Lumoz ホワイトペーパー：モジュール化発行チェーン、ZKP計算コストを大幅に削減

2024.06.18

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Lumoz ホワイトペーパー：モジュール化発行チェーン、ZKP計算コストを大幅に削減

LumozはZK Rollupにモジュラー計算層を提供し、PoSとPoWのハイブリッドコンセンサスメカニズムを採用しています。

2024.06.18 - 13:11:37

Lumoz

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LumozはZK Rollupにモジュラー計算層を提供し、PoSとPoWのハイブリッドコンセンサスメカニズムを採用しています。

執筆：ZeY

概要

1. イーサリアムは誕生以来、スケーラビリティの問題に直面しており、拡張性はWeb3の大規模採用を実現するためのキーテクノロジーである。RollupはLayer2における主要なスケーリングソリューションであり、その核となる考え方は「パッキング」されたトランザクションデータブロックをオンチェーンに発行することで、取引の有効性検証の難易度を下げることである。データの有効性検証方式の違いにより、RollupsはさらにOptimistic RollupsとZK Rollupsに細分化される。

2. 現在、ZK Rollups分野が直面している主な課題は3つある。まず、ZKPの計算コストが非常に高く、多くのzk rollupが依然として中央集権的なProverに依存している点。次に、ゼロナレッジ技術の複雑さによりEVM互換のZK-rollupの構築が困難であること。さらに、多くのZK Rollupsが相互運用時にサードパーティのブリッジプロジェクトを使用しており、一定のセキュリティリスクが存在すること。

3. Lumozの共同創業者兼CEO NanFeng氏は清華大学卒業で、コアチームは2018年から約5年にわたりZK技術に注力してきた。Lumozは当初より、ゼロナレッジコンピューティングをより効率的かつアクセスしやすくすることを目指している。

4. Lumozはすでに2回のインセンティブ付きテストネットを終了しており、イベントへの総参加者は282,000人、Validatorは28,137人、PoWマイナーは145人、展開済みエコシステムプロジェクトは60以上である。2024年5月、Lumozは新規戦略的資金調達を発表し、評価額は3億ドルに達した。これまでに累計1,400万ドルの資金調達を実施しており、投資機関にはOKX Venture、Hashkey Capital、Polygon、Kucoin Ventures、IDG Blockchain、Gate Ventures、SevenUpDAO、Sweep Venturesなどが含まれる。

5. LumozはZK Rollupに対してモジュラー型コンピューティングレイヤーを提供しており、PoSとPoWのハイブリッド合意メカニズムを採用している。ZK-PoWアルゴリズムネットワークはZKP計算コストを大幅に削減すると同時に、中央集権的なProverの問題も解決する。また、zkProverによって生成されたZKPsを検証するzkVerifierを導入している。zkVerifierノードのハードウェア要件は比較的低く、まもなく開始予定のNode Saleにより、検証ネットワークの非中央集権化と検閲耐性がさらに高まる見込みである。

6. Lumoz RaaS Launch BaseはPolygon zkEVM、zkSync、Scroll、Starknetなど、主流のZK Rollups技術スタックと高度に互換性がある。現在市場において最も広範にZK Rollups技術スタックをサポートするプロジェクトであり、ZK技術とEVM間の互換性に関する課題を的確に解決できる。ワンクリックでのチェーン作成により、プロジェクト側のカスタマイズされたZK Rollupニーズに対応可能である。現在の顧客にはZKFair、Merlin Chain、Coin98、Ultiverse、Mari1x、Fortnite(Efuse)、Victionなどが含まれる。

7. Lumozが提唱するNCRC Protocolは、「ネイティブブリッジ」（Native Bridge）を通じて複数のZK Rollup間でシームレスなクロスチェーンを実現する。ユーザーの資産はいかなるサードパーティプロトコルも経由せず、プロセス全体が安全で信頼不要（trustless）である。

8. Lumozは二重トークン経済モデルを採用しており、機能トークンMOZは取引手数料やリソース使用料として利用される。一方、ステーキング報酬として参加者に付与される権益トークンesMOZは、zkVerifierノードへの委任にも使用でき、異なる償還期間と償還率に応じてMOZトークンへと交換可能である。なお、最新のトークン分配状況については、Lumozのホワイトペーパーでは未公開である。

