モジュラーテーゼ:ロールアップによるWeb3のスケーリング

中級

ブロックチェーン

1/3/2024, 8:49:19 AM

この記事では、モジュール中心の設計により、スケーラブルで安全な実行レイヤーを実現でき、それによってブロックチェーンの構築と利用の方法をまとめて変えることができると主張しています。

モジュール式のテーゼは、ブロックチェーンの構築と利用の方法を集団で変えることを提案しています。さらに、モジュール式に重点を置いた設計により、スケーラブルで安全な実行レイヤーが可能になり、ブルランの誇大広告と活動の高まりに移行できます。

では、モジュール式ブロックチェーンアーキテクチャとは何でしょうか?

モノリシックネットワーク(例: イーサリアムとソラナ)、実行、決済、コンセンサス/データ可用性(DA)はすべて1つのレイヤーに統合されています。

データの可用性: ネットワークに公開されたデータは、すべてのネットワーク参加者が (少なくとも一定期間は) アクセスおよび取得できるという概念。
実行: ブロックチェーン上のノードがトランザクションを処理する方法を定義し、状態間で遷移させます。
決済:ファイナリティ(確率論的または決定論的)は、チェーンにコミットされたトランザクションが不可逆的であることを保証するものです。これは、チェーンがトランザクションの有効性を確信している場合にのみ発生します。したがって、和解とは、取引を検証し、証拠を検証し、紛争を仲裁することを意味します。
コンセンサス:ブロックチェーン上のどのデータが真実かつ正確であると検証できるかについて、ノードが合意するメカニズム。

モノリシックブロックチェーンアーキテクチャ(出典: Celestia)

モノリシックな設計アプローチには、独自の利点がいくつかありますが(例: 複雑さの軽減とコンポーザビリティの向上)、必ずしもうまくスケーリングできるとは限りません。そのため、モジュール設計ではこれらの機能を分離し、別々の特殊なレイヤーで実行しています。

したがって、モジュラー設計空間は以下で構成されます。

実行レイヤー (ロールアップ)
集落レイヤー (例: イーサリアム)
コンセンサス/DAレイヤー(例: セレスティア)

モジュラーブロックチェーンアーキテクチャ(出典: Celestia)

より広い意味では、モジュラーランドスケープには次のものも含まれます。

シーケンシングソリューション、
ソリューションの証明、
相互運用性ソリューション、
注文フローの抽象化に重点を置いたプロジェクト
さまざまなインフラストラクチャプロバイダー (ロールアップフレームワーク、ロールアップアズアサービスソリューション、その他のツール)

この簡単な導入記事では、ロールアップベース(別名)にたどり着いた方法に焦点を当てています。この新シリーズでは、今後数週間にわたってモジュール式ブロックチェーンシステムのニュアンスを深く掘り下げる前に、モジュール式)スケーリングソリューションを紹介します。

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スケーリングの歴史

ブロックチェーンのスループットのスケーリングは、この分野の研究開発の創業以来、主な焦点となっています。真の「大量導入」に到達するためには、ブロックチェーンが拡張できなければならないことは議論の余地がありません。簡単に定義すると、スケーラビリティとは、ネットワークが大量のトランザクションを迅速かつ低コストで処理する能力です。つまり、より多くのユースケースが発生し、ネットワークの採用が加速しても、ブロックチェーンのパフォーマンスは低下しません。この定義に基づくと、イーサリアムはスケーラビリティに欠けます。

ネットワーク使用量の増加に伴い、イーサリアムのガス価格は持続不可能なほど高騰し、最終的には多くの小規模ユーザーが分散型アプリケーションを完全に操作できなくなっています。例としては、BAYCランドミント(最大8000gweiのガス料金の高騰につながる)やartblocksのNFTドロップ(1000gweiを超えるガス料金の急増につながる)などがあり、参考までに、本稿執筆時点でのガス価格は 6gwei です。このようなインスタンスは、代替の、より「スケーラブルな」L1ブロックチェーン(つまり、ソラナ)イーサリアムの市場シェアを食い込むチャンスです。しかし、これはイーサリアムネットワークのスループットを向上させるためのイノベーションにも拍車をかけました。

