イーサリアムのLayer技術まとめ

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。しかし、イーサリアムのメインチェーン（Layer 1）は、スケーラビリティの問題、つまりトランザクション処理能力の限界を抱えています。この問題を解決するために、様々なLayer技術が開発されています。本稿では、イーサリアムのLayer技術について、その種類、仕組み、利点、欠点などを詳細に解説します。

Layer 1：イーサリアムの基盤

まず、イーサリアムの基盤となるLayer 1について理解することが重要です。Layer 1は、イーサリアムのメインチェーンであり、すべてのトランザクションが最終的に記録される場所です。Layer 1のスケーラビリティ問題は、ブロックサイズ、ブロック生成時間、コンセンサスアルゴリズムなどが原因で発生します。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が、現在はProof-of-Stake（PoS）への移行を進めています。PoSへの移行は、エネルギー消費の削減とスケーラビリティの向上を目的としています。しかし、PoSへの移行だけでは、スケーラビリティ問題を完全に解決することはできません。そのため、Layer 2技術の開発が不可欠となります。

Layer 2：スケーラビリティ問題の解決策

Layer 2技術は、Layer 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。Layer 2技術は、Layer 1の外でトランザクションを処理し、その結果をLayer 1に記録することで、Layer 1のスケーラビリティ問題を解決します。Layer 2技術には、様々な種類があります。

1. State Channels（ステートチャネル）

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。2者は、Layer 1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、その結果をLayer 1に記録します。State Channelsは、高速かつ低コストでトランザクションを処理できるという利点があります。しかし、2者間のトランザクションに限定されるという欠点があります。代表的なState Channelsの実装としては、Raiden NetworkやLightning Networkなどがあります。

2. Plasma（プラズマ）

Plasmaは、Layer 1上に子チェーンを作成し、その子チェーンでトランザクションを処理するための技術です。子チェーンは、Layer 1から独立して動作し、独自のコンセンサスアルゴリズムを採用することができます。Plasmaは、State Channelsよりも多くのトランザクションを処理できるという利点があります。しかし、子チェーンのセキュリティを確保することが難しいという欠点があります。Plasmaは、複雑な構造を持つため、実装が難しいという課題もあります。

3. Rollups（ロールアップ）

Rollupsは、複数のトランザクションをまとめてLayer 1に記録するための技術です。Rollupsは、トランザクションデータを圧縮し、そのハッシュ値をLayer 1に記録することで、Layer 1の負荷を軽減します。Rollupsには、Optimistic RollupsとZero-Knowledge Rollups（ZK-Rollups）の2種類があります。

Optimistic Rollups（オプティミスティックロールアップ）

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それを検証します。Optimistic Rollupsは、ZK-Rollupsよりも実装が容易であるという利点があります。しかし、不正なトランザクションがあった場合に、検証に時間がかかるという欠点があります。代表的なOptimistic Rollupsの実装としては、ArbitrumやOptimismなどがあります。

Zero-Knowledge Rollups（ZK-Rollups）

ZK-Rollupsは、Zero-Knowledge Proof（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します。ZK-Rollupsは、不正なトランザクションを即座に検出できるという利点があります。しかし、実装が非常に難しいという欠点があります。代表的なZK-Rollupsの実装としては、zkSyncやStarkNetなどがあります。

4. Validium（バリディウム）

Validiumは、Rollupsと同様に、複数のトランザクションをまとめてLayer 1に記録するための技術です。しかし、Validiumは、トランザクションデータをLayer 1に保存する代わりに、外部のデータ可用性委員会（Data Availability Committee）に保存します。Validiumは、Rollupsよりもスケーラビリティが高いという利点があります。しかし、データ可用性委員会に依存するため、セキュリティリスクが高いという欠点があります。

Layer 3：DAppsの最適化

Layer 3技術は、DAppsのパフォーマンスを最適化するための技術です。Layer 3技術は、Layer 2技術の上に構築され、特定のDAppsのニーズに合わせてカスタマイズされます。Layer 3技術には、様々な種類があります。

1. Application-Specific Rollups（アプリケーション固有ロールアップ）

Application-Specific Rollupsは、特定のDApps専用のRollupsです。Application-Specific Rollupsは、そのDAppsのニーズに合わせて、コンセンサスアルゴリズムやデータ構造を最適化することができます。Application-Specific Rollupsは、汎用的なRollupsよりも高いパフォーマンスを発揮できるという利点があります。しかし、特定のDAppsに限定されるという欠点があります。

2. Data Availability Sampling（データ可用性サンプリング）

Data Availability Samplingは、データ可用性委員会が提供するデータが実際に利用可能であることを検証するための技術です。Data Availability Samplingは、データ可用性委員会の信頼性を高め、Validiumのセキュリティリスクを軽減することができます。

各Layer技術の比較

| 技術 | スケーラビリティ | セキュリティ | 実装の難易度 | 適用範囲 |
|—————|—————-|————–|————–|—————-|
| State Channels | 高 | 高 | 中 | 2者間トランザクション |
| Plasma | 中 | 低 | 高 | 汎用的なトランザクション |
| Optimistic Rollups | 中 | 中 | 中 | 汎用的なトランザクション |
| ZK-Rollups | 高 | 高 | 高 | 汎用的なトランザクション |
| Validium | 高 | 低 | 中 | 汎用的なトランザクション |
| Application-Specific Rollups | 高 | 高 | 高 | 特定のDApps |

今後の展望

イーサリアムのLayer技術は、現在も活発に開発が進められています。今後は、Layer 2技術の成熟が進み、より多くのDAppsがLayer 2技術を利用するようになるでしょう。また、Layer 3技術の開発も進み、DAppsのパフォーマンスがさらに向上するでしょう。イーサリアムのスケーラビリティ問題は、Layer技術の進化によって徐々に解決されていくと考えられます。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、DAppsの普及を妨げる大きな課題です。Layer技術は、この問題を解決するための重要な手段であり、様々な種類が存在します。State Channels、Plasma、Rollups、ValidiumなどのLayer 2技術は、Layer 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ます。また、Application-Specific RollupsなどのLayer 3技術は、DAppsのパフォーマンスを最適化します。これらのLayer技術の進化によって、イーサリアムはよりスケーラブルで使いやすいプラットフォームへと進化していくでしょう。今後も、Layer技術の開発動向に注目していく必要があります。