モジュラー・ブロックチェーンとロールアップ：イーサリアムとその先の未来

モジュラーブロックチェーンの紹介

始める前に、ブロックチェーンのロールアップとモジュラリティが一緒に語られる理由を理解する必要があります。ここで最も重要なことは、両方の概念がパフォーマンスを向上させるために異なるブロックチェーン機能を解明することに取り組んでいるということです。私が何を言っているのか理解できるようになりますので、もう少しお付き合いください。

まず、初期のイーサリアムのようなモノリシックブロックチェーンから始めましょう。これらのブロックチェーンは、コンセンサス、スマートコントラクト、データの可用性、トランザクションの実行、決済といったすべての主要なコンポーネントを一層のフレームワーク内で扱います。しかし、この統合設計は機能しますが、すべてが一層で処理され、同じノードのセットに依存するため、スケーラビリティの課題を生み出します。

これを現代のモジュラー ブロックチェーンと比較してみましょう。彼らは、異なるタスクが異なるノードで実行される専門的な層に主要な機能を分解することによって、異なるメカニズムを採用しています。たとえば、決済層はトランザクションの結果を確定し、通常はロールアップでの実行と組み合わせて、信頼を最小限に抑えた台帳を形成します。その主な目的は、ロールアップのための証明検証と紛争解決を提供することです。データ可用性層とコンセンサス層は、トランザクションのデータがオフチェーンでの検証と処理のために利用可能であることを促進します。なぜなら、ネットワークがブロックチェーンの状態に関してコンセンサスを持つためには、これが重要だからです。スマートコントラクトは、dApps のトランザクションを処理する実行層で実行されるコードです。そして、実行層はトランザクションとスマートコントラクトを処理し、すべての計算作業が効率的に行われることを保証します。ロールアップは、オフチェーンでトランザクションを実行し、データをオンチェーンの実行層に投稿するスケーリングソリューションです。

モノリシックとモジュラーのブロックチェーンアプローチ

これまでの話を踏まえると、ArbitrumやOptimismのようなロールアップは、Ethereumのようなモノリシックブロックチェーンのスケーリングソリューションとして、オフチェーンで実行を行うことで進化しました。

しかし、彼らはこのモジュラーアプローチにおいて不可欠な存在となり、しばしばトランザクションを処理し、データをLayer 1に戻す別のレイヤーとして機能します。ロールアップとモジュラーアーキテクチャのこの密接な関係が、ブロックチェーンのスケーラビリティの未来を探る際に、彼らがしばしば一緒に議論される理由です。このトピックについては、次のセクションでさらに詳しく掘り下げていきます！お楽しみに。モノリシックとモジュラーのブロックチェーン さて、モノリシックブロックチェーンとモジュラーブロックチェーンが、ブロックチェーンを構築するための異なるアーキテクチャ形式であり、それぞれに利点と欠点があることはもうご存知ですね。しかし、理論について話すのではなく、違いを明確にし、いくつかの実際のモジュラーブロックチェーンをそのモノリシックな同等物と比較してみましょう。

イーサリアムのようなモノリシックブロックチェーンは、イーサリアム2.0のアップグレード前は、ガスコストが高すぎてスケーラビリティに問題があり、ネットワークの混雑のために取引が遅くなっていました。

イーサリアムが成長するにつれて、モノリシックな形態であったため、各ノードが各取引を処理し保存することでスループットが制限され、スケーリングがより困難になりました。

その後、これらの改善を行うために多くのアップデートがありました。イーサリアム2.0への移行は、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）コンセンサスメカニズムを導入し、Optimism、Arbitrum、zkSyncのようなレイヤー2スケーリングソリューションの急増を見ましたが、モジュラーブロックチェーンのパラダイムは比較的新しく、2024年の最新の開発の一つです。Celestiaのようなモジュラーブロックチェーンは、実行、コンセンサス、データの可用性などのレイヤーにブロックチェーンの機能を分離します。これにより、すべてのノードがすべてを行う必要がなくなります。ノードはむしろ一つのレイヤーに特化でき、一般的にネットワークの負荷は低くなります。

ロールアップの理解

ロールアップは、セキュリティとデータの可用性のために主要なブロックチェーンから切り離されることなく、堅牢なスケーリングソリューションを提供します。本質的に、彼らは複数の取引をバッチで「ロールアップ」し、コンセンサスとデータの可用性に必要なベースレイヤーの負荷を軽減します。

ロールアップの仕組み：

少額の暗号通貨の小さな送金を行い、取引が確認されるまで数分または数時間待つ時間がある場合、ロールアップは必要ないかもしれません。しかし、大きな取引が必要で、より早い確認時間が必要な場合や、多くの取引を行っている場合、ロールアップは大きな利点です。
 

2024年10月7日現在、Optimism、Arbitrum、zkSyncなどのEthereumロールアップのガス価格は、それぞれ0.001から0.02 ETH、0.0015から0.015 ETH、0.001から0.005 ETHの範囲であることが一般的です。

したがって、Ethereumに暗号資産を持っていて、手数料や時間を節約したい場合は、ロールアップを利用することが賢明な選択です。

通常、次のようなことが起こります：あなたはMetaMaskやWalletConnectなどのウォレットを開き、残高がEthereumメインネットにある場合、それをzkSyncのようなロールアップにブリッジします。

その後、zkSyncアカウント間で簡単にトランザクションを送信できます。シンプルで効率的です！しかし、ロールアップのバックグラウンドではどのように機能しているのでしょうか？ 

1. オフチェーン処理：Celestiaのようなモジュラーブロックチェーンでは、トランザクションの実行やスマートコントラクトの処理などのオフチェーン計算作業の大部分がロールアップ層で行われ、メインチェーンの混雑を軽減します。すべてのトランザクションをメインブロックチェーン上で直接実行するのではなく、ロールアップは数百万のトランザクションを1つのバンドルに集約し、計算オーバーヘッドを削減します。
2. バッチ提出：オフチェーンで処理された後、それらはメインチェーンにバッチ提出として一緒に送信されます。提出は最小限のサイズであり、各トランザクションをベースチェーンで個別に処理するのに比べてはるかに小さい検証関連データのみを含みます。
3. オンチェーンデータの可用性：実行はオフチェーンで行われますが、データは検証され、合意を得るために利用可能でなければなりません。ロールアップは、メインチェーンでのオープントランザクション検証を可能にするために、圧縮データの証明、妥当性証明または詐欺証明を公開します。ロールアップ証明には2種類あります：妥当性証明（ZKロールアップで使用）と詐欺証明（楽観的ロールアップで使用）。
4. レイヤー1のセキュリティ依存：ロールアップは依然としてレイヤー1チェーンのセキュリティと合意に依存しています。ロールアップが楽観的である場合、誰でも詐欺証明を通じてトランザクションの妥当性に異議を唱えることができます。ZKロールアップでは、妥当性証明が有効なトランザクションのみが受け入れられることを保証します。それについてはすぐに説明しますので、もう少しお待ちください！
5. トランザクションの確定性：トランザクションのバッチがレイヤー1ブロックチェーンで決済されると、バッチ内のトランザクションは確定します。ロールアップが楽観的かZKベースかによって、確定性はほぼ瞬時に発生することがあります。

さあ、さまざまなタイプのロールアップについて話しましょう。あなたには質問があると思います。

楽観的ロールアップの説明

OptimismとArbitrumは楽観的ロールアップの非常に人気のある実装ですが、他にもBase、Metis、Cartesiなどの注目すべきソリューションがあります。

他にもBase、Metis、Cartesiなどの注目すべきソリューションがあります。 

楽観的ロールアップは、Ethereumのスループットを向上させるためにトランザクションをオフチェーンで実行することを目的としたレイヤー2スケーリングソリューションのカテゴリです。

楽観的ロールアップは、デフォルトでトランザクションを有効と見なすため、この検証方法を指して「楽観的」という名前が付けられています。

すべてのトランザクションをオンチェーンで検証するのではなく、楽観的ロールアップはトランザクションのバッチ概要をEthereum Layer 1に報告し、Layer 1の計算負荷とストレージを軽減し、Layer 1の計算およびストレージの負担を減少させます。これは、トランザクションの妥当性を検証するために暗号証明に依存するzkロールアップとは大きく異なります。楽観的ロールアップのセキュリティモデルは詐欺証明に基づいており、ユーザーは異議申し立て期間内に詐欺的なトランザクションに異議を唱えることができます。トランザクションがオフチェーンで決済された後、誰でも不明瞭なトランザクションに対して詐欺証明を提供することで異議を唱えることができる期間—通常は数週間—があります。詐欺が見つかった場合、システムはトランザクションを再実行して、それが正当であったかどうかを確認します。これは、ほとんどのトランザクションが直接検証なしで通過できるようにしつつ、悪意のある活動を元に戻す手段を提供することで、スケーラビリティとセキュリティのバランスを取ります。ArbitrumやOptimismのような楽観的ロールアップは、ガス料金の削減とトランザクションの処理能力の向上を通じてスケーラビリティの利点を提供し、したがってガス料金を削減しトランザクション容量を拡大するように最適化されたdAppsに理想的です。欠点は、チャレンジ期間による長い確定時間の形で現れ、時間に敏感な操作にはあまり理想的ではありません。

ZKロールアップ：深掘り 

zk-SNARKが生成されると、証明とバッチ固有のデータの小さなセグメントのみがメインブロックチェーンに送信される必要があります。

これにより、データ量とトランザクション処理のためのガス料金が削減されます。

投稿後、メインブロックチェーンは提供されたデータに対してzk-SNARK証明を確認します。

確認が取れれば、全バッチがさらなるチェックなしに有効と見なされ、ほぼ即時の確定が得られます。

この迅速な検証メカニズムは、特にタイミングが重要なユースケースにおいて、ユーザー体験を大いに向上させます。

セキュリティと信頼の観点から、ZKロールアップはベースのLayer 1ブロックチェーン（例：Ethereum）からセキュリティを引き継ぎ、暗号証明によりトランザクションの正確性に対する高い信頼を享受します。このアプローチは、楽観的ロールアップのチャレンジ期間中に発生する可能性のある詐欺を減少させます。

ZKロールアップの利点は大きいです。彼らは、複数のトランザクションを1つの証明に効果的に圧縮することで、ガスコストを削減しながらトランザクションスループットの大きな乗数を通じてスケーラビリティを大幅に改善します。zk-SNARKによって可能になったほぼ即時の確定により、支払いおよび取引のようにトランザクションが即座に確認される必要があるアプリケーションに特に理想的です。また、ZKロールアップは、特定のトランザクションの詳細がメインブロックチェーンに提示される証明内に隠されるため、ユーザーの匿名性を強化し、機密性の要件を持つアプリケーションに適しています。zkSyncやStarkWareのような人気のあるzkロールアップの提供は、その効率性によりEthereumエコシステムの一部となっています。このような提供は、効率的で新しいゼロ知識技術を採用しているため、Ethereumエコシステム内で注目を集めています。2024年10月時点でのzkSyncのようなzkロールアップのガス料金は、0.001 ETHから0.005 ETHの範囲であり、より迅速な取引を行いながらお金を節約したいユーザーにとって大きなセールスポイントです。

L2-MEVの概念

MEV、すなわち最大抽出可能価値は、ブロックチェーンネットワークにおけるトランザクションの順序を変更することで得られる利益です。2019年の「Flash Boys 2.0」論文で正式に定義されて以来、MEVは特にロールアップのようなL2ソリューションの登場に伴い、注目のトピックとなっています。MEVは、アービトラージボットがDEXトランザクションで抽出しようとするものであり、マイナーやバリデーターは再順序付けされたトランザクションから利益を得ることができます。シーケンサーは、ロールアップにおけるMEV抽出においても重要な役割を果たし、トランザクションの順序付けとLayer 1へのブロック提出を管理します。しかし、ほとんどの既存のEthereum L2ロールアップには、トランザクションの順序を支配する単一の中央集権的シーケンサーがあります。中央集権的シーケンサーはMEV抽出に対して大きなコントロールを持ち、トランザクションの順序付けや利益に影響を与えます。しかし、MEV抽出可能なサイズは、シーケンシングメカニズムに基づいてロールアップ間で異なります。Arbitrumの先着順システムでは、トランザクションの順序付けは受領順で行われ、MEV操作の余地は少なくなります。

一方、Optimismのシーケンサーは、トランザクションの順序付けに対する制御の度合いが高く、MEV抽出のための柔軟性を高めています。

それでも、Optimismにはトランザクションを投稿するための時間ウィンドウなどのチェックがあり、シーケンサーがこの権限を最大限に行使することを制限しています。

Ethereumのロールアップ指向のロードマップを考えると、99%のすべてのことがL2で発生する未来を見据え、MEV抽出競争を抑制するメカニズムを持つロールアップを展開することが、ネットワークの公平性と効率性を確保するために重要です。

L2-MEVがEthereumに与える影響

Layer 2の採用はEthereumエコシステムを変え、特に最大抽出可能価値（MEV）のダイナミクスに影響を与えました。Ethereumがロールアップでスケールアップするにつれて、トランザクションのシーケンシングとMEV抽出のダイナミクスはこれらのL2ネットワークに移行し、シーケンサーがトランザクションの順序を制御します。これはEthereum全体に対して一連の影響を生み出します：

1. トレードオフを伴うスケーラビリティ

OptimismやArbitrumのようなL2ソリューションは、Layer 1ブロックチェーンを削減することでEthereumのスケーラビリティを大幅に向上させます。しかし、シーケンサーの中央集権化は、MEV抽出の可能性が増加するボトルネックを生じさせます。Ethereumのロールアップ中心のロードマップは、より大きなスケーラビリティを提供することが確実ですが、トランザクションの公平なシーケンシングとの均衡を崩します。

制約のない中央集権的シーケンサーは、Ethereumの分散化の精神を犠牲にしてトランザクションの順序付けを利用でき、価格を引き上げたり特定のトランザクションを優遇したりする可能性があります。

2. シーケンサーの分散化

MEV抽出に対する既存の取り組みの1つは、シーケンサー機能の分散化です。分散型シーケンシングプロトコルや競争的シーケンサーシステムを展開することで、MEV攻撃を中和し、Ethereumの分散化目標に沿った形でロールアップがMEVの乱用を減少させる可能性があります。これは、EthereumがますますL2技術にオープンであるため、特に重要です。分散化はEthereumの長期的な分散化目標に沿ったものであり、ネットワーク全体のセキュリティを向上させます。

3. 経済的インセンティブとMEVオークション

MEVがますます一般的になるにつれて、すでにいくつかのL2がMEVオークションを試験的に実施しており、MEV抽出の利益がシーケンサーによって得られるのではなく、バリデーターやエンドユーザーに戻る仕組みです。このプロトコルは、MEVの悪影響を優先度を下げるために経済的インセンティブを再配分することができ、価値が特定の数人に集中するのではなく、全体のEthereumエコシステムに戻ることを可能にします。

4. ユーザー体験とガス料金 

L2-MEV抽出は、特に利益のためにトランザクションを再順序付けできる中央集権的シーケンサーを持つロールアップにおいて、トランザクション手数料の上昇や確定の遅延を引き起こす可能性があります。対照的に、MEV抽出を最小限に抑えるより分散型またはより工夫されたロールアップは、低コストで低遅延、かつより安全な体験を提供できます。

L2でのガス料金が低下することで、Ethereumはより広範な採用を達成できるかもしれませんが、これらのソリューション間でトランザクションの順序付けの公平性を確保する方法が課題です。

5. セキュリティの考慮事項

Layer 2で処理されるトランザクションが増えるほど、EthereumのセキュリティはLayer 2ロールアップにおけるMEV管理技術に依存するようになります。過剰なMEV抽出を促進する悪意のあるロールアップは、ネットワークへの信頼を損なう可能性がありますが、詐欺/妥当性証明、分散型シーケンサー、およびMEV制限を持つロールアップは、Ethereumのセキュリティと分散化を向上させます。

具体的には、ロールアップのようなL2ソリューションがEthereumのスケーラビリティに対して魅力的な道を提供する一方で、Ethereum L2-MEVの新たな問題を生み出します。Ethereumのロールアップベースの未来の成功は、これらの問題を分散化、オープン性、経済的再調整を通じて解決することにかかっており、Ethereumをスケーラブルかつ公平にします。