Coinbase：イーサリアムのスケーリングソリューション解説
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Coinbase：イーサリアムのスケーリングソリューション解説
数十億のユーザー向けの金融およびWeb 3アプリケーションをサポートするために、スマートコントラクトに基づくブロックチェーンが継続的に発展するには、スケーラビリティの解決策が必要である。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Justin Mart&Connor Dempsey
翻訳：Alex，TechFlow
2021年末までに、イーサリアムはDeFi、NFT、GameFiなどの分野から数千のアプリケーションをサポートできるまでに成長した。ネットワーク全体では年間数兆ドル規模の取引が決済され、1700億ドル以上がプラットフォーム上にロックされている。
しかし、よく言われるように、お金があれば問題も増える。イーサリアムの分散型設計は最終的に処理可能な取引量を秒間15件程度に制限している。イーサリアムの人気はこの処理能力を大きく超えており、結果として長時間の待ち時間と1取引あたり最大200ドルにもなる高額な手数料が発生する。これにより多くのユーザーが敬遠し、現在のイーサリアムで扱えるアプリケーションの種類も制限されている。
もしスマートコントラクト型ブロックチェーンが数十億人のユーザー向けの金融およびWeb3アプリケーションを十分に支えられるように進化していくには、スケーリングソリューションが必要となる。幸運にも、「救世主」はすでに登場しており、多くの提案された解決策が最近実装され始めた。
競争か？それとも補完か？
目標は、公開可能なスマートコントラクトプラットフォームが処理できる取引量を増やしつつ、十分な分散性を維持することである。単一の主体によって管理される集中型ソリューションを使ってスマートコントラクトプラットフォームを拡張するのは簡単だ（Visaは秒間45,000件の取引を処理できる）が、それではまた元の状態に戻ってしまう――すなわち、少数の強力な中央集権的参加者が世界を支配する状況である。
この問題に対するアプローチは二つある：
（1）より多くの処理を可能にする、イーサリアムと競合するまったく新しいネットワークを構築する
（2）イーサリアムの過剰な負荷を処理できる補完的なネットワークを構築する
大まかに言えば、これらは以下のカテゴリに分けられる：
1） L1 ブロックチェーン（イーサリアムと競合）
2） サイドチェーン（イーサリアムと部分的に補完）
3） L2 ネットワーク（イーサリアムと補完）
各アーキテクチャやアプローチは異なるが、目的は同じである：ユーザーがネットワークを使用する際（DeFi、NFTなどとのインタラクション）、高額な手数料を払ったり、長い待ち時間を経験したりすることなく利用できるようにすること。
レイヤー1（L1）
イーサリアムはL1ブロックチェーンと見なされている――すなわち、ユーザー資産の保護と取引の実行を単一のネットワーク内で完結させる独立したネットワークである。UniswapのようなDeFiアプリを使って100USDCをDAIに交換したい？そのすべてがイーサリアム上で行われる。
競合するL1はイーサリアムと同じ機能を果たすが、まったく新しいネットワーク上で行う。違いは、新しいシステム設計により高いスループットを実現し、取引手数料を下げられることにあるが、通常はその代償として中央集権化が進む。
過去10ヶ月間で、新たなL1が次々と登場し、これらのネットワークの総価値は同期間中に0ドルから約750億ドルへと急騰した。現在この分野はSolana、Avalanche、Terra、Binance Smart Chainがリードしており、それぞれ100億ドル以上のエコシステム価値を持つ成長中のエコシステムを持っている。
TVL（ロックされた総価値）トップの非ETH L1
すべてのL1は開発者とユーザーの獲得を競っている。イーサリアムのツールやインフラストラクチャなしでアプリを開発・使用するのは困難である。
このギャップを埋めるため、多くのL1が「EVM互換性」と呼ばれる戦略を採用している。
EVMとはイーサリアム仮想マシン（Ethereum Virtual Machine）のことで、取引を実行するために計算を行う本質的な「脳」である。自らのネットワークをEVM互換にすることで、イーサリアムの開発者はコードをほぼそのままコピー＆ペーストして既存のアプリを新しいL1に展開できる。ユーザーも既存のウォレットを使って簡単にEVM互換L1にアクセスでき、移行が容易になる。