しかし、これらのAlt-L1が採用しているスケーリングアプローチは、多くの場合、分散化とセキュリティを犠牲にしています。例えば、 Solana のようなAlt-L1チェーンは、より小さなバリデーターセットを使用することを選択し、バリデーターのハードウェア要件を増やしています。これにより、チェーンを検証し、その状態を保持するネットワークの能力は向上しますが、チェーンを自分で検証できる人の数が減り、ネットワーク参加への参入障壁が高まります。この対立は、ブロックチェーンのトリレンマとも呼ばれています(以下に図示)。このコンセプトは、ブロックチェーンは、ブロックチェーンネットワークが目指すべき3つのコア品質(スケーラビリティ、セキュリティ、分散化)すべてに一度に到達できないという考えに基づいています。

ブロックチェーンのトリレンマ(出典:SEBA Research)

これは、前述のハードウェア要件の増加について考えると明らかになります。スループットをスケーリングするために、Alt-L1チェーンはより中央集権的なネットワーク構造を利用する必要があり、ユーザーはハイスペックなマシンを持つ少数のバリデーターを信頼する必要があります。これは、ブロックチェーンのトリレンマの2つの側面である分散化とセキュリティを犠牲にして、スケーラビリティを確保しています。さらに、より強力なハードウェアが必要になると、ノードの運用コストも高くなります(ハードウェア自体だけでなく、帯域幅とストレージも)。これにより、ノードを実行するための参入障壁が劇的に増加し、ネットワークの検証に参加できる人が少なくなるため、ネットワークの分散化が大幅に損なわれます。

分散化と包括性はイーサリアムコミュニティの2つのコアバリューであるため、少数のハイスペックノードでチェーンを運営することが適切な道ではなかったことは驚くべきことではありません。ヴィタリック・ブテリン氏は、「ブロックチェーンの分散化には、一般ユーザーがノードを実行できることが重要である」とさえ主張しています。そのため、他のスケーリングアプローチが勢いを増しました。

同種実行シャーディング

イーサリアムコミュニティは、スケーラビリティの問題を解決するためにサイドチェーン、プラズマ、ステートチャネルを実験してきましたが、そのすべてに特定の欠点があり、最適とは言えないソリューションとなっています。多くの代替L1ブロックチェーンが採用しているスケーリングアプローチは、均質な実行シャーディングと呼ばれるものです。かなり長い間、これはイーサリアムにとって最も有望なソリューションのようにも見えました(古いETH 2.0ロードマップの文脈で)。

同種実行シャーディングは、トランザクション処理のワークロードをシャードと呼ばれる複数の小さなユニット(バリデーターサブセット)に分割することで、ブロックチェーンネットワークのスループットと容量を向上させることを目的としたスケーリングアプローチです。各シャードは独立して同時に動作し、独自のトランザクションセットを処理し、個別の状態を維持します。その目的は、トランザクションの並列実行を可能にし、ネットワーク全体の容量と速度を向上させることです。 HarmonyとEthereum 2.0(古いロードマップのみ!)は、スケーリング戦略の一環として同種実行シャーディングを採用したか、少なくとも考慮したスケーリングイニシアチブの2つの例です。

実行シャーディングの簡素化された視覚化

Harmonyは、分散型アプリケーション(dApps)にスケーラブルで安全、かつエネルギー効率の高いインフラストラクチャを提供することを目的とした代替L1ブロックチェーンプラットフォームです。これは、ネットワークを複数のシャードに分割し、それぞれにトランザクションの処理とローカル状態の維持を担当する独自のバリデーターのセットを持つシャーディングベースのアプローチを使用しています。バリデーターはシャードにランダムに割り当てられ、リソースの公平でバランスの取れた分配を保証します。

