序文

イーサリアムは最も人気のあるブロックチェーンの1つであり、スケーラビリティの問題に長い間苦しんできました。 高いガス料金と遅い取引速度は、ネットワークの輻輳につながった大きな懸念事項です。 これらの問題に対処するために、さまざまなスケーリングソリューションが登場しました。 このレッスンでは、イーサリアムのスケーリングソリューションのいくつかを紹介し、楽観的ロールアップとZKロールアップの2つの一般的なロールアップについて詳しく説明します。

楽観的ロールアップは、ベースレイヤーのスループットをスケーリングするように設計されたイーサリアムのレイヤー2プロトコルです。 トランザクションをオフチェーンで処理することにより、楽観的なロールアップはイーサリアムメインネットでの計算を減らし、処理速度を大幅に向上させます。 サイドチェーンなどの他のスケーリングソリューションとは異なり、楽観的なロールアップはトランザクション結果をパッケージ化してイーサリアムに公開し、メインネットのセキュリティを継承します。 イーサリアムでの取引を不正防止で検証しますが、取引データは別の場所に保存します。

楽観的なロールアップは、低速で高価なイーサリアムネットワークでの各トランザクションの直接処理を回避することにより、スケーラビリティを10倍以上向上させることができます。 代わりに、トランザクションをコールデータとしてイーサリアムに書き込み、イーサリアムブロックチェーン上の大きなスペースを消費することなく一時的なストレージとして機能するため、ユーザーのガスコストを削減できます。

ゼロ知識ロールアップ(ZKロールアップ)は、計算と状態ストレージをオフチェーンに移行することでイーサリアムメインネットのスループットを向上させるレイヤー2スケーリングソリューションでもあります。 ZKロールアップは、何千ものトランザクションをバッチで処理し、最小限のサマリーデータのみをメインネットに投稿できます。 この要約データは、イーサリアムの状態に加えるべき変更と、バッチトランザクション処理の正確さを検証するゼロ知識証明と呼ばれるいくつかの暗号証明を定義します。

ロールアップのしくみ

楽観的ロールアップ

楽観的ロールアップは、ブロックチェーントランザクションの効率とセキュリティを向上させるための技術的ソリューションです。 これには、複数のトランザクションを「ロールアップ」にバンドルし、それらをメインチェーン(イーサリアム)に送信することが含まれます。 このソリューションは、メインチェーンのリソースを節約し、トランザクションの速度とスループットを向上させ、トランザクション手数料を下げるのに役立ちます。

楽観的ロールアップは、トランザクションをオフチェーンで実行しますが、トランザクションデータをコールデータとしてイーサリアムメインネットに投稿します。 シーケンサーとも呼ばれる楽観的ロールアップオペレーターは、複数のオフチェーントランザクションをイーサリアムに送信する前に大きなバッチにバンドルします。 このアプローチにより、固定費が各バッチの複数のトランザクションに分散され、エンドユーザーのコストを削減できます。 さらに、楽観的ロールアップは、イーサリアムに投稿されるデータの量を減らすために圧縮技術を採用しています。

オプティミスティックロールアップは、すべてのオフチェーントランザクションが有効であると想定し、オンチェーンに投稿されたトランザクションバッチの有効性の証明を公開しないため、「オプティミスティック」と見なされます。 これが、楽観的ロールアップとZKロールアップの主な違いであり、ZKロールアップはオフチェーントランザクションの有効性の証明を提供する必要があります。

楽観的ロールアップでは、不正防止を使用して、正しく計算されていないトランザクションを検出します。 イーサリアムに提出されたすべてのロールアップバッチには「チャレンジ期間」と呼ばれる時間枠があり、その間、誰でもバリデーターとして行動し、不正証明を計算してロールアップトランザクションの結果を検証することができます。 不正証明が成功すると、ロールアッププロトコルはトランザクションを再実行し、それに応じてロールアップの状態を更新しますが、ブロックに誤って実行されたトランザクションを含むノードにはペナルティが科せられます。

チャレンジ期間が終了した後もロールアップバッチがチャレンジされないままである場合(つまり、すべてのトランザクションが正しく実行されたことを意味します)、バッチは有効と見なされ、イーサリアムで受け入れられます。 どのノードも未確認のロールアップブロックに基づいてビルドを続行できますが、誤って実行されたバッチに基づいてトランザクションを実行すると、トランザクションの結果が取り消されます。

