イーサリアム（ETH）のレイヤーで実現する高速決済

はじめに

イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築するための基盤として広く認識されていますが、そのスケーラビリティの問題は、長年にわたり議論の的となってきました。メインチェーンでのトランザクション処理能力の限界は、ネットワークの混雑を引き起こし、ガス代の高騰、そして決済速度の低下を招きます。これらの課題を克服するために、イーサリアムのエコシステム内では、様々なレイヤー2ソリューションが開発・実装されています。本稿では、イーサリアムのレイヤーで実現する高速決済について、その技術的な背景、主要なソリューション、そして将来展望について詳細に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題

イーサリアムのメインチェーンは、ブロック生成間隔が約12秒と比較的遅く、1秒あたり約15トランザクションしか処理できません。これは、VisaやMastercardなどの従来の決済ネットワークと比較すると、著しく低い処理能力です。トランザクションが増加すると、ネットワークは混雑し、ユーザーはより高いガス代を支払う必要が生じます。また、トランザクションの承認時間も長くなり、リアルタイム決済には不向きです。

このスケーラビリティ問題は、イーサリアムの普及を阻害する大きな要因の一つとなっています。DAppsの利用者が増加し、DeFi（分散型金融）の活動が活発化するにつれて、ネットワークの負荷は増大し、問題は深刻化しています。この問題を解決するために、イーサリアムコミュニティは、シャーディングやプルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行など、様々なスケーリングソリューションを検討してきました。

レイヤー2ソリューションの概要

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのメインチェーン（レイヤー1）の負荷を軽減し、トランザクション処理能力を向上させるための技術です。これらのソリューションは、メインチェーンの外でトランザクションを処理し、その結果のみをメインチェーンに記録することで、スケーラビリティ問題を解決しようとします。レイヤー2ソリューションは、大きく分けて以下の2つのカテゴリに分類できます。

• オフチェーンスケーリング: トランザクションの大部分をメインチェーンの外で処理し、定期的に結果をメインチェーンに記録します。代表的なソリューションとしては、State Channels、Sidechains、Plasmaなどがあります。
• オンチェーンスケーリング: メインチェーン上でトランザクション処理を効率化するための技術です。代表的なソリューションとしては、Rollups（Optimistic Rollups、ZK-Rollups）などがあります。

主要なレイヤー2ソリューションの詳細

State Channels

State Channelsは、2者間のトランザクションをオフチェーンで処理するための技術です。参加者は、メインチェーン上でチャネルを開設し、そのチャネル内で複数回のトランザクションを交換します。最終的に、チャネルをクローズする際に、最終的な状態のみをメインチェーンに記録します。State Channelsは、高速かつ低コストなトランザクションを実現できますが、2者間のトランザクションに限定されるという制約があります。代表的なState Channelsの実装としては、Raiden NetworkやCeler Networkなどがあります。

Sidechains

Sidechainsは、イーサリアムのメインチェーンとは独立したブロックチェーンであり、独自のコンセンサスアルゴリズムを使用できます。Sidechainsは、メインチェーンからアセットを転送し、Sidechains上でトランザクションを処理し、その結果をメインチェーンに転送することで、スケーラビリティを向上させます。Sidechainsは、特定のアプリケーションに特化したブロックチェーンを構築するのに適していますが、セキュリティ上のリスクがあるという課題があります。代表的なSidechainsとしては、Polygon（旧Matic Network）などがあります。

Plasma

Plasmaは、Sidechainsと同様に、イーサリアムのメインチェーンから独立したブロックチェーンであり、子チェーンと呼ばれる複数のブロックチェーンを構築できます。Plasmaは、子チェーン上でトランザクションを処理し、その結果をメインチェーンに記録することで、スケーラビリティを向上させます。Plasmaは、Sidechainsよりも複雑な構造を持ちますが、より高いセキュリティを確保できます。Plasmaは、現在、開発が進められており、実用化にはまだ時間がかかると予想されています。

Rollups

Rollupsは、オフチェーンでトランザクションをバッチ処理し、その結果をメインチェーンに記録する技術です。Rollupsは、トランザクションデータを圧縮することで、メインチェーンの負荷を軽減し、スケーラビリティを向上させます。Rollupsには、Optimistic RollupsとZK-Rollupsの2つの主要なタイプがあります。

Optimistic Rollups

Optimistic Rollupsは、トランザクションが有効であると仮定し、不正なトランザクションがあった場合に、チャレンジメカニズムによって検証を行います。Optimistic Rollupsは、比較的シンプルな構造を持ち、実装が容易ですが、不正なトランザクションの検証に時間がかかるという課題があります。代表的なOptimistic Rollupsの実装としては、ArbitrumやOptimismなどがあります。

ZK-Rollups

ZK-Rollupsは、ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）と呼ばれる暗号技術を使用して、トランザクションの有効性を証明します。ZK-Rollupsは、不正なトランザクションの検証に時間がかからないため、高速なトランザクション処理を実現できますが、実装が複雑であるという課題があります。代表的なZK-Rollupsの実装としては、zkSyncやStarkNetなどがあります。

レイヤー2ソリューションの比較

| ソリューション | スケーラビリティ | セキュリティ | 複雑性 | 実装状況 |
|—|—|—|—|—|
| State Channels | 高 | 高 | 低 | 実用化段階 |
| Sidechains | 中 | 中 | 中 | 実用化段階 |
| Plasma | 中 | 高 | 高 | 開発段階 |
| Optimistic Rollups | 高 | 中 | 中 | 実用化段階 |
| ZK-Rollups | 高 | 高 | 高 | 開発段階 |

高速決済の実現に向けた課題

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するための有望な手段ですが、いくつかの課題も存在します。

• ユーザーエクスペリエンス: レイヤー2ソリューションを利用するには、ユーザーは追加のウォレットやソフトウェアをインストールする必要がある場合があります。これは、ユーザーエクスペリエンスを低下させる可能性があります。
• 相互運用性: 異なるレイヤー2ソリューション間での相互運用性は、まだ十分に確立されていません。
• セキュリティ: レイヤー2ソリューションは、メインチェーンのセキュリティに依存するため、セキュリティ上のリスクが存在します。

これらの課題を克服するために、イーサリアムコミュニティは、ユーザーエクスペリエンスの向上、相互運用性の確立、そしてセキュリティの強化に取り組んでいます。

将来展望

イーサリアムのレイヤー2ソリューションは、今後ますます発展していくと予想されます。特に、Rollupsは、高いスケーラビリティとセキュリティを両立できるため、有望なソリューションとして注目されています。また、イーサリアム2.0（Serenity）の完成により、PoSへの移行とシャーディングの実装が進むことで、イーサリアムのスケーラビリティはさらに向上すると期待されます。

将来的には、レイヤー2ソリューションとイーサリアム2.0が連携することで、高速かつ低コストな決済を実現し、イーサリアムが真にグローバルな決済ネットワークとして普及することが期待されます。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及を阻害する大きな要因の一つでしたが、レイヤー2ソリューションの登場により、この問題は克服されつつあります。State Channels、Sidechains、Plasma、Rollupsなど、様々なレイヤー2ソリューションが開発・実装されており、それぞれ異なる特徴と利点を持っています。これらのソリューションは、イーサリアムのトランザクション処理能力を向上させ、高速かつ低コストな決済を実現するための重要な手段となります。今後、レイヤー2ソリューションとイーサリアム2.0が連携することで、イーサリアムは、よりスケーラブルで安全なプラットフォームへと進化し、DAppsやDeFiの発展を加速させることが期待されます。