StarkNet Alphaがイーサリアムメインネットに上線、ZK-Rollupsとイーサリアムのスケーリングの道を一文で理解
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StarkNet Alphaがイーサリアムメインネットに上線、ZK-Rollupsとイーサリアムのスケーリングの道を一文で理解
現在のオンチェーンアプリケーションプロジェクトはイーサリアムのブロックスペースに対して非常に大きな需要を持っているが、ブロックスペースは限られているため、ネットワークが混雑しやすく、トランザクションの確認速度が遅くなり、ガス料金が高騰する。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Timothy Craig
翻訳：zombit
広く称賛されているイーサリアムのZK Rollupスケーリングソリューション「StarkNet Alpha」が昨日、イーサリアムメインネットに導入されました。このソリューションは、現在のイーサリアムにおける高額な手数料環境の緩和に貢献します。すでにいくつかのスケーリングソリューションが実用化されていますが、ZK-Rollup（ゼロナレッジ・ロールアップ）技術はなぜ最良のスケーリング手段と見なされているのでしょうか？
イーサリアムのスケーラビリティ問題
高額なガス代（gas fees）は、イーサリアムの主な課題となっています。取引手数料はETHで支払われるため、資産価格が上昇すればネットワーク利用コストも上昇します。ETHは今年460％上昇しており、ドル建てでの取引コストも同様に460％増加したことを意味しています。また、トランザクション手数料はネットワークの混雑状況にも依存します。現時点では、多くのDAppsがイーサリアムのブロックスペースを必要としていますが、ブロックスペースは限られているため、ネットワークが容易に混雑し、取引確認が遅くなったり、ガス代が高騰したりするのです。
高いネットワーク利用コストは、ユーザーがDeFi（分散型金融）やNFTへの参加を妨げ、DAOへの参加機会さえ失わせる要因となっています。多くの暗号通貨愛好家は、既にSolana（SOL）やAvalanche（AVAX）などの他のレイヤー1ブロックチェーンへ移行しています。
イーサリアム取引のガス価格中央値
過去数年間、イーサリアムのネットワーク混雑と取引コストの問題を緩和するために、複数のスケーリングソリューションが開発されてきました。Polygonは2019年に登場し、大きな注目を集めた最初のイーサリアム拡張ソリューションといえるでしょう。このネットワークはPlasmaと呼ばれるスケーリング手法を用いており、取引をメインのイーサリアムブロックチェーンから専用のサイドチェーンへ移転させます。多くのイーサリアムネイティブDeFiアプリケーションがすでにPolygon上で展開されており、Curve（CRV）やAave（AAVE）などが該当します。
確かにPolygonネットワークは低コストな取引によりユーザーを惹きつけましたが、安全性や中央集権性に関する疑問が提起され、真の拡張ソリューションではないと批判されることもあります。同ネットワークは独自のノードバリデーターによるPoS合意形成メカニズムを採用しており、イーサリアムメインネットを利用せずに取引を検証しているのです。原稿執筆時点での
Polygon ネットワークの上位25のブロック検証者シェア
ロールアップ（Rollup）
最近、イーサリアムコミュニティにおいて「ロールアップ」スケーリングソリューションが話題になっています。ロールアップとは、計算データを「まとめて」有効性証明（Validity Proof）をイーサリアムメインネットに戻す方式です。これによりブロックスペースが節約され、メインチェーンに送信されるデータ量が削減されます。取引が束ねられることで、複数のユーザーでガス代を分担できるのです。ロールアップは、ほぼ即時の取引速度を提供し、手数料を50～200倍削減しつつ、イーサリアムメインネットのセキュリティと非中央集権性を維持します。
現在のロールアップには、Optimistic RollupとZero-Knowledge Rollup（ZK-Rollup）の2種類があります。
Optimistic Rollupとは？
Optimistic Rollupは、メインチェーンに返される取引が合法であると仮定します。ただし、検証者が不正取引を証明する詐欺証明（Fraud Proof）を提出できた場合のみ、その取引は拒否されます。言い換えれば、「有罪が証明されるまで無罪」という方法で取引を検証するのです。
Optimistic Rollupはすでに実用化が進んでいます。その理由の一つは、開発者がこのネットワーク上でアプリケーションを開発しやすい点にあります。Optimistic Rollupは完全なスマートコントラクト機能を直接サポートしており、開発者はイーサリアムのプログラミング言語であるSolidityを使ってアプリケーションを記述できます。L2beatのデータによると、最大のOptimistic RollupネットワークであるArbitrumは、DeFiアプリケーションで25億ドル以上の総ロック価値（TVL）を獲得しており、イーサリアム上の多くの人気DeFiアプリを収容しています。
しかし、Optimistic Rollupの取引検証方法には課題があります。メインネットへの資金引き出しには最大1週間の異議期間（Dispute Time Delay）が必要であり、これはユーザーにとって不便であり、組み合わせ可能性（コモディティ）を損ないます。Optimistic RollupはPolygonのようなPlasmaベースのソリューションよりも改善されていますが、一般的にZK-Rollupより劣ると見なされています。Optimistic Rollupは最大77倍のスケーラビリティ向上を提供する一方、ZK-Rollupは最大500倍の向上を可能にし、異議期間もありません。
ZK-Rollupとは？
ZK-Rollupは、取引をメインチェーンにまとめながら、その正当性を証明する暗号化証明を生成します。この証明が検証された後、初めて取引がイーサリアム上で承認されます。Optimistic Rollupとは異なり、「無罪が証明されるまで有罪」という検証方式を採用しています。