9. 将来的には、RaaS分野の発展可能性は明るく、ZK RollupもRollupの主流ソリューションになると予想される。また、コミュニティ運営やエコシステム構築が、技術に代わってRollup構築の主な課題となる可能性がある。LumozはZK技術分野での深耕により、ZK RaaSのリーダーとしての地位を維持し、ZK-Rollup技術の大規模普及を推進していくことが期待される。

一、背景説明

1、Rollup スケーリングソリューション

イーサリアムは誕生以来、スケーラビリティの問題に直面しており、拡張性はWeb3の大規模採用を実現するためのキーテクノロジーである。

イーサリアム上に構築され、レイヤー1プロトコルに一切の変更を加えずに拡張性を実現するソリューションはLayer2ソリューションと呼ばれる。これらのソリューションはイーサリアムネットワークとのインタラクションなしにトランザクションを処理し、スマートコントラクトを通じてその安全性をイーサリアムのレイヤー1にアンカーする。あたかもオフチェーンに別のネットワーク層が追加されたかのように見えることから、Layer2と呼ばれる。L2 Beatのデータによると、現在L2が処理するトランザクション数はイーサリアムメインネットの10倍に達しており、イーサリアムの限られたトランザクション処理能力を大きく拡張している。

図1 Layer2が処理するトランザクション数 https://l2beat.com/scaling/activity

高度に非中央集権化されたパブリックブロックチェーンとして、イーサリアムは非常に混雑しており、ガス代が極めて高騰している。このため、DeFi、GameFiなどの分散型アプリケーションがユーザー体験の最適化と運用コストの削減を目的として、次々とこれらのLayer2に移行している。L2 Beatのデータによると、2024年6月16日時点で、すべてのL2のロックアップ量は1,244.18万ETH（約443.63億ドル）に達している。対照的に、イーサリアムメインネット上のロックアップ量は1,788万ETH（約656.34億ドル）であり、つまりすべてのL2のロックアップ量はイーサリアムメインネットの約70%に迫っている。

図2 Layer2のロックアップ量合計 https://l2beat.com/scaling/summary

図3 イーサリアムメインネットのロックアップ量

https://defillama.com/chain/Ethereum?currency=USD

RollupはLayer2における主流のスケーリングソリューションであり、その核となる考え方は「パッキング」されたトランザクションデータブロックをオンチェーンに発行することで、取引の有効性検証の難易度を下げることである。Rollup技術は以前のPlasmaが抱えていた問題を解決し、イーサリアムレイヤー1（つまりイーサリアム自体）と同じレベルのデータ可用性とセキュリティを提供しつつ、ネットワークのスループットを大幅に向上させ、単一トランザクションのコストを削減できる。モジュラー型ブロックチェーンアーキテクチャにおいて、Rollupソリューションは実質的にチェーンの実行層（および他の層）を外部委託している形になる。

図4 モジュラー技術スタック Modular Stacks

https://members.delphidigital.io/reports/the-complete-guide-to-rollups

2、2種類のRollupソリューション：ZK Rollups vs. Optimistic Rollups

データの有効性検証方法の違いにより、RollupsはさらにOptimistic RollupsとZK Rollupsに細分化される。

Optimistic Rollupsは「楽観的」仮定に依存しており、大多数のトランザクションは有効であると見なし、不正行為が発見された場合に異議申し立てや巻き戻しが可能である。一方、ZK Rollupsはゼロナレッジ証明技術（Zero Knowledge, ZK）を用いて、オフチェーンで処理されたトランザクションが有効かつ正確であることを保証し、より高いセキュリティと効率性を提供する。両者の主な長所・短所は以下の表の通り。

表1 ZK Rollups vs. Optimistic Rollups

出典：筆者が既存文献を基に整理

ZK-Rollupは多くの利点を持ち、Vitalikによって長期的なイーサリアムスケーリングソリューションと見なされているものの、現在の技術的課題が大規模採用を制限している。Defilamaのデータによると、2024年6月16日時点で、Rollups市場ではArbitrum、Blast、Base、OptimismといったOptimistic Rollupsが依然として優勢である。

