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オフチェーン拡張の道：ステートチャネルとライトニングネットワークの解析
オフチェーン拡容デプス解析
1. スケーラビリティの必要性
ブロックチェーンの未来のビジョンは、分散化、安全性、スケーラビリティを実現することです。しかし、通常はそのうちの2つしか同時に満たすことができず、これをブロックチェーンの不可能な三角形問題と呼びます。長年にわたり、人々は分散化と安全性を確保しながら、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させる方法、つまりスケーリングの問題を解決する方法を探求してきました。
まず、ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティを定義しましょう:
分散化:誰でもノードとなりブロックチェーンシステムに参加でき、ノードの数が多いほど分散化の程度が高くなる。
セキュリティ: ブロックチェーンシステムのコントロールを取得するコストが高いほど、セキュリティは高くなり、チェーンはより大きな割合の攻撃に抵抗できます。
スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。
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ビットコインネットワークの初めての重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題に起因しています。ユーザー数と取引量が増加するにつれ、1MBのブロック制限を持つビットコインネットワークは混雑問題に直面し始めました。2015年から、ビットコインコミュニティはスケーラビリティの問題で意見が分かれ、一方はブロックを拡大することを支持し、もう一方はSegWitソリューションを使用してメインチェーンの構造を最適化することを支持しました。2017年8月1日、ブロックを拡大することを支持する側が8MBのクライアントシステムを開発し、実行した結果、ビットコインは初めての重大なハードフォークが発生し、新しいコインBCHが誕生しました。
イーサリアムネットワークは、ネットワークの安全性と分散化を保障するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることも選択しました。イーサリアムはビットコインのようにブロックサイズを制限していませんが、単一のブロックのガス料金上限を設定することで取引量を制限しています。目的は信頼不要のコンセンサスを実現し、ノードの広範な分布を確保することです。
2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場のスループット需要は増加し続けていますが、イーサリアムは1秒あたり15〜45件の取引しか処理できません。これにより、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、ほとんどのDappsは運用コストに耐えられなくなり、ネットワーク全体が遅くて高価になり、スケーラビリティの問題を解決する必要があります。理想的なスケーラビリティソリューションは、分散化とセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの取引速度とスループットを可能な限り向上させることです。
2. スケーリングソリューションの種類
私たちは「メインネットのレイヤーを変更するかどうか」を基準に、スケーリングソリューションをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大カテゴリに分けています。
2.1 チェーン上の拡張
コアコンセプト: 一層のメインネットプロトコルを変更することで拡張効果を達成するソリューションであり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。
オンチェーンのスケーリングにはさまざまなソリューションがありますが、この記事では詳細には触れず、2つのソリューションを簡潔に挙げます:
方案一はブロックスペースを拡大することであり、つまり各ブロックにパッケージされる取引の数を増やすことですが、これは高性能ノードデバイスへの要求を高め、ノードの参加のハードルを上げ、分散化の程度を低下させます。
方案二はシャーディングであり、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割し、異なるシャード、つまり異なるノードが異なる帳簿を管理します。並列計算により、複数の取引を同時に処理できます。このようにして、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、取引処理速度と分散化の程度を向上させます。しかし、全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、全体のネットワークの安全性が低下します。
主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となる微細なセキュリティの脆弱性がネットワーク全体のセキュリティを深刻に脅かすからです。ネットワークはフォークや中断修復のアップグレードを余儀なくされる可能性があります。
2.2 オフチェーン拡張
コアコンセプト:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更せずにスケーラビリティソリューションを提供すること。
オフチェーン拡張ソリューションはLayer2とその他のソリューションに細分化できます:
レイヤー2:
その他:
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3. オフチェーン拡張の方案
3.1 ステートチャネル
3.1.1 まとめ
ステートチャンネルは、チャンネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する場合にのみユーザーがメインネットと相互作用する必要があり、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことによって、取引の時間とコストを削減し、取引回数に制限がないことを実現します。
ステートチャンネルは、シンプルなP2Pプロトコルであり、「ターン制アプリケーション」に適したものです。例えば、二人のチェスゲームです。各チャンネルは、メインネット上で動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理され、このコントラクトはチャンネルに預けられた資産を制御し、状態更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトを展開した後、資金を預けてロックし、両者が署名確認を行った後にチャンネルが正式に開通します。チャンネルは、参加者間で無制限の回数のオフチェーン無料取引を可能にします(、ただし、彼らの送金ネットワークの合計が預けられたトークンの総額)を超えない限りです。参加者は交互に状態更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名確認を行った時点で、この状態更新は完了とみなされます。通常、両者が同意した状態更新はメインネットにアップロードされず、争いが発生したりチャンネルを閉じる必要がある場合のみ、メインネットの確認に依存します。チャンネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者がメインネットに取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員一致の署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行され、スマートコントラクトはチャンネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を考慮し、ロックされた残余資金を分配します。他の参加者が署名承認しない場合、全員は「チャレンジ期間」の終了を待たなければ残余資金を受け取ることができません。
以上のように、ステートチャネルのソリューションは、メインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、取引コストを低減することができます。
3.1.2 タイムライン
2015/02、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライヤがライトニングネットワークのホワイトペーパー草案を発表しました。
2015/11、ジェフ・コールマンは初めてステートチャンネルの概念を体系的にまとめ、ビットコインのペイメントチャンネルはステートチャンネルの概念の一つのサブケースであると提案しました。
2016/01、ジョセフ・プーンとタデウス・ドライヤが正式にホワイトペーパー「The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments」を発表し、ビットコインの拡張ソリューションであるPayment Channel(支払いチャネル)を提案しました。このソリューションは、ビットコインネットワーク上の送金支払いを処理するためのものです。
2017/11、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初のSpritesデザイン仕様が提案されました。
2018/06年、Counterfactualは、Generalized State Channelsの非常に詳細なデザインを発表しました。これは、State Channelsに完全に関連する最初のものです。
2018年10月、Generalised State Channel Networksの記事では、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案されました。
2019/02、ステートチャンネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそのアイデアに基づいて構築された最初のプロトコルです。
2019/10,Pisaはすべての参加者が常にオンラインでいる必要がある問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。
2020/03,Hydraはファストアイソモーフィックチャネルを提案しました。
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3.1.3 技術原則
状態チャネルの一般的なワークフロー:
アリスとボブは、個人アカウントからオフチェーン契約アドレスに資金を預け入れることによって、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに残高が返還されない; 両者が署名確認した後、両者の間のステートチャネルが正式に開通する。
アリスとボブはオフチェーンで回数無制限の取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージを通じて相互に通信(し、ブロックチェーンネットワークとは通信しません)。両方のユーザーは、二重支払いを防ぐために各取引に署名する必要があります。これらのメッセージを通じて、彼らは自分のアカウントの状態更新を提案し、相手が提案した状態更新を受け入れます。
もしアリスがボブとの取引を終了させるためにチャネルを閉じたい場合、アリスは契約に自分のアカウントの最終状態を提出する必要があります。もしボブが署名を承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を対応するユーザーに返還します。もしボブが署名に応じなければ、契約はチャレンジ期間が終了した後にロックされた資金を対応するユーザーに返還します。
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3.1.4 メリットとデメリット
価値：
短所：
3.1.5 アプリケーション
ビットコイン・ライトニングネットワーク
概要： ライトニングネットワークはビットコインネットワークの小額決済チャネルであり、その全体的な技術進化は次のように進行しました: 2/2マルチシグで一方向の決済チャネルを構築し、RSMCを追加することで双方向の決済チャネルを構築し、さらにHTLCを追加することで決済チャネルを複数人の決済に拡張し、最終的に決済ネットワークであるライトニングネットワークを構築します。オフチェーンの小額決済チャネルを通じて、そして仲介者を利用して取引ネットワークを形成することで、ビットコインネットワークのスケーラビリティの問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は「預金(でチャネルを確立)→ライトニングネットワーク取引(でチャネルの状態を更新)→払い戻し/決済(でチャネルを終了)」というプロセスに従います; 理論的にはライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できます。
タイムライン:
エコロジーの発展: BTCのライトニングネットワークエコシステムは、下から上へと次のようになります：基盤となるBTCネットワーク---コアインフラストラクチャ---さまざまなDapps。
コアインフラには
コアインフラの上には、さまざまな支払いおよび金融サービス、アプリケーションがあります。例えば、StrikeはLNDソリューションの上に構築されており、ユーザーがBTCを売買できるようにし、Twitter上でクリエイターにBTCでチップを送ることを可能にし、Shopifyの商人がBTCを受け入れることを許可します。
2022年11月時点で、ビットコインのライトニングネットワークに基づくDappsは20以上のカテゴリーと100以上のアプリに増加しました。アプリのカテゴリーには、ビットコインのライトニングネットワークによる支払い、ウォレット、ノード管理、ブラウザ拡張機能、ポッドキャスト、ストリーミングなどが含まれます。現在、ノードインフラストラクチャに関連する技術基盤はほぼ成熟しており、ウォレットのサポートが増加し、金融サービスや支払いの統合が引き続き成長しています。また、より多くのエンターテインメントアプリがライトニングネットワーク上に構築されており、ライトニングネットワークのエコシステムは繁栄を遂げています。
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イーサリアムライトニングネットワーク
概要： 雷