例としてBinance Smart Chain（BSC）がある。EVM互換のネットワークを立ち上げ、コンセンサス設計を調整してスループットを向上させ、取引コストを抑えたBSCは、昨年の夏に数十のDeFiアプリの利用が急増した。それらはすべてUniswapやCurveのような人気のイーサリアムアプリと類似している。
Avalanche、Fantom、Tron、Celoも同様のアプローチを取っている。
一方、TerraとSolanaは現在EVM互換性をサポートしていない。
EVM互換 vs 非EVM互換 L1のTVL比較
相互運用性チェーン
もう少し異なるL1のカテゴリとして、CosmosやPolkadotのようなブロックチェーンエコシステムがある。これらのプロジェクトは、独立した新しいブロックチェーンを構築するのではなく、開発者がアプリ固有のブロックチェーンを作成し、それらが互いに通信できるような基準を提供する。例えば、ゲーム用ブロックチェーン上のトークンを、ソーシャルネットワーク用の別のブロックチェーン上で動作するアプリで使用できるようにすることができる。
現在、Cosmos規格に基づいて構築されたチェーンには1000億ドル以上が存在し、将来的に相互運用可能になる予定だ。一方、Polkadotも最近重要なマイルストーンに到達し、自らのブロックチェーンエコシステムを統合しつつある。
要するに、現在イーサリアムの直接的な競争相手は多様な地図を描いており、今後さらに増えるだろう。
サイドチェーン
サイドチェーンと新しいL1の違いは確かに曖昧である。サイドチェーンはEVM互換のL1と非常に似ているが、イーサリアム全体と競争するのではなく、イーサリアムの過剰な負荷を処理することに特化している点が異なる。こうしたエコシステムはイーサリアムコミュニティと密接に連携し、イーサリアムのアプリを補完的にホストする。
Axie InfinityのRoninサイドチェーンが良い例である。Axie Infinityは当初イーサリアム上に構築されたNFTゲームだった。イーサリアムの手数料が高すぎてゲームプレイが高コストになったため、RoninサイドチェーンはユーザーがNFTやトークンを低手数料環境に移動できるように設計された。これにより、より多くのユーザーがゲームをプレイできるようになり、人気爆発の前触れとなった。
本稿執筆時点において、ユーザーはAxie InfinityをプレイするためにイーサリアムからRoninへ75億ドル以上を転送している。
Polygon POS
Roninのようなサイドチェーンはアプリ固有であるが、他には汎用的な用途に使えるサイドチェーンもある。現在、Polygonのプルーフ・オブ・ステーク（POS）サイドチェーンが業界をリードしており、約50億ドルの価値を持ち、AaveやSushiswapといった有名どころに加え、UniswapのクローンであるQuickswapを含む100以上のDeFiおよびゲームアプリが展開されている。
同様に、Polygon POSはEVM互換のL1と見た目はほとんど変わらない。しかし、それはイーサリアムと競争するのではなく、イーサリアムを拡張する枠組みの一部として構築されている。Polygonチームは、将来においてもイーサリアムが高価値取引や価値保存の主要ブロックチェーンであり続けると考えており、日常的な取引はPolygonの低コストブロックチェーンに移行すると見ている。（Polygon POSはチェックポイント機構を通じてイーサリアムと特別な関係を維持している。）
取引手数料が1セント未満であるため、Polygonの将来像は現実味を帯びている。インセンティブプログラムの支援もあり、ユーザーは続々とPolygon POSに流入し、日次取引数はイーサリアムを上回った（ただし、スパム取引がこの数字を誇張している可能性もある）。
レイヤー2（L2）（ロールアップ）
L1およびサイドチェーンには明確な課題がある：自らのブロックチェーンを守る必要があること。そのためには、新規のマイナーやPoS検証者グループに報酬を払い、取引を検証・保護しなければならず、通常は基礎となるトークン（例：Polygonの$MATIC、Avalancheの$AVAX）のインフレーションという形で行われる。
しかし、これには著しい欠点がある：
1） 基礎となるネイティブトークンを持つことで、自らのエコシステムがイーサリアムと競合的になってしまう
2） 取引の検証と保護は複雑かつ困難な作業であり、ネットワークは無期限にその責任を負うことになる
もしイーサリアムのセキュリティを活用できるスケーラブルなエコシステムを作れたらどうだろうか？