シャード間の通信は、「レシート」と呼ばれるメカニズムによって促進され、シャードはトランザクションの結果としての状態変化に関する情報を他のシャードに送信できます。これにより、ネットワークのセキュリティと整合性を損なうことなく、異なるシャードに存在するdAppsとスマートコントラクト間のシームレスな相互作用が可能になります。

イーサリアム2.0は、イーサリアムネットワークの継続的なアップグレードであり、オリジナルのプルーフ・オブ・ワーク(PoW)ベースのイーサリアムバージョンが直面していたスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性の問題に対処することを目的としています。古いイーサリアム2.0のロードマップでは、ネットワークをプルーフ・オブ・ステーク(PoS)コンセンサスメカニズムに移行し(昨年秋にようやく実現しました)、スケーラビリティを向上させるために実行シャーディングを導入するなど、多段階のロールアウトが提案されていました。この当初の計画では、イーサリアム2.0はビーコンチェーンと64のシャードチェーンで構成されていました。ビーコンチェーンは、PoSプロトコル、バリデーター登録、シャード間通信を管理するために設計されました。

一方、シャードチェーンは、トランザクションの処理と個別の状態の並列維持を担当する個別のチェーンです。バリデーターはシャードに割り当てられ、ネットワークのセキュリティと分散化を維持するために定期的にローテーションされます。ビーコンチェーンは、バリデータの割り当てを追跡し、シャードチェーンデータを完成させるプロセスを管理していました。シャード間の通信は、シャードチェーンのデータを定期的にビーコンチェーンにバンドルし、状態の変化をネットワーク全体に伝播させる「クロスリンク」と呼ばれるメカニズムによって促進される予定でした。

しかし、均質な実行シャーディングは優れたスケーラビリティを約束する一方で、バリデーターがより小さなサブセットに分割され、ネットワークの分散化が損なわれるため、セキュリティのトレードオフが生じます。さらに、シャードに暗号経済のセキュリティを提供するリスクの価値が低下します。

しかし、イーサリアム2.0のロードマップはその後進化し、実行シャーディングは、ロールアップと呼ばれるより複雑なスケーリング技術にスケーラブルな基盤を提供することを目的としたデータシャーディングと呼ばれるアプローチに置き換えられました(これについては後ほど詳しく説明します)。

異種実行シャーディング

ヘテロジニアス実行シャーディングは、異なるコンセンサスメカニズム、状態モデル、機能を持つ複数の独立したブロックチェーンを、単一の相互運用可能なネットワークに接続するスケーリングアプローチです。このアプローチにより、接続された各ブロックチェーンは、エコシステム全体のセキュリティとスケーラビリティの恩恵を受けながら、独自の特性を維持することができます。異種実行シャーディングを採用したプロジェクトの顕著な例は、 Polkadot と Cosmosの2つです。

Polkadot は、クロスチェーン通信と複数のブロックチェーン間の相互運用性を可能にするために設計された分散型プラットフォームです。そのアーキテクチャは、中央のリレーチェーン、複数のパラチェーン、およびブリッジで構成されています。

Polkadotのネットワークアーキテクチャの簡素化された視覚化(出典: Polkadot Docs)

リレーチェーン:Polkadotエコシステムのメインチェーンで、セキュリティ、コンセンサス、クロスチェーン通信の提供を担当します。リレーチェーン上のバリデーターは、トランザクションの検証と新しいブロックの生成を担当します。

パラチェーン:リレーチェーンに接続して、共有されたセキュリティとコンセンサスメカニズムの恩恵を受け、ネットワーク内の他のチェーンとの相互運用性を可能にする独立したブロックチェーン。各パラチェーンは、独自の状態モデル、コンセンサスメカニズム、および特定のユースケースに合わせた特殊な機能を持つことができます。

ブリッジ:Polkadotを外部ブロックチェーン(イーサリアムなど)にリンクし、これらのネットワークとPolkadotエコシステム間の通信と資産転送を可能にするコンポーネント。

