オフチェーン拡張デプス解析

著者：エレイン・シュー、ヘッティ・ジャン、ジュン・ワン、ワロン・リン、イリウ・リン

1. スケーラビリティの必要性

ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです: 去中心化、安全性、そしてスケーラビリティ。しかし、通常はブロックチェーンはこのうちの2つしか実現できず、3つの要件を同時に満たすことはブロックチェーンの不可能三角問題と呼ばれています。何年もの間、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。去中心化と安全性を保証しつつ、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、つまりスケーリング問題を解決することは、現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットな話題の一つです。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、拡張性を大まかに定義しましょう:

• 非中央集権: 誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できる。ノードの数が多いほど、非中央集権の度合いが高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者の支配を受けないことが保証される。
• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかかるコストが高いほど、セキュリティは高くなり、したがってチェーンは参加者による攻撃に対してより高い割合で耐えることができます。
• 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。

ビットコインネットワークの最初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。ビットコインのユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBのブロックサイズ制限を持つビットコインネットワークは混雑の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に関して意見が分かれ、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持する拡張派、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小ブロック派で、Segwit（隔離証明）を使用してメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えています。2017年8月1日、Bitcoin ABCは独自に開発した8MBのクライアントシステムを稼働させ、ビットコインの歴史において初めての重大なハードフォークが発生し、新たな仮想通貨BCHが誕生しました。

同様に、イーサリアムネットワークもネットワークのセキュリティと分散化を確保するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しました。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限して取引量を制限するのではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設ける形に変わりましたが、その目的は Trustless Consensus を実現し、ノードの広範な分布を確保することです。( 上限を撤廃するか引き上げるかにかかわらず、多くの帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