イーサリアムのレイヤーとレイヤー技術比較まとめ

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なるブロックチェーンプラットフォームです。そのスケーラビリティ問題に対処するため、様々なレイヤーとレイヤー技術が開発されています。本稿では、イーサリアムのレイヤー構造を概観し、主要なレイヤー技術を比較検討することで、それぞれの特徴と利点を明らかにすることを目的とします。本稿は、技術的な詳細を網羅し、専門的な視点からイーサリアムのスケーリングソリューションを理解するための資料として活用されることを意図しています。

イーサリアムのレイヤー構造

イーサリアムのレイヤー構造は、大きく分けて以下の3つのレイヤーに分類できます。

レイヤー1（L1）：イーサリアムメインネット

レイヤー1は、イーサリアムの基盤となるメインネットです。このレイヤーは、トランザクションの検証とブロックの生成を担当し、セキュリティと分散性を保証します。しかし、L1はトランザクション処理能力に限界があり、ネットワークの混雑時にはガス代が高騰するなどのスケーラビリティ問題が発生します。L1のスケーラビリティ改善策としては、シャーディングやプルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行などが挙げられます。

レイヤー2（L2）：オフチェーンスケーリングソリューション

レイヤー2は、L1の負荷を軽減するために、トランザクションの一部または全部をオフチェーンで処理するソリューションです。L2は、L1のセキュリティを維持しながら、トランザクション処理能力を向上させ、ガス代を削減することを目的とします。代表的なL2技術としては、ロールアップ、サイドチェーン、ステートチャネルなどがあります。

レイヤー3（L3）：アプリケーション固有のスケーリングソリューション

レイヤー3は、特定のDAppsまたはユースケースに特化したスケーリングソリューションです。L3は、L2の上に構築され、特定のアプリケーションのニーズに合わせて最適化されています。例えば、ゲームやソーシャルメディアなどのアプリケーションは、L3を使用して独自のトランザクション処理メカニズムを実装することができます。

主要なレイヤー技術の比較

ロールアップ

ロールアップは、複数のトランザクションをまとめてL1に送信することで、トランザクション処理能力を向上させるL2技術です。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの主要なタイプがあります。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollup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のみ、チャレンジメカニズムを通じて検証を行います。Optimistic Rollupは、ZK-Rollupよりも計算コストが低く、汎用的なDAppsに適しています。代表的なOptimistic Rollupとしては、ArbitrumとOptimismがあります。

ZK-Rollup

ZK-Rollupは、ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）を使用して、トランザクションの有効性をL1に証明します。ZK-Rollupは、Optimistic Rollupよりもセキュリティが高く、プライバシー保護にも優れています。しかし、計算コストが高く、特定のDAppsに限定される場合があります。代表的なZK-Rollupとしては、zkSyncとStarkNetがあります。

サイドチェーン

サイドチェーンは、L1とは独立したブロックチェーンであり、L1と双方向の通信が可能です。サイドチェーンは、L1のセキュリティを共有せず、独自のコンセンサスメカニズムを使用します。サイドチェーンは、L1よりもトランザクション処理能力が高く、ガス代も低く抑えることができます。しかし、セキュリティリスクが高く、ブリッジングの問題が発生する可能性があります。代表的なサイドチェーンとしては、Polygon PoSがあります。

ステートチャネル

ステートチャネルは、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L2技術です。ステートチャネルは、L1にトランザクションを送信する回数を減らし、トランザクション処理能力を向上させることができます。しかし、ステートチャネルは、2者間のトランザクションに限定され、複雑なDAppsには適していません。代表的なステートチャネルとしては、Raiden Networkがあります。

Validium

Validiumは、ZK-Rollupと同様にゼロ知識証明を使用しますが、トランザクションデータをオンチェーンではなく、オフチェーンに保存します。これにより、ZK-Rollupよりもさらに高いスケーラビリティを実現できますが、データの可用性に関する信頼が必要となります。代表的なValidiumとしては、Immutable Xがあります。

各レイヤー技術の比較表

技術	スケーラビリティ	セキュリティ	複雑性	互換性
Optimistic Rollup	高	中	中	高
ZK-Rollup	高	高	高	中
サイドチェーン	非常に高	低	低	中
ステートチャネル	中	中	高	低
Validium	非常に高	中	高	中

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、依然として解決すべき課題です。しかし、様々なレイヤーとレイヤー技術の開発により、着実に改善が進んでいます。今後は、これらの技術が相互に連携し、より効率的でスケーラブルなイーサリアムエコシステムが構築されることが期待されます。特に、L2技術の進化は、DAppsの普及を加速させ、イーサリアムの可能性をさらに広げるでしょう。また、L3技術の開発により、特定のユースケースに最適化されたDAppsが登場し、より多様なアプリケーションが実現される可能性があります。

まとめ

本稿では、イーサリアムのレイヤー構造と主要なレイヤー技術を比較検討しました。L1、L2、L3それぞれのレイヤーが、イーサリアムのスケーラビリティ向上に貢献しており、それぞれの技術には、メリットとデメリットが存在します。Optimistic RollupとZK-Rollupは、セキュリティとスケーラビリティのバランスが取れており、汎用的なDAppsに適しています。サイドチェーンは、高いスケーラビリティを実現できますが、セキュリティリスクに注意が必要です。ステートチャネルは、2者間のトランザクションに限定されますが、高速なトランザクション処理が可能です。Validiumは、高いスケーラビリティを実現できますが、データの可用性に関する信頼が必要です。今後のイーサリアムエコシステムは、これらの技術が相互に連携し、より効率的でスケーラブルなプラットフォームへと進化していくことが予想されます。開発者とユーザーは、それぞれのニーズに合わせて最適なレイヤー技術を選択し、イーサリアムの可能性を最大限に活用していくことが重要です。