そこで登場するのがL2ネットワーク、特に「ロールアップ」である。
簡単に言えば、L2はイーサリアム上に構築された独立したエコシステムであり、その安全性はイーサリアムに依存している。
重要なのは、L2はネイティブトークンを必要としない――つまり、イーサリアムとより補完的であるだけでなく、本質的にイーサリアムの一部であるということだ。
イーサリアムのロードマップでさえ、「イーサリアム2.0はロールアップ中心になる」と明言しており、この考えへの支持を示している。
ロールアップの仕組み
L2は一般的にロールアップと呼ばれる。なぜなら、取引を「集約」またはバンドルし、新しい環境で実行した後、更新された取引データをイーサリアムに送り返すからである。【イーサリアムネットワークが個別に1,000件のUniswap取引を処理する（高コスト！）代わりに、L2のロールアップで計算を処理し、その結果をイーサリアムに提出する（低コスト！）】
しかし、結果がイーサリアムに送信されたとき、イーサリアムはそれが正しく有効かどうかをどうやって知るのか？誰でも誤った情報を投稿できないのか？これが次の2種類のロールアップを区別する鍵となる問いである：Optimistic RollupとZK Rollup。
Optimistic Rollup
結果をイーサリアムに提出する際、Optimistic Rollupはそれらが有効であることを「楽観的」に仮定する。つまり、ロールアップの運営者が何でも（不正確・詐欺的なデータを含む）投稿でき、それを正しいものと見なすのだ――確かに楽観的すぎる！だが、詐欺に対抗する手段はある。バランスを取るために、引き出し後には一定期間の猶予があり、誰でもその間に詐欺を指摘できる（ブロックチェーンは透明なので、誰でも何が起きているか確認できる）。もしこれらの監視者の一人が数学的に詐欺が発生したことを証明できた場合（不正検出証明を提出することで）、ロールアップは不正な取引を元に戻し、悪意のある者を罰し、監視者に報酬を与える（賢いインセンティブ設計！）。
欠点：ロールアップとイーサリアムの間で資金を移動する際に、詐欺が発覚するかどうかを待つ短い遅延が生じる。場合によっては最大1週間かかるが、将来的にはこの遅延は縮小されると予想される。
重要なのは、Optimistic RollupがETHと内在的に結びついており、今日のイーサリアム拡張を支援する準備ができている点だ。そのため、多くの主要DeFiプロジェクトが主要Optimistic Rollup――Arbitrum および Optimistic Ethereumに移行する中で、着実な初期成長が見られている。
- Arbitrum & Optimistic Ethereum
Arbitrum（Off-chain Labs提供）とOptimistic Ethereum（Optimism提供）は、現在Optimistic Rollupを実装する主要な2つのプロジェクトである。
なお、両者ともまだ初期段階にあり、企業による集中管理が一定程度残っているが、将来的には分散化を進める計画である。
推定では、成熟すればOptimistic Rollupはスケーラビリティを10～100倍に向上できる。
初期段階であっても、ArbitrumとOptimism上のDeFiアプリにはすでに数十億ドルの価値が蓄積されている。
Optimismは導入段階がやや早く、Uniswap、Synthetix、1inchなど7つのDeFiアプリに3億ドル以上のTVLが集まっている。
Arbitrumはさらに進んでおり、Curve、Sushiswap、Balancerといった馴染み深いDeFiプロトコルを含む60以上のアプリで約25億ドルのTVLを記録している。
ArbitrumはRedditの優先拡張ソリューションにも選ばれており、5億人の月間アクティブユーザーを持つソーシャルメディアプラットフォームでのコミュニティポイント導入に向けた取り組みに使われる予定だ。
ZKロールアップ
Optimistic Rollupが取引を有効と仮定し、詐欺の証明を後に残すのに対し、ZKロールアップは実際にイーサリアムネットワークに対して取引の有効性を証明する。
取引バンドルの結果とともに、イーサリアムのスマートコントラクトに「有効性証明（validity proof）」を提出する。名前の通り、この証明によりイーサリアムネットワークは取引が有効であることを検証でき、中継者がシステムを騙すことは不可能になる。これにより不正検出ウィンドウの必要がなくなり、イーサリアムとZKロールアップ間の資金移動は事実上即時になる。
即時決済と引き出し遅延のない仕組みは魅力的だが、ZKロールアップにもトレードオフはある。
