イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題とその解決策

はじめに

イーサリアムは、2015年にVitalik Buterinによって提唱された、分散型アプリケーション（DApps）を構築するためのプラットフォームです。ビットコインと同様にブロックチェーン技術を基盤としていますが、スマートコントラクトという独自の機能を持つことで、金融、サプライチェーン管理、投票システムなど、幅広い分野での応用が期待されています。しかし、イーサリアムの普及を阻む大きな課題として、スケーラビリティ問題が挙げられます。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティ問題の詳細、その原因、そして現在進行中の様々な解決策について、技術的な側面を中心に詳細に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは

スケーラビリティ問題とは、システムが処理できるトランザクション数（TPS: Transactions Per Second）が、需要の増加に追いつかない状態を指します。イーサリアムの初期の設計では、TPSは約15程度とされており、これはビットコイン（約7TPS）と比較して高いものの、VisaやMastercardなどの既存の決済システム（数千TPS）に比べると著しく低い数値です。この低いTPSが、イーサリアムのスケーラビリティ問題を深刻化させています。

具体的には、以下の問題が発生します。

• トランザクションの遅延: ネットワークが混雑すると、トランザクションの承認に時間がかかり、ユーザーは長い待ち時間を経験することになります。
• ガス代の高騰: トランザクションを優先的に処理してもらうためには、高いガス代（トランザクション手数料）を支払う必要があり、DAppsの利用コストが増加します。
• ユーザーエクスペリエンスの低下: トランザクションの遅延や高額なガス代は、DAppsのユーザーエクスペリエンスを著しく低下させ、普及の妨げとなります。

これらの問題は、イーサリアムの潜在的な可能性を最大限に引き出すためには、解決しなければならない重要な課題です。

スケーラビリティ問題の原因

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、主に以下の要因によって引き起こされます。

• ブロックサイズ制限: イーサリアムのブロックサイズは、他のブロックチェーンと比較して比較的制限されています。これにより、1つのブロックに含めることができるトランザクション数が制限され、TPSが低下します。
• コンセンサスアルゴリズム: イーサリアムは、当初Proof-of-Work（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWは、セキュリティが高い反面、トランザクションの承認に時間がかかるという欠点があります。
• EVM（Ethereum Virtual Machine）の設計: EVMは、スマートコントラクトを実行するための仮想マシンですが、その設計上の制約から、複雑な計算処理に時間がかかる場合があります。
• ネットワークの構造: イーサリアムのネットワークは、すべてのノードがすべてのトランザクションを検証するフルノード方式を採用しています。これにより、セキュリティは高まりますが、ネットワーク全体の処理能力が制限されます。

これらの要因が複合的に作用し、イーサリアムのスケーラビリティ問題を深刻化させています。

スケーラビリティ問題を解決するためのアプローチ

イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するために、様々なアプローチが提案され、開発が進められています。これらのアプローチは、大きく分けてレイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの2つに分類できます。

レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションとは、イーサリアムのブロックチェーン自体を改良することでスケーラビリティを向上させるアプローチです。

• Proof-of-Stake（PoS）への移行: イーサリアムは、PoWからPoSへの移行を進めています。PoSは、PoWと比較してトランザクションの承認に必要な計算量が少なく、高速な処理が可能です。The Mergeと呼ばれるこの移行は、2022年9月に完了しました。
• シャーディング: シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャード（断片）に分割し、各シャードが並行してトランザクションを処理することで、ネットワーク全体の処理能力を向上させる技術です。イーサリアム2.0において、シャーディングの実装が計画されています。
• EVMの改良: EVMの設計を改良し、スマートコントラクトの実行効率を向上させることで、TPSを向上させることができます。

これらのレイヤー1ソリューションは、イーサリアムの基盤となる技術を根本的に改善することで、長期的なスケーラビリティの向上を目指しています。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのブロックチェーン上に構築される追加のレイヤーで、トランザクションをオフチェーンで処理することで、ネットワークの混雑を緩和し、スケーラビリティを向上させるアプローチです。

• 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1つのトランザクションとしてイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、トランザクションの処理量を増やす技術です。Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの主要なタイプがあります。
• Optimistic Rollup: トランザクションが有効であると仮定し、異議申し立て期間を設けることで、不正なトランザクションを検出する仕組みです。
• ZK-Rollup: ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を用いて、トランザクションの有効性を証明することで、異議申し立て期間を設けることなく、高速な処理を実現します。
• サイドチェーン: サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのブロックチェーンと双方向の通信が可能です。サイドチェーンでトランザクションを処理することで、イーサリアムのブロックチェーンの混雑を緩和することができます。
• 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仕組みです。ステートチャネルを使用することで、高速かつ低コストなトランザクションを実現することができます。

これらのレイヤー2ソリューションは、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、ユーザーエクスペリエンスを向上させることを目的としています。

各ソリューションの現状と課題

現在、様々なスケーラビリティソリューションが開発・実装されていますが、それぞれに現状と課題が存在します。

• PoS: The Mergeの完了により、イーサリアムはPoSに移行しましたが、ステーキングの集中化やセキュリティに関する懸念も存在します。
• シャーディング: シャーディングの実装は、技術的な複雑さやセキュリティ上の課題など、多くの困難を伴います。
• Optimistic Rollup: Optimistic Rollupは、比較的実装が容易ですが、異議申し立て期間中に不正なトランザクションが検出された場合、資金の引き出しに時間がかかるという問題があります。
• ZK-Rollup: ZK-Rollupは、高速な処理を実現できますが、ゼロ知識証明の生成に高い計算コストがかかるという課題があります。
• サイドチェーン: サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンであるため、セキュリティ上のリスクが存在します。
• 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に限定されるため、汎用性に欠けるという問題があります。

これらの課題を克服し、各ソリューションのメリットを最大限に活かすためには、さらなる研究開発が必要です。

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決は、DAppsの普及とWeb3の実現にとって不可欠です。現在進行中の様々なソリューションは、それぞれ異なるアプローチでスケーラビリティの向上を目指しており、今後、これらのソリューションが相互に補完し合いながら、より効率的かつ安全なイーサリアムネットワークが構築されることが期待されます。

特に、レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、ユーザーエクスペリエンスを向上させる上で重要な役割を果たすと考えられます。Optimistic RollupとZK-Rollupは、それぞれ異なる特徴を持っており、今後、両者の技術が融合することで、より強力なスケーラビリティソリューションが生まれる可能性もあります。

また、シャーディングの実装が進むことで、イーサリアムのブロックチェーン全体の処理能力が飛躍的に向上することが期待されます。シャーディングとレイヤー2ソリューションを組み合わせることで、より高いスケーラビリティを実現し、DAppsの普及を加速させることができるでしょう。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及を阻む大きな課題ですが、PoSへの移行、シャーディング、ロールアップなどの様々なソリューションが開発・実装されています。これらのソリューションは、それぞれ異なるアプローチでスケーラビリティの向上を目指しており、今後、相互に補完し合いながら、より効率的かつ安全なイーサリアムネットワークが構築されることが期待されます。イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決は、DAppsの普及とWeb3の実現にとって不可欠であり、今後の動向に注目が集まります。