このようにして、楽観的ロールアップは、ブロックチェーンのセキュリティを維持しながら、効率的で低コストのトランザクション処理を実現できます。 スケーラビリティの問題をコンセンサス層から計算層に移すソリューションであり、現在広く認識され、適用されているブロックチェーンスケーリング技術です。

ロールアップは個々のトランザクションをオフチェーンでシーケンスし、イーサリアムに投稿する前にそれらをまとめてパッケージ化します

ZKロールアップ

ZKロールアップは、楽観的ロールアップと同様に、バッチトランザクション処理を活用してブロックチェーントランザクションの効率を向上させるスケーリングソリューションです。 ただし、これを達成するためにさまざまなアプローチを採用しています。

ZKロールアップでは、オペレーター(シーケンサーとも呼ばれます)は、各トランザクションを個別に送信するのではなく、バッチ内のすべてのトランザクションに必要な変更を表す、集約されたトランザクションデータの概要をメインチェーンに送信します。 オペレーターはイーサリアムに一時的に保存されたcalldataとしてトランザクションを書き込み、calldataの情報がブロックチェーンに公開されると、誰でも独立してロールアップの状態を再構築できます。

さらに、オペレーターは、ロールアップデータの正確性を実証するために有効性の証明を生成する必要があります。 これらの有効性証明は、主に ZK 証明に依存して、ロールアップ バッチ内のすべてのトランザクションの信頼性と有効性を証明します。

メインネット上のノードは、各トランザクションの詳細を調べることなく、ZKプルーフの正確性を検証するだけで済みます。 対照的に、楽観的ロールアップでは、不正防止を使用してトランザクションの計算エラーを検出します。 つまり、ZKロールアップはイーサリアムでトランザクションを完了するために有効性の証明を提供するだけで済みますが、楽観的ロールアップではすべてのトランザクションデータをオンチェーンに含める必要があります。

ZKロールアップからイーサリアムに資金を移動する場合、ZKロールアップ契約が有効性の証明を検証した直後に出口トランザクションが実行されるため、遅延はありません。 一方、楽観的なロールアップから資金を引き出すことは、誰もが詐欺の証拠で出口取引に異議を唱えることを可能にするための遅延に直面しています。

ZKロールアップは、圧縮技術を利用してトランザクションデータを削減します。 たとえば、ZKロールアップはマークルツリーを使用して、メインネットにすべてのトランザクションデータを保存せずにオフチェーントランザクションのセキュリティと整合性を維持します。 さらに、アカウントはアドレスではなくインデックスで表されるため、28バイトのデータが節約されます。 オンチェーンデータの公開はロールアップにとってかなりのコストであるため、データ圧縮によりユーザーの料金を削減できます。

ゼロ知識証明

ゼロ知識証明はさまざまなアルゴリズムで提供されます。 シグマプロトコルを例にとると、アリスが秘密鍵の「パスワード」を実際に知っていることをボブに証明したい場合は、次の手順を使用して証明できます。

1. アリスはランダムに数値 r を選択し、ハッシュ関数を使用して H(r) を計算し、その結果をボブに送信します。 ハッシュ関数 H は、任意の長さのデータを固定長のハッシュ値に変換します。 たとえば、H("hello") は "2f95f89f1c2328712ef7bde608ce5404e97d5f04" になります。

2. ボブは乱数を生成し、それをアリスに送信します。

3. アリスはx = r + H("password") * sを計算し、ここで「パスワード」はアリスが知っている秘密鍵です。 その後、結果をボブに送信します。

4. ボブはy = H(x)を計算し、yをアリスに送信します。

5. アリスは z = r + H("password") s y を計算し、z をボブに送信します。

6. ボブはw = H(z)を計算します。 w が y に等しく、z = x であることを示す場合、ボブはアリスが秘密鍵「パスワード」を所有していることを知っています。
   ステップ3では、アリスは既知の秘密鍵「パスワード」を乱数rおよび固定値H("password")* sと組み合わせて、ハッシュ関数の計算を通じて「パスワード」の擬似ランダム表現として機能する一見ランダムな値xを作成します。 これは、真にランダムな値rと固定パスワード「パスワード」で構成される新しい値xを形成します。

対話中、両方の当事者は自分の乱数しか見ることができません。 たとえば、アリスは r を知っているが s は知らないが、ボブは s を知っているが r は知らない。 ただし、ボブはランダム値 s を使用して Alice のハッシュ値を確認し、擬似乱数成分が含まれているかどうかを判断できます。 疑似ランダム性は、アリスが実際に秘密鍵を所有していることを表し、真のランダム性は、アリスが嘘をついていることを意味します。