図5 Rollup分野のTVL円グラフ https://defillama.com/chains/Rollup

3、ZK Rollups分野の課題

具体的には、現在のZK Rollups分野が直面している課題は主に以下の通りである。

1. ZKPの計算コストが高く、現在の多くのzk rollupは中央集権的なProverに依存している。

現在、イーサリアムメインネット上で動作している複数のzk-rollupがあり、Polygon zkEVMやzkSync Eraなどが挙げられる。ZK-Rollupにおいて、ZKPの計算コストはデータ可用性（DA）の計算コストを大きく上回り、総コストの50％以上を占めることがある。また、これらのZK-Rollupプロジェクトの多くは、非中央集権化された証明プロセスを実現していない。例えば、Polygon zkEVMのベータメインネットでは、信頼できるアグリゲーター（Aggregator）がZKPsを提出しており、zkSync Eraも同様の手法を採用している。

図6 主要ZK Rollupsの計算コスト比率（図中ピンク色）

https://l2beat.com/scaling/costs

2. ゼロナレッジ技術の複雑さにより、EVM互換のZK-rollupの構築が困難。

EVM互換性（compatibility）とは、Solidityで記述されたスマートコントラクトコードをZK Rollupの特定の仮想マシンバイトコードに翻訳できることを意味する。EVMは当初、ゼロナレッジ証明技術との互換性を考慮して設計されていない。例えば、EVMで実行される任意のプログラムに対してzk-SNARKsによる有効な証明を生成するためには、EVMの各オペコードに対して数学的表現と証明ロジックを作成する必要がある。これは複雑な暗号学的変換を必要とするだけでなく、既存のスマートコントラクトとの互換性にも課題を突きつける。

3. さらに、多くのZK Rollupsが相互運用時にサードパーティのブリッジプロジェクトを使用しており、一定のセキュリティリスクが存在する。

多重Rollups時代において、さまざまなRollupsの共存がますます増える中で、異なる第2層ソリューション間のシームレスな相互運用性が不可欠となる。既存のクロスRollupブリッジソリューションは通常、Rollupチェーン上に新たなチェーン間コントラクトセットを展開し、マルチチェーン流動性のインセンティブを利用して資産のクロスチェーン機能を実現している。しかし、これらのソリューションはメッセージベースのクロスチェーンインタラクションに普遍的に適用可能ではなく、中央集権化や信頼リスクを伴う。2023年7月、バイナンスが投資していたクロスチェーンブリッジプロジェクトMultichainのCEOが警察に拘束された後、運営が停止し、SlowMistの監視によるとMultichainから流出した資金は2.65億ドルを超えた。クロスチェーンブリッジのリーダー的存在が瞬時に崩壊したことは、サードパーティのクロスチェーンブリッジプロジェクトが抱える中央集権化と信頼リスクが軽視できないことを示している。

二、Lumoz設立の背景

図7 Lumoz https://lumoz.org/

Lumozの共同創業者兼CEO NanFeng氏は清華大学卒業で、元字節跳動勤務、複数のプロジェクトの基盤構築と後期イテレーションにコア開発者として深く関与した経験を持つ。またTrustless Labsの創設者でもある。コアチームは2018年からZK技術に約5年間にわたり取り組んできた。そのため、Lumozは当初から「Making ZK-Rollup Within Reach（ZK-Rollupを手の届くところに）」という目標のもと、ゼロナレッジコンピューティングをより効率的かつアクセスしやすくすることを目指してきた。

Lumozの発展過程で、チームは現在のRollup分野におけるクロスチェーンブリッジのセキュリティと中央集権化の問題に気づき、これを解決しようとしている。同時にRaaS分野の発展トレンドを捉え、時流に乗ってZK RaaS Launch Baseをリリースし、商業版図を成功裏に拡大した。

図8 Lumozエコシステム関連データ https://lumoz.org/compute-layer

Lumoz（旧Opside）は2023年5月末に正式にテストネットをリリースし、グローバルコミュニティの継続的な積極的な参加のもと、5ヶ月間安定稼働した。45万人以上の参加者がPre-alphaテストネットに参加し、驚異的な13,580,057件のトランザクションを達成した。テストネットでは140社以上のマイナーと28,000以上のノードが参加した。エコシステム面では、100以上の優良プロジェクトが参加を申請し、うち14プロジェクトがOpside ZK-Rollup LaunchBaseを通じて専用のzkEVMアプリチェーンを成功裏にリリースし、安定稼働を維持している。LumozはQ3にメインネットをリリース予定。現在までに、Lumozは200万件のトランザクションを処理し、479万件以上のZKPを提出し、28,000以上のノードを有している。さらに、16以上のプロジェクトが公式審査を通過し、Lumozプラットフォーム上でカスタムのzkEVMアプリチェーンを生成している。