- まず、有効性証明の生成は計算負荷が高く、高性能なマシンが必要になる。
- 第二に、有効性証明の複雑さゆえにEVM互換性のサポートが難しくなり、ZKロールアップに展開可能なスマートコントラクトの種類が制限される。
そのため、Optimistic Rollupの方が市場投入が早く、現在のイーサリアムのスケーリング問題に対応できる能力が高いが、長期的にはZKロールアップがより優れた技術的解決策になる可能性がある。
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ZKロールアップの採用
ZKロールアップ分野は奥深く、複数のチームと実装が稼働中である。著名な参加者にはStarkware、Matter Labs、Hermez、Aztecがいる。
現在、ZKロールアップは主に決済や取引所など比較的単純なアプリをサポートしている（現時点でのZKロールアップ対応アプリの種類に制限があるため）。例えば、デリバティブ取引所dYdXはStarkware（StarkEx）のZKロールアップソリューションを採用し、毎週約500万件の取引と10億ドル超のTVLを処理している。
しかし、真のゴールはEVMと完全互換なZKロールアップソリューションであり、Optimistic Rollupのような退出遅延なしで、DeFiアプリ群を含む人気の汎用アプリをサポートできるようになることである。
この分野の主要プレイヤーは、MatterLabのzkSync 2.0、StarkwareのStarknet、Polygon HermezのzkEVM、Polygon Midenであり、いずれもメインネットリリースに向けて開発中である。（一方、Aztecはプライバシーへのzk証明の適用に注力している。）
多くの業界関係者（Vitalikも含む）は、ゼロ知識証明技術の力を通じて、安全と分散性を損なうことなく秒間数千もの取引を根本的に処理できる点に着目し、ZKロールアップをイーサリアムスケーリングの長期的解決策と見なしている。
イーサリアムのスケーリングが進む中、まもなく登場するEVM完全互換のZKロールアップは注目すべきキーポイントの一つとなるだろう。
断片化された世界
長期的には、スマートコントラクトプラットフォームが数十億人のユーザーにまでスケールするには、こうしたスケーリングソリューションは不可欠である。
しかし短期的には、これらのソリューションはユーザーと暗号資産オペレーターにとって重大な課題をもたらす可能性がある。イーサリアムからこれらのネットワークに移動するにはクロスチェーンブリッジを使う必要があり、これはユーザーにとって複雑で潜在的なリスクを伴う。実際、いくつかのクロスチェーンブリッジは100万ドル以上の攻撃を受けたことがある。
さらに重要なのは、マルチチェーン世界は組み合わせ性（コンポーザビリティ）と流動性を断片化する点だ。Sushiswapは現在、イーサリアム、Binance Smart Chain、Avalanche、Polygon、Arbitrum上で実装されている。かつてSushiswapの流動性はひとつのネットワーク（イーサリアム）に集中していたが、今は5つの異なるネットワークに分散している。
イーサリアムアプリは長年にわたり、コンポーザビリティの恩恵を受けてきた――すなわち、イーサリアム上のSushiswapがAaveやCompoundといった他のイーサリアムアプリとシームレスに連携できる点である。
アプリが新たなネットワークに拡大するにつれ、L1／サイドチェーン／L2上で実装されたアプリは、他のレイヤー上のアプリと組み合わせできなくなり、利便性が制限され、ユーザーと開発者にとって課題となる。
不確かな未来
AvalancheやSolanaのような新しい第一層は、イーサリアムと競争しながら成長を続けるのだろうか？
CosmosやPolkadotのようなブロックチェーンエコシステムは急成長するのだろうか？
サイドチェーンはイーサリアムと調和しながら、その過剰な需要を受け止めていくのだろうか？
それとも、イーサリアム2.0と統合されたロールアップが勝ち残るのだろうか？
誰にも確実には言えない。
未来は不確かだが、多くの優秀なチームがオープンで無許可ネットワークが直面する最も難しい問題の解決に取り組んでいるという事実は、誰もが安心できる要素だろう。
ブロードバンドが最終的にYouTubeやUberといった革新的アプリを支えるのに役立ったように、我々もいつか、勝利するスケーリングソリューションを同じように見るようになるだろう。
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