このプロセスの鍵は、Alice が手順 3 と 5 で秘密鍵を使用して x と z を計算し、実際の内容を明かさずに秘密鍵の所有権を証明することです。 乱数rとsは、ハッシュ関数Hとともに、アリスのプライバシーを保護するのに役立ちます。

ロールアップの利点

楽観的ロールアップ

1. セキュリティや分散化を犠牲にすることなく、スケーラビリティを大幅に向上させます。

2. トランザクションデータはレイヤー1チェーンに保存され、透明性、セキュリティ、検閲への耐性、および分散化を強化します。

3. 詐欺の証明で信頼できない最終性を保証し、正直な少数派がチェーンを保護できるようにします。

4. 不正証明の計算は比較的簡単で、ハイスペックのハードウェアを必要とせずに、どのレイヤー2ノードでも実行できます。

5. EVMおよびSolidityとの互換性が高く、開発者はイーサリアムネイティブのスマートコントラクトをロールアップに移植したり、既存のツールを使用して新しいdAppを作成したりできます。
   ZKロールアップ

6. 有効性の証明は、オフチェーントランザクションの正確性を保証し、オペレーターが無効な状態のトランザクションを実行するのを防ぎます。

7. 有効性の証明がレイヤーで検証されると、状態の更新が承認されるため、トランザクションのファイナリティが高速化されます

8. 楽観的なロールアップのようにインセンティブのあるアクターの誠実さに依存するのではなく、セキュリティのために信頼できる暗号化メカニズムに依存しています。

9. ユーザーは資本効率の向上の恩恵を受け、レイヤー2から遅滞なく資金を引き出すことができます。

10. レイヤー1バリデータノードの負荷を軽減し、データ圧縮を改善することで、イーサリアムでのデータ公開コストを削減し、ユーザーのロールアップ料金を最小限に抑えることができます。
    一般的なゼロ知識証明は、zk-SNARK(ゼロ知識簡潔な非インタラクティブな知識の議論)とzk-STARK(ゼロ知識スケーラブルで透明な知識の議論)の形で提供されます。 2つの違いは次のように要約されます。

ロールアップの欠点

楽観的ロールアップ

1. 潜在的な不正の課題は、トランザクションのファイナリティの遅延につながる可能性があります。

2. 一元化されたロールアップ シーケンサーは、トランザクションの順序に影響を与える可能性があります。

3. 正直なノードがない場合、悪意のあるシーケンサーは無効なブロックと州のコミットメントを投稿することで資金を盗むことができます。

4. セキュリティモデルは、少なくとも1つの正直なノードがロールアップトランザクションを実行し、不正な証拠を送信して無効な状態遷移に挑戦することに依存しています。

5. ユーザーは、メインネットに資金を引き出すために、チャレンジ期間が終了するまで待つ必要があります。

6. レイヤー1に保存されて公開されるデータは、ZKロールアップのデータよりも多いため、より多くのリソースを消費し、コストが増加します。
   ZKロールアップ

7. 有効性証明の計算と検証のコストが高く、ロールアップ ユーザーの料金が増加する可能性があります。

8. ゼロ知識技術は複雑であるため、EVM互換のZKロールアップを構築することは困難です。

9. 有効性の証明を生成するには特殊な機器が必要であり、オペレーターの障壁が高まり、少数の参加者がブロックチェーンネットワークを制御する可能性があります。

10. 集中型オペレーターは、トランザクションの順序に影響を与える可能性があります。

主要なロールアップ プロジェクト

楽天主義

Optimismは、イーサリアムベースのレイヤー2スケーリングソリューションであり、楽観的なロールアップを利用して、トランザクションスループットを向上させ、手数料を削減し、イーサリアムとの高い互換性を維持します。 オプティミズムの目標は、オプティミズムスタックに基づいてすべてのレイヤー2チェーンをマージする統合ネットワークであるスーパーチェーンを確立することです。 これにより、クロスチェーンの構成可能性と相互運用性が可能になります。

楽観主義のエコシステムは、初期のサポーターと貢献者に報いるために2022年半ばにコミュニティにエアドロップすることから始めて、大きな進歩を遂げました。 OPトークンは、楽観主義ユーザー、DAO投票者、選択されたマルチシグ署名者、およびGitcoinドナーに配布されました。

2023年初頭、Coinbaseは、オープンソースのオプティミズムスタックを使用して開発されたレイヤー2ブロックチェーンネットワークであるBaseを立ち上げました。 Baseは、開発者に高速で安全でカスタマイズ可能なレイヤー2プラットフォームを提供することを目指しており、それをCoinbaseウォレットおよびExchangeと統合してユーザーエクスペリエンスとセキュリティを強化する予定です。

