イーサリアム（ETH）の最新ネットワーク拡張技術まとめ
イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築するための主要なプラットフォームとして、その地位を確立してきました。しかし、ネットワークの利用が増加するにつれて、スケーラビリティの問題が顕在化し、トランザクションの遅延やガス代の高騰といった課題が生じています。これらの課題を解決するために、イーサリアムの開発コミュニティは、様々なネットワーク拡張技術を開発・実装してきました。本稿では、イーサリアムの最新のネットワーク拡張技術について、詳細に解説します。
1. レイヤー2ソリューション
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）の負荷を軽減するために、オフチェーンでトランザクションを処理する技術です。これにより、トランザクションのスループットを向上させ、ガス代を削減することができます。代表的なレイヤー2ソリューションには、以下のものがあります。
1.1. ステートチャネル
ステートチャネルは、当事者間で直接チャネルを開設し、そのチャネル内で複数回のトランザクションをオフチェーンで実行する技術です。最終的なステート（状態）のみをメインチェーンに記録するため、トランザクションコストを大幅に削減できます。代表的なステートチャネルの実装としては、Raiden NetworkやCeler Networkなどが挙げられます。ステートチャネルは、頻繁にトランザクションが発生するユースケース、例えばマイクロペイメントやゲームなどに適しています。
1.2. 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メインチェーンに記録する技術です。これにより、トランザクションのスループットを向上させることができます。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。
1.2.1. 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、チャレンジメカニズムによって検証を行う技術です。ArbitrumやOptimismなどが代表的なOptimistic Rollupの実装です。Optimistic Rollupは、比較的実装が容易であるという利点がありますが、不正なトランザクションの検証に時間がかかるという欠点があります。
1.2.2. ZK-Rollup
ZK-Rollupは、ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）を用いて、トランザクションの有効性を証明する技術です。これにより、不正なトランザクションを即座に検証することができます。zkSyncやLoopringなどが代表的なZK-Rollupの実装です。ZK-Rollupは、セキュリティが高いという利点がありますが、実装が複雑であるという欠点があります。
1.3. サイドチェーン
サイドチェーンは、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することができます。Polygon（旧Matic Network）などが代表的なサイドチェーンです。サイドチェーンは、メインチェーンの負荷を軽減し、特定のユースケースに最適化されたブロックチェーンを構築することができます。しかし、サイドチェーンは、メインチェーンとは異なるセキュリティモデルを持つため、セキュリティリスクを考慮する必要があります。
2. イーサリアム2.0（The Merge）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）
イーサリアム2.0は、イーサリアムの根本的なアーキテクチャを刷新する大規模なアップグレードであり、その中心的な要素は、コンセンサスアルゴリズムをプルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）に移行することです。The Mergeと呼ばれるこの移行は、既に完了しており、イーサリアムのエネルギー消費量を大幅に削減し、セキュリティを向上させました。PoSでは、トランザクションの検証者は、ETHをステーキングすることで選出されます。これにより、PoWよりもエネルギー効率が高く、より分散化されたネットワークを実現することができます。
2.1. シャーディング
シャーディングは、イーサリアムのデータベースを複数のシャード（断片）に分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理する技術です。これにより、トランザクションのスループットを大幅に向上させることができます。シャーディングは、イーサリアム2.0の重要な要素の一つであり、今後の開発ロードマップにおいて優先的に取り組まれる予定です。シャーディングの実装には、データの可用性問題やクロスシャード通信の問題など、いくつかの課題があります。
3. その他のネットワーク拡張技術
3.1. EIP-4844（Proto-Danksharding）
EIP-4844は、シャーディングの初期段階として導入される提案であり、データ可用性レイヤー（DA）を導入することで、ロールアップのスケーラビリティを向上させることを目的としています。Proto-Dankshardingとも呼ばれ、シャーディングの完全な実装に向けた重要なステップとなります。
3.2. Danksharding
Dankshardingは、EIP-4844をさらに発展させたもので、データ可用性レイヤーを完全に実装し、シャーディングのメリットを最大限に引き出すことを目指しています。Dankshardingは、イーサリアムのスケーラビリティを飛躍的に向上させる可能性を秘めています。
3.3. Execution LayerとConsensus Layerの分離
イーサリアム2.0では、Execution Layer（トランザクションの実行を担当）とConsensus Layer（ブロックの検証と合意形成を担当）が分離されました。この分離により、各レイヤーの最適化が可能になり、ネットワーク全体のパフォーマンスが向上します。
4. 各技術の比較
| 技術 | メリット | デメリット | ユースケース | 実装状況 |
|———————-|—————————————-|—————————————-|—————————————-|————–|
| ステートチャネル | 高速、低コスト | 複雑なチャネル管理、限定的なユースケース | マイクロペイメント、ゲーム | 実装済み |
| Optimistic Rollup | 比較的容易な実装 | 不正トランザクションの検証に時間がかかる | 一般的なDApps | 実装済み |
| ZK-Rollup | 高いセキュリティ、即時検証 | 複雑な実装 | 機密性の高いDApps、決済 | 実装済み |
| サイドチェーン | 特定のユースケースに最適化可能 | メインチェーンとは異なるセキュリティモデル | 特定のDApps、ゲーム | 実装済み |
| PoS | エネルギー効率が高い、分散化 | ステーキングのリスク | 全体的なネットワークのセキュリティと効率化 | 実装済み |
| シャーディング | 大幅なスループット向上 | データの可用性問題、クロスシャード通信 | 大規模なDApps | 開発中 |
| EIP-4844 | ロールアップのスケーラビリティ向上 | シャーディングの初期段階 | ロールアップのパフォーマンス向上 | 開発中 |
| Danksharding | 飛躍的なスケーラビリティ向上 | 実装の複雑さ | 大規模なDApps | 計画段階 |
5. まとめ
イーサリアムのネットワーク拡張技術は、多岐にわたり、それぞれ異なる特徴と利点を持っています。レイヤー2ソリューションは、既存のイーサリアムネットワークに即座に導入することができ、トランザクションのスループットを向上させることができます。イーサリアム2.0は、イーサリアムの根本的なアーキテクチャを刷新し、長期的なスケーラビリティとセキュリティを向上させることを目指しています。これらの技術が組み合わさることで、イーサリアムは、より多くのユーザーとアプリケーションをサポートできる、より強力なプラットフォームへと進化していくでしょう。今後の開発動向に注目し、最適な技術を選択することが、DAppsの開発者にとって重要となります。イーサリアムの進化は、分散型金融（DeFi）や非代替性トークン（NFT）などの分野に大きな影響を与え、Web3の未来を形作る上で重要な役割を果たすことが期待されます。