しかし、ZK-RollupはまだOptimistic Rollupほどの互換性レベルに達していません。各取引に有効性証明を伴う必要があるため、技術的により難易度が高く、現時点では直接的な送金や交換など比較的単純なタスクの実行に限定されています。スマートコントラクト機能の統合は可能ですが、Optimistic Rollupよりも困難です。
今年、イーサリアム共同創設者のヴィタリック・ブテリン氏は、完全に組み合わせ可能なZK-Rollupの開発には数年かかると予測しました。しかし、開発者たちはそれを前倒しにしており、いくつかのZK-Rollupプロジェクトが、組み合わせ性と相互運用性を兼ね備え、複数のロールアップ間の連携も可能なソリューションの展開を準備しています。
ZK-Rollupの発展により、イーサリアムメインネットと複数のレイヤー2ネットワーク間で通信フレームワークを共有できるようになります。ネットワークは流動性を共有でき、レイヤー1ブロックチェーンが直面する最大の採用課題を克服できます。ZK-Rollupベースのネットワークは、分散型取引所での効率的な取引のために流動性を奪い合うのではなく、協力的にイーサリアムを拡張できるようになるのです。
ZK-Rollupにはもう一つの特徴があります。取引ユーザーが増えれば、取引手数料がさらに安くなるという点です。1つのバッチを送信する費用はあまり変わりませんが、より多くの取引が1つのバッチにまとめられるため、コストがより多くのユーザーで分担されます。ZK-Rollupは事実上無限の取引をまとめられるため、十分なユーザーがいれば、ガス代は数セントまで下がる可能性があります。この機能は「有効性証明の償却（Validity Proof Amortization）」と呼ばれています。
イーサリアムは依然としてスケーラビリティの問題を抱えていますが、一部の開発者たちはすでに第二層のZK-Rollupネットワークを展開しており、スマートコントラクト、他の第二層ソリューション、イーサリアム仮想マシン（EVM）間での完全な組み合わせ性と互換性を実現することを約束しています。
ZK-Rollupの種類
現在、イーサリアムのスケーリングソリューションには2種類の異なるZK-Rollupが使用されています。
- SNARKs
最も広く使われているタイプがZK-SNARKsで、正式名称は「簡潔な非インタラクティブ知識証明（Succinct non-interactive arguments of knowledge）」です。これは最初に発見されたゼロ知識証明の一種であり、プライバシー重視のブロックチェーンプロジェクトZcash（ZEC）は2016年からこれを採用しています。ZK-SNARKsはZK-Rollup開発者の大部分のライブラリとコードの基盤を成しており、イーサリアムのスケーリングプロジェクトにとって強力な選択肢とされています。
しかし、SNARKsには欠点があります。それは初期のセットアップイベントで秘密鍵を生成する必要があり、この鍵は取引証明の作成に使用されます。もし信頼できるセットアップ（trusted setup）における鍵が破棄されなければ、新たなトークンを無から生み出したり、取引を偽造したりすることが可能になります。
現在注目されているSNARKベースのスケーリングソリューションはMatter LabsのzkSyncです。このプロジェクトは2020年6月に開始され、現時点での反復バージョンでは秒間2000件の取引処理が可能だと主張しており、将来的にはさらに高いスループットを目指しています。今年5月には、EVM互換環境でのスマートコントラクト展開に着手し、zkEVMテストネットを公開しました。
zkSyncは現在、イーサリアムメインネットからの移行を可能な限り簡単にすることに重点を置いています。zkEVM上で開発したい人は、イーサリアムのプログラミング言語Solidityを使ってスマートコントラクトを記述できます。Matter Labsは最近、a16zが主導するシリーズBで5000万ドルを調達し、zkSyncの開発を支援しています。また、同社はCurve、Aave、1inchなど、複数のイーサリアムDeFiアプリと提携しています。
- STARKs
もう一つのZK-RollupソリューションがSTARKsで、正式名称は「スケーラブルで透明な知識証明（Scalable transparent arguments of knowledge）」です。STARKsはSNARKsよりも優れた点があります。なぜなら、STARKsは信頼できるセットアップを必要とせず、完全にハッシュ関数に依存しているため、理論的にはSNARKsよりも安全です。
StarkWareは、STARKsを用いてイーサリアムをスケーリングした最初の企業であり、現在STARK技術の開発を牽引する主要プレイヤーです。同社の共同創業者であるEli Ben-Sasson氏とMichael Riabzev氏は、この技術の共同発明者でもあります。StarkWareはSTARKベースのZK-Rollup向けに、チューリング完全なプログラミング言語「Cairo」を開発しました。「StarkExプロトコル」は、このCairo言語で作られた最初の製品です。
StarkExは特定アプリケーション向けのスケーリングソリューションであり、現在dYdX、Immutable X、Sorare、DeversiFiなど複数のイーサリアムプロジェクトで使用されています。StarkWareが近日中にリリースするStarkNetは、許可不要のZK-Rollupネットワークであり、開発者がレイヤー2上で直接アプリケーションを構築・展開できるようにします。StarkNetの目標は、真に非中央集権的で多目的なスケーリングソリューションとなることです。
StarkNet 開発ロードマップ
ZK-Rollupは、暗号コミュニティがイーサリアムを利用する方法を変革しようとしています。zkSyncやStarkNetといった高速かつ低コストのネットワークが実現することで、より多くのイーサリアムメインネット上の取引がレイヤー2にアウトソーシングされるでしょう。これにより、イーサリアムはスケーラブルで安全かつ非中央集権的なブロックチェーンネットワークというビジョンに一歩近づくことになります。
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