楽観主義は、テクノロジーとガバナンスのアーキテクチャを改善し続けています。 たとえば、キャノンフォールトプルーフエンジンなどの機能を導入し、シーケンサープロトコルを設計し、オプティミズムコレクティブを確立します。 チェーンファクトリーの適用により、イーサリアムネットワークを中心としたスーパーチェーンエコシステムの構築が容易になります。

現在、Uniswap、Aave、Synthetixなどのいくつかの有名な分散型アプリケーションがOptimismにデプロイされており、主要な楽観的ロールアッププロジェクトを表しています。

アービトラム

アービトラムは、楽観的ロールアップを使用したレイヤー2ブロックチェーンネットワークでもあります。 マルチラウンドのインタラクティブ設計を使用して、紛争を解決し、オンチェーンの作業負荷を軽減します。 アービトラムは強力なEVM互換性を提供し、開発者がスマートコントラクトをアービトラムネットワークに簡単に展開できるようにします。 ただし、Optimismのシングルラウンドの不正防止と比較して、Arbitrumはより大きなブロックサイズを持っています。

アービトラムは、革新的なDeFiプロジェクトの間で人気を博しています。 最も注目すべきものには、デリバティブ取引プラットフォームのGMXとゲインズネットワーク、および貸付プロトコルのラディアントが含まれます。 SushiswapやCurveのような確立されたプロジェクトも、アービトラムエコシステムに大きな流動性をもたらしました。 Dune Analyticsによると、2023年4月の時点で、アービトラムのユーザー数は100万人を超え、取引量は100億ドルを超え、オンチェーン資産は20億ドルに達しています。

より多くのプロジェクトとユーザーを引き付けることに加えて、Arbitrumはその技術とガバナンスを革新し、最適化し続けています。 2023年2月には、ARBガバナンストークンのエアドロップを実施し、コミュニティがアービトラムネットワークのアップグレードに関する意思決定に参加できるようにしました。

AIP-1の提案とARBトークンを販売するという財団の決定から生じる論争や論争にもかかわらず、ARBトークンの価格は上昇し続けており、その将来の可能性について市場の楽観主義を示しています。

現在、Arbitrumネットワークは、楽観的なロールアップを利用した最も活気のあるレイヤー2ブロックチェーンプロジェクトの1つであり、イーサリアムエコシステムにより多くの可能性と価値を提供しています。

zkSync

zkSyncは、ゼロ知識証明に基づくレイヤー2スケーリングソリューションであり、EVMとの互換性を維持しながら、イーサリアムネットワークのトランザクション速度を向上させ、コストを削減することを目的としています。 開発チームであるMatter Labsは、2023年初頭にzkSync Eraと呼ばれるzkSyncネットワークの第2フェーズを開始しました。 このフェーズでは、簡潔で透明な知識の議論(STARK)を使用して、ゼロ知識証明の効率をさらに向上させます。

zkSyncのメインネットの立ち上げは、開発コミュニティから大きな注目を集めています。 zkEVMの完全な実装をほぼ達成し、開発者はSolidity言語を使用してゼロ知識アプリケーションを構築できます。 これは、開発者がイーサリアムアプリケーションをzkSyncに簡単に移植し、スケーラビリティとセキュリティの向上の恩恵を受けることができることを意味します。

zkSyncは、マルチチェーンおよびオービターファイナンスのクロスチェーンサービスを通じて、他のレイヤー2およびレイヤー1ネットワークとの相互運用性も提供します。 現在、ウォレット、クロスチェーンブリッジ、支払いゲートウェイ、ブロックエクスプローラー、取引所、DeFiプロトコル、NFTプラットフォーム、ゲームなど、いくつかのブロックチェーンプロジェクトがすでにzkSyncの展開のサポートを発表しています。

zkSyncエコシステムはまだ初期段階にありますが、分散型取引所SyncSwapや貸付プロトコルNexon Financeなど、いくつかのアクティブなコンポーネントが見られました。 Gitcoinの寄付キャンペーンには、zkSyncからもアクセスできます。

zkSyncのメインネットの立ち上げは、イーサリアムのスケーラビリティの旅における重要なマイルストーンと見なされており、ブロックチェーン空間におけるゼロ知識テクノロジーの計り知れない可能性を示しています。 より多くのプロジェクトとユーザーがzkSyncに移行するにつれて、より速く、より安価で、より安全なブロックチェーントランザクションとアプリケーションが期待できます。