図9 Lumozが戦略的資金調達を実施、SevenUPDAOが参画

https://mirror.xyz/lumozorg.eth/Fz0dF5HVMdbbI--9lzst60KuKOp5YGbb75Z0RmxiB24

2024年3月、モジュラー型コンピューティングレイヤーおよびZK-RaaSプラットフォームLumozが初回資金調達を実施し、評価額は1.2億ドルとなった。2024年5月29日、Lumozは新たな戦略的資金調達を正式に発表した。参加投資家にはIDG Blockchain、SevenUpDAO、Sweep Venturesなどが含まれる。具体的な資金額は未開示。今回の戦略ラウンドでLumozの評価額は3億ドルに達し、Altlayerの現在の時価総額2.53億ドルを上回った。これは各方面がLumozの将来性に高い期待を寄せていることを示している。また、Altlayerの現在の時価総額／上場前資金調達評価額の1.4倍の乗数を基準とすれば、Lumozの上場後時価総額は少なくとも4.2億ドル以上に達する可能性がある。Gelatoの3倍乗数を基準とすれば、Lumozの上場後時価総額は9億ドルを超える可能性がある。

表2 RaaS分野プロジェクトの資金調達情報

注：上記データは主にRootdataおよびICO Analyticsから取得。*は主導機関を示す。タイムスタンプ：2024年6月16日

三、LumozがZK Rollupにモジュラー型コンピューティングレイヤーを提供

図10 Lumozは非中央集権型モジュラー型コンピューティングレイヤー

https://lumoz.org/compute-layer

Rollupは通常、決済層、実行層、合意形成層、データ可用性層で構成される。しかし、ZK-Rollupの場合、追加のコアモジュールである証明層（Prover Layer）が必要となる。現在、Lumozはモジュラー型Rollup分野で唯一のモジュラー型Proverネットワークプロバイダーである。現在、MerlinチェーンのZKP算力はLumozのマイナーによって提供されている。今後、Lumozメインネットのリリースとともに、Merlin ChainはLumozの非中央集権型ZKコンピューティングネットワークに接続される予定だ。これはZK-PoWアルゴリズムネットワークであり、誰でも梅林チェーンに算力を提供し、Lumozトークン報酬を得ることができる。

Lumozは強力なコンピューティングリソースとEigenLayerの再ステーキングメカニズムを組み合わせることで、効率的で安全なコンピューティングサービスエコシステムを構築している。Lumozコンピューティングレイヤーアーキテクチャは、高度に統合され協調するシステムであり、その主な構成と機能は以下の通りである。

図11 Lumozコンピューティングレイヤーアーキテクチャ

https://docs.lumoz.org/understand-lumoz/the-avs-computing-layer-based-on-eigenlayer

イーサリアム上では、EigenLayer標準に基づいてアクティブバリデーションサービス（AVS）を構築し、信頼の裏付けを提供。特徴層の再ステーキングによりAVSのセキュリティを強化。
EVMチェーン（L2）はイーサリアム仮想マシン（EVM）と互換性のある多様なブロックチェーン環境をサポート。Polygon zkEVM、Polygon CDK、ZKStack、Scrollなどを含み、幅広い互換性と拡張性を確保。
Lumoz AVS OracleはEVM互換チェーンからデータを取得・保存し、高いデータ可用性と完全性を確保。コンピューティングレイヤーに堅固なデータ基盤を提供。
Lumoz Chainはコンピューティングレイヤー全体のコア管理ユニットであり、タスクスケジューリング、報酬配分、zkProverおよびzkVerifierの管理（ノードの追加・削除プロセスを含む）を担当。zkProverは特定の計算タスクを実行するノード、zkVerifierは実行結果を検証するノードである。

LumozのアーキテクチャはPoSとPoWのハイブリッド合意メカニズムを採用している。ここでPoWはzkProver向け、PoSは主にzkVerifier（Rollupのsequencerを兼任する可能性あり）向けである。以下ではまず、LumozがPoW合意形成において採用するZK-PoWアルゴリズムについて説明し、それが現在ZK Rollupが直面しているZKP計算コストと中央集権化の問題をどのように解決するかを解説する。その後、PoS合意形成メカニズムにおける進捗を詳細に分析する。

1、LumozのZK-PoWアルゴリズムネットワークがZKP計算コストを大幅に削減

ZKPの計算コストと中央集権化の問題を解決するため、LumozはZK-PoWアルゴリズムを提案した。その主な特徴は以下の通り。

PoW報酬分配メカニズム

Lumozは統一されたZKP計算能力市場を提供し、マイナーがこれらのzk-rollpsに対してZKPを生成するよう奨励している。Pre-Alphaテストネット段階では、PoWアルゴリズムに基づき、Opsideブロック内の各Rollupが一定のルールに従ってシーケンスを提出する。現在のブロックのPoW報酬は、登録されたRollupスロット数と含まれるbatches数に応じてシーケンス内で分配される。マイナーは1つまたは複数のRollupsのZKP計算に自由に参加できる。将来、各シーケンスは対応するZK-Rollupタイプ、含まれるRollupトランザクション数、ガス使用量、その他の作業負荷要因に基づいて個別に価格設定される予定である。

マイナーは、システムコントラクト内で該当Rollupに対して一定量のトークンをステーキングしなければ、そのRollupに対してZKPを提出できない。マイナーが獲得する報酬も、そのステーキング比率に応じて分配されるため、マイナーによるZKPの繰り返し提出という悪意ある行動を回避できる。

ZKPの2段階提出アルゴリズム

まずProofhashを提出。特定の時間枠内において、複数のマイナーがZKP計算に参加できる。各マイナーは元の証明を直接提出せず、（証明/アドレス）の証明ハッシュを計算し、それをコントラクトに提出する。

次にZKPを提出。時間枠終了後、マイナーは元の証明を提出し、事前に提出された証明に基づいて検証を行う。検証プログラムを通過したマイナーはPoW報酬の資格を得る。報酬は参加ステーキング額に比例して分配される。

図12 ZKPの2段階提出アルゴリズム

https://lumoz.org/compute-layer

LumozのZKPに対する2段階提出アルゴリズムは、先に提出して後に検証するモデルを巧みに採用し、不要な証明とアドレスの集約計算を排除している。また、2段階提出アルゴリズムにより並列ZKP計算と順序的提出を実現し、マイナーが複数のZKP生成タスクを同時実行できるようにすることで、ZKP生成効率を著しく向上させている。LumozチームはZKPの再帰的集約アルゴリズムにも一連の最適化を行い、クラスタリソースを最大限に活用し、さらにZKPの計算速度を向上させている。

実際のストレステスト環境では、マイナーは20台のマシンからなるクラスターを所有しており、128コアCPUと1TB RAMを備えている。約40分間、テストされたトランザクションレートは安定して約27.8 TPS程度であった。同じ条件下で、Lumozはトランザクションの平均確認時間を約5〜6分から約3分に短縮し、ZKP生成効率を約80％向上させた。今後、さらに多くのZK-rollupとマイナーがZK算力市場に参加すれば、LumozのPoWアルゴリズムによる効率向上はさらに顕著になるだろう。

ZK-PoW V2.0バージョンが計算プロセスをさらに最適化

V1.0と比較して、2.0バージョンは以下の通り。

元のサービスを証明生成、証明管理、証明提出の3つのサブモジュールに分割。これにより構造が明確になり、結合度が低下し、堅牢性が向上。
証明生成モジュールproof GeneratorにstartBatchパラメータを追加し、新しいマイナーが採掘進度に追い付きやすくなった。
証明管理モジュールproof Managerは旧バージョンと比較して改善された。マイナーサービスの再起動などにより証明提出に失敗した場合、速やかに証明を再送信し、マイナーの利益を保護。再送信メカニズムは証明提出失敗のケースだけでなく、すべての証明提出失敗または未提出のケースも処理し、Rollupチェーンのセキュリティを確保。
証明提出モジュールProof Senderは、3つのスレッドセーフな優先順位バッファを使用して2段階トランザクション提出を実現。以前のバージョンと比較して、グローバルロック（global locks）の使用を削減し、低い高さの証明がタイムリーに提出されることを保証。マイナーの利益を保護。さらに、全体のサービスフローがより明確になり、プログラム実行中のスレッド数とリソース消費が削減された。