イーサリアム（ETH）のレイヤーで高速化する仕組み

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、その重要性を増しています。しかし、イーサリアムネットワークのトランザクション処理速度は、他の決済システムと比較して遅いという課題を抱えています。この課題を克服するために、様々な高速化の仕組みが開発・導入されています。本稿では、イーサリアムのレイヤーにおける高速化の仕組みについて、詳細に解説します。

1. イーサリアムの基本構造とスケーラビリティ問題

イーサリアムは、ブロックチェーン技術を基盤とする分散型台帳です。トランザクションは、ブロックと呼ばれる単位でまとめられ、ネットワーク上のノードによって検証されます。この検証プロセスは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）と呼ばれるコンセンサスアルゴリズムによって行われます。PoWは、高いセキュリティを提供する一方で、トランザクションの処理速度を制限する要因となっています。具体的には、ブロック生成間隔が約12秒と長く、1秒あたりのトランザクション処理数は約15件程度に留まります。これは、VisaやMastercardなどの従来の決済システムと比較して、著しく低い数値です。

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となっています。トランザクション処理が遅延すると、DAppsのユーザーエクスペリエンスが悪化し、利用者の離反を招く可能性があります。また、トランザクション手数料（ガス代）が高騰することも、利用を躊躇させる要因となります。これらの問題を解決するために、イーサリアムコミュニティは、様々な高速化の仕組みを開発・導入しています。

2. レイヤー2ソリューション

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主要なアプローチの一つが、レイヤー2ソリューションです。レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのメインチェーン（レイヤー1）の外でトランザクションを処理し、その結果をレイヤー1に記録することで、ネットワーク全体の負荷を軽減する仕組みです。レイヤー2ソリューションには、様々な種類があります。

2.1. 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仕組みです。チャネルの開設とクローズ時にのみ、レイヤー1にトランザクションを記録するため、ネットワーク全体の負荷を大幅に軽減できます。代表的なステートチャネルの実装としては、Raiden NetworkやCeler Networkなどがあります。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に適しています。

2.2. 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します。サイドチェーン上でトランザクションを処理し、定期的にメインチェーンに状態を同期することで、ネットワーク全体の負荷を軽減できます。代表的なサイドチェーンとしては、Polygon（旧Matic Network）などがあります。サイドチェーンは、特定のDAppsやユースケース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。

2.3. 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レイヤー1に記録する仕組みです。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。

2.3.1. 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仕組みです。チャレンジ期間中に不正なトランザクションが発見されなければ、トランザクションは有効とみなされます。代表的なOptimistic Rollupの実装としては、ArbitrumやOptimismなどがあります。Optimistic Rollupは、比較的実装が容易であり、高いスループットを実現できます。

2.3.2. ZK-Rollup

ZK-Rollup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する仕組みです。ゼロ知識証明を使用することで、トランザクションの内容を公開することなく、その正当性を検証できます。代表的なZK-Rollupの実装としては、zkSyncやLoopringなどがあります。ZK-Rollupは、高いセキュリティとプライバシーを提供できます。

3. イーサリアム2.0（Serenity）

イーサリアム2.0（Serenity）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す。イーサリアム2.0の主要な目標は、スケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させることです。イーサリアム2.0では、以下の主要な変更が導入されます。

3.1. プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行

イーサリアム2.0では、PoWからPoSへのコンセンサスアルゴリズムの移行が行われます。PoSは、トランザクションの検証者に、一定量のETHを預ける（ステークする）ことを義務付ける仕組みです。PoSは、PoWと比較して、エネルギー消費量が少なく、トランザクション処理速度が向上します。

3.2. 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、各シャードで並行してトランザクションを処理する仕組みです。シャーディングを導入することで、ネットワーク全体のトランザクション処理能力を大幅に向上させることができます。イーサリアム2.0では、64個のシャードを導入する予定です。

3.3. Beacon Chain

Beacon Chainは、イーサリアム2.0の中核となるブロックチェーンであり、PoSコンセンサスアルゴリズムを管理し、シャード間の調整を行います。Beacon Chainは、イーサリアム2.0のセキュリティと安定性を確保する上で重要な役割を果たします。

4. その他の高速化の取り組み

上記以外にも、イーサリアムの高速化を目指した様々な取り組みが行われています。

4.1. EIP-1559

EIP-1559は、トランザクション手数料の計算方法を改善する提案であり、2021年に実装されました。EIP-1559は、トランザクション手数料の予測可能性を高め、ガス代の高騰を抑制する効果があります。

4.2. Danksharding

Dankshardingは、シャーディングの拡張版であり、データ可用性サンプリング（DAS）と呼ばれる技術を導入することで、シャーディングの効率を向上させることを目指しています。Dankshardingは、イーサリアム2.0の将来的なアップグレードとして検討されています。

5. 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課題です。この課題を克服するために、レイヤー2ソリューション、イーサリアム2.0、その他の高速化の取り組みが、積極的に開発・導入されています。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の負荷を軽減し、トランザクション処理速度を向上させる効果があります。イーサリアム2.0は、根本的なアーキテクチャの刷新によって、スケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させることを目指しています。これらの取り組みによって、イーサリアムは、より多くのユーザーに利用される、より強力なプラットフォームへと進化していくことが期待されます。今後も、イーサリアムコミュニティによる継続的な開発と改善によって、イーサリアムの高速化は進んでいくでしょう。