スタークネット

StarkNetは、スタートアップ企業Starkwareによって開発されたイーサリアムのレイヤー2スケーリングプロジェクトです。 そのコアテクノロジーは、ゼロ知識証明であるSTARK(スケーラブルで透明な知識の議論)に基づいており、ユーザーのプライバシーを保護しながら、ブロックチェーン上でより速く、より安全で、リソース効率の高いトランザクション検証を可能にします。

StarkNetはすでに複数の人気のあるブロックチェーンと統合されています。 クロスチェーンブリッジであるStarkGateは、さまざまなロールアップソリューションとの相互作用をサポートするために統合されています。 これにより、ユーザーはイーサリアム、アービトラム、オプティミズム、ポリゴン間でETHをStarkNetにシームレスに転送できます。

2022年後半、チームはカイロプログラミング言語を使用したZK-EVMの実装の成功を発表しました。 この成果は、Sorare、immutableX、dYdX、ApeXなどの有名なプロジェクトを引き付け、分散型アプリケーションをStarkNetに展開しました。

現在、StarkNetエコシステムは開発の初期段階にあります。 エコシステム内の注目すべきプロジェクトには、分散型取引所のジェダイスワップ、貸付プロトコルのCurveZero、NFTマーケットプレイスのアスペクトなどがあります。 StarkNetのアプリケーションシナリオとユーザーベースが拡大するにつれて、ZK-EVM互換性のパフォーマンスがますます明らかになります。

結論

このレッスンでは、イーサリアムロールアップのテクノロジーと開発のトレンドを深く掘り下げました。 ロールアップは複数のトランザクションをパッケージ化し、プロトコル層を計算層から分離することで、Ethereum Mainnetの輻輳を緩和し、より高いトランザクションスループットとより低いコストを実現します。

ロールアップ テクノロジは、楽観的ロールアップと ZK ロールアップの 2 つのカテゴリに分類できます。 楽観的ロールアップは、すべてのパッケージ化されたトランザクションが正しいことを前提としていますが、ZKロールアップでは、ゼロ知識証明を提供する必要があります。

各ロールアップ テクノロジには独自の長所があります。 テクノロジーが成熟するにつれて、クロスチェーン機能とEVMの統合において大きな進歩が見られました。 Optimism、Arbitrum、zkSync、StarkNetなどのプロジェクトは、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化に対する市場の需要の高まりに対応するために、技術インフラストラクチャを積極的に開発および最適化しています。

次のレッスンでは、さまざまなEVM互換ブロックチェーンネットワークを比較し、イーサリアムのスケーラビリティの潜在的な市場でどのように競争するかを探ります。

ハイライト

• ZKロールアップと楽観的ロールアップは、ブロックチェーントランザクションの効率とセキュリティを向上させることを目的とした技術的ソリューションです。 複数のトランザクションを「ロールアップ」にパッケージ化してメインネットに送信することで、メインネットのリソースを節約し、トランザクションの速度とスループットを向上させ、ユーザーのトランザクション手数料を削減できます。
• 楽観的ロールアップは、トランザクションをオフチェーンで実行し、不正防止を使用して誤って実行されたトランザクションを検出し、誰でもロールアップトランザクションの結果を確認できるようにします。
• チャレンジ期間中に誤って実行されたトランザクションが見つかった場合、ロールアッププロトコルはトランザクションを再実行し、責任あるシーケンサーはペナルティを受け取ります。
• ZKロールアップでは、オペレーターは集計されたトランザクションデータの要約をメインネットに送信し、ゼロ知識証明を使用して有効性の証明を生成し、ロールアップデータの正確性を実証します。
• メインネット上のノードは、個々のトランザクションの詳細を調べることなく、ゼロ知識証明の正しさを検証するだけで済みます。 したがって、チャレンジ期間はありません。
• オプティミスティック ロールアップと ZK ロールアップはどちらも、圧縮手法を使用してトランザクション データを削減します。 たとえば、マークルツリーを使用してオフチェーントランザクションのセキュリティと整合性を維持したり、ウォレットアドレスの代わりにインデックスを使用したりできます。
• 楽観的ロールアップとZKロールアップには、それぞれ長所と短所があります。 EVM互換のZKロールアップの構築はより困難であり、楽観的ロールアップのセキュリティは正直なノードに依存しています。
• ロールアップ技術の継続的な開発により、DeFi、NFT、ゲームなど、さまざまな分野でのアプリケーションの普及が期待できます。