリ（DApps）をサポートできる。対照的に、ビットコインネットワークは無状態の非スマートコントラクトネットワークであり、そのシステム設計の不備は主に以下の2点に起因する：
1. UTXOアカウントシステムの限界
ブロックチェーン世界では主に2種類の記録保持方式がある：アカウント／残高モデルとUTXOモデル。ビットコインはUTXOモデルを採用しており、イーサリアムのアカウント／残高モデルと鮮明な対比を成している。
ビットコインシステムでは、ユーザーがウォレット上で残高を見ているように見えても、実は中本聡が設計したビットコインシステムには「残高」という概念はない。いわゆる「ビットコイン残高」は、実際にはウォレットアプリがUTXOから派生させた概念である。UTXOは未使用の取引出力を意味し、ビットコイン取引の生成と検証の核となる。
ビットコインの各取引は入力と出力からなり、各取引は1つ以上の入力を消費（spend）し、新たな出力を生成する。これらの新しく生成された出力はすぐに新しいUTXOとなり、次の取引によって消費されるのを待つ。
極めて簡潔な資産移転と決済技術アーキテクチャとして、UTXOモデルはスマートコントラクトなどの複雑な機能をサポートする拡張が困難である。
2. チューリング不完全なスクリプト言語
ビットコインのスクリプト言語はすべての種類の計算をサポートしていない。ループや条件制御文が欠如しているため、チューリング完全ではない。この特性はハッキングを減少させネットワークのセキュリティを高める一方で、ビットコインが複雑なスマートコントラクトを実行する能力を制限している。
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