Polkadotは、Nominated Proof-of-Stake(NPoS)と呼ばれるハイブリッドコンセンサスメカニズムを使用して、ネットワークを保護しています。リレーチェーン上のバリデーターは、トランザクションを検証し、ブロックを生成するためにコミュニティによって指名されます。逆に、パラチェーンは、要件に応じて異なるコンセンサスメカニズムを使用できます。 Polkadotのネットワークアーキテクチャの重要な特徴は、設計上、すべてのパラチェーンがリレーチェーンとセキュリティを共有し、リレーチェーンのセキュリティ保証を継承していることです。

Cosmos は、「ブロックチェーンのインターネット」の構築を目的とした別の分散型プラットフォームであり、異なるブロックチェーンネットワーク間のシームレスな通信と相互運用性を促進します。そのアーキテクチャは、中央のハブ、複数のゾーン、ブリッジで構成されるPolkadotのアーキテクチャと似ています。

Cosmosのネットワークアーキテクチャの簡素化された視覚化(出典:Cosmos Docs)

ハブ:Cosmosエコシステムの中心的なブロックチェーンで、クロスチェーン通信を可能にし、まもなくチェーン間セキュリティ(Polkadotに似た共有セキュリティ)を可能にします。 Cosmos Hub は、Tendermint と呼ばれるプルーフオブステーク (PoS) コンセンサスメカニズムを使用しており、迅速なファイナリティと高いスループットを提供します。理論的には、複数のハブが存在する可能性があります。しかし、ATOM 2.0とチェーン間セキュリティが登場する中、Cosmos HubはCosmos対応の「ブロックチェーンのインターネット」の中心であり続ける可能性があります。

ゾーン:ハブに接続された独立したブロックチェーンで、それぞれが独自のコンセンサスメカニズム、状態モデル、機能、バリデーターセット(通常)を持っています。ゾーンは、ブロックチェーン間通信(IBC)と呼ばれる標準化されたプロトコルを使用して、ハブを介して相互に通信できます。

ブリッジ:Cosmosエコシステムを外部ブロックチェーンにリンクし、Cosmos Zonesと他のネットワーク間の資産転送と通信を可能にするコンポーネント。

PolkadotとCosmosはどちらも、多様な機能、コンセンサスメカニズム、状態モデルを持つ複数の独立したブロックチェーンを単一の相互運用可能なエコシステムに接続するため、異種実行シャーディングの例です。このアプローチにより、接続された各チェーンは、ネットワーク全体のクロスチェーン通信およびセキュリティ機能の恩恵を受けながら、アプリケーション固有の実行レイヤーを互いに分離することでスケーラビリティを実現しながら、独自の特性を維持することができます。

CosmosとPolkadotのアプローチの主な違いは、セキュリティモデルです。 Cosmosは、アプリ固有のチェーン(異種シャード)が独自のバリデーターセットをスピンアップして維持する必要があるアプローチを採用していますが、Polkadotは共有セキュリティモデルを選択しています。この共有セキュリティモデルでは、アプリチェーンはエコシステムの中心にあるリレーチェーンからセキュリティを継承します。後者は、イーサリアムがスケーリングを可能にするために採用したいロールアップベースのスケーリングアプローチにはるかに近いものです。

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ロールアップによるイーサリアムのスケーリング

ロールアップ中心のイーサリアムのロードマップは、必ずしも新しい現象ではありませんが、その普及と採用のペースは加速しています。ヴィタリックは、2020年10月にこのロードマップのピボットについて初めて記事を書きました。

ロールアップは、共有セキュリティパラダイム内のシャーディングを次のレベルに引き上げます。これは、トランザクションがロールアップの実行環境でオフチェーンで処理され、その名前が示すようにバッチにロールアップされるスケーリングソリューションです。シーケンサーは、ユーザーからトランザクションを収集し、トランザクションバッチをイーサリアムL1上のスマートコントラクトに送信し、L2で正しいトランザクションの実行を強制します。その後、トランザクションデータはL1に保存され、ロールアップは実戦でテストされたイーサリアムベースレイヤーのセキュリティを継承することができます。

そのため、古いイーサリアム2.0のロードマップでは基本的にシャードだったものがベースレイヤーから完全に切り離され、開発者はL2を好きなようにカスタマイズできる広いオープンスペースを持つことができます(PolkadotのパラチェーンやCosmosのゾーンと同様)。しかし、イーサリアムの和解とDAのおかげで、ロールアップは引き続きL1セキュリティ保証に頼ることができます。サイドチェーンと比較したもう一つの重要な利点(例: Polygon)は、ロールアップが独自のバリデーターセットとコンセンサスメカニズムを必要としないということです。

ロールアップシステムに必要なのは一連のシーケンサー (トランザクションの収集と順序付け) だけで、常に 1 つのシーケンサーのみが稼働状態である必要があります。このような弱い仮定では、ロールアップは実際には少数の高スペックなサーバーグレードのマシンや 1 つのシーケンサーで実行できるため、優れたスケーラビリティが得られます。ただし、これは分散化とのトレードオフを伴うため、ほとんどのロールアップは、システムを可能な限り分散化して設計しようとします(シーケンサーを含む)。ロールアップはコンセンサスメカニズムを明示的に必要としませんが(最終結果はL1コンセンサスから得られるため)、ロールアップは、シーケンサーをローテーションするためのローテーションスケジュールとの調整メカニズムや、一連のシーケンサーがトランザクションのバッチ処理/順序付けでコンセンサスに達する本格的なPoSメカニズムを持つことができます。これらのアプローチにより、セキュリティが向上し、分散化が改善されます。

一般的に、ロールアップシステムには2つのタイプがあります。

オプティミスティックロールアップ

オプティミスティックロールアップと呼ばれるものは、L2でトランザクションデータを収集し、その後、このデータを新しいL2ステートルートとともにイーサリアムベースレイヤーに送信するシーケンサーノードを持つことを特徴としています。イーサリアムL1に提出された新しいステートルートが正しいことを確認するために、ベリファイアノードは新しいステートルートをシーケンサーによって送信されたものと比較します。違いがある場合は、いわゆる不正防止プロセスを開始します。不正証明の状態ルートがシーケンサーによって送信されたものと異なる場合、シーケンサーの初期デポジット(別名 bond)が斬られます。そのトランザクション以降の状態ルートは消去され、シーケンサーは失われた状態ルートを再計算する必要があります。

ロールアップの仕組み(出典:Panther Academy)

有効性 (ゼロ知識) ロールアップ

一方、有効性のロールアップは、ゼロ知識証明の形式の有効性の証明に依存しています(例: SNARKs または STARKs) を不正証明メカニズムの代わりに使用します。オプティミスティックロールアップシステムと同様に、シーケンサーはユーザーからトランザクションを収集し、対応するトランザクションデータとともにゼロ知識証明を L1 に送信 (場合によっては生成) する役割を担います。シーケンサーが悪意を持って行動した場合、シーケンサーの賭け金は削減される可能性があり、有効なブロック(またはバッチのプルーフ)を投稿するインセンティブが与えられます。有効性のロールアップは、オプティミスティック設定では必要のない新しいロールをシステムに導入します。証明者は、トランザクション実行の偽造不可能なzkプルーフを生成し、提案された状態遷移が有効であることを証明するアクターです。

その後、シーケンサーはこれらの証明をイーサリアムメインネットの検証コントラクトに提出します。技術的には、シーケンサーとプルーバーの責任を1つの役割にまとめることができます。ただし、証明の生成とトランザクションの順序付けは、それぞれ高度に専門化されたスキルを必要とするため、これらの役割を分割することで、ロールアップの設計における不必要な集中化を防ぐことができます。シーケンサーがL1に提出するゼロ知識証明は、L2状態の変化のみを報告し、このデータを検証可能なハッシュの形でイーサリアムメインネット上の検証者スマートコントラクトに提供します。

zk-Rollupの簡略化された視覚化(出典:Chainlink)

どちらのアプローチが優れているかを判断することは、困難な作業です。ただし、いくつかの重要な違いを簡単に調べてみましょう。まず、有効性の証明は数学的に証明できるため、イーサリアムネットワークはバッチトランザクションの正当性をトラストレスに検証することができます。これは、イーサリアムが検証ノードに依存してトランザクションを検証し、必要に応じて不正証明を実行する楽観的ロールアップとは異なります。したがって、zk-rollupsの方が安全だと主張する人もいるかもしれません。さらに、有効性の証明(ゼロ知識証明)により、メインチェーン上のロールアップトランザクションを即座に確認することができます。

その結果、ユーザーは、摩擦や遅延を経験することなく、ロールアップとベースブロックチェーン(および他のzkロールアップ)の間でシームレスに資金を送金できます。対照的に、楽観的なロールアップ(OptimismやArbitrumなど)では、検証者が取引を検証し、必要に応じて不正証明メカニズムを開始できる必要があるため、ユーザーがL1に資金を引き出すことができるようになるまでの待機期間(Optimism & Arbitrumの場合は7日間)が課せられます。これにより、ロールアップの効率が制限され、ユーザーにとっての価値が低下します。迅速な引き出しを可能にする方法はありますが、一般的にはネイティブ機能ではありません。

ただし、有効性の証明は生成に計算コストがかかり、オンチェーンでの検証にはコストがかかることがよくあります(プルーフのサイズによって異なります)。証明の生成と検証を抽象化することで、楽観的なロールアップは、コストの点で有効性のロールアップよりも優位に立つことができます。

楽観的ロールアップと妥当性ロールアップはどちらも、イーサリアムのロールアップ中心のロードマップの文脈で重要な役割を果たします。イーサリアムのベースレイヤーを、ほぼ無限の数の拡張性の高いロールアップベースの実行レイヤーの主要なデータ可用性/決済レイヤーに変換することで、イーサリアムネットワーク全体とそのロールアップエコシステムを巨大な規模に到達させることができます。

結論

これまで見てきたように、主権を持ち、基本レイヤーの制限に制約されない分散型アプリケーションを構築することは、複雑な作業です。何百人ものノードオペレーターを調整する必要があり、これは困難でコストがかかります。さらに、セキュリティや分散化に大きなトレードオフをせずにモノリシックブロックチェーンを拡張することは困難です。

Cosmos SDKやPolkadotのSubstrateなどのフレームワークは、特定のソフトウェアコンポーネントの抽象化を容易にしますが、コードからP2Pハードウェアの実際の物理ネットワークへのシームレスな移行はできません。さらに、異種シャーディングのアプローチは、エコシステムのセキュリティを断片化する可能性があり、さらなる摩擦とリスクをもたらす可能性があります。

次世代のスケーリングソリューションであるRollupsは、分散型ネットワークを運用するために何百人、何千人もの個人を調整することの難しさを取り除くだけでなく、開発者がアイデアやコンセプトを実現するために必要なコストと時間を大幅に削減するための大きな足がかりとなる素晴らしい機会を提供します。

モジュラーチェーンのコンセプトは、これをさらに簡素化します。モジュール式ブロックチェーン設計は、ブロックチェーンのコア機能を個別の交換可能なコンポーネントに分離する広範なアプローチです。これらの機能領域内では、スケーラブルで安全なロールアップ実行レイヤーの構築、幅広いアプリ設計の柔軟性、進化する技術的要求への適応性の向上を共同で促進する専門プロバイダーが登場します。

それにもかかわらず、ロールアップベースのスケーリングはまだ初期段階のテクノロジです。したがって、克服すべき障害がまだいくつかあります。現在、(イーサリアムベースの)ロールアップのスケーラビリティのボトルネックとなっているのは、データ可用性(DA)容量の制限です。しかし、モジュラー・テーゼによって推進されるイノベーションには、これに対処するためのいくつかのアプローチが用意されています。 DAの問題と潜在的な解決策の詳細については、このシリーズの続きとして来週公開される詳細なレポートにご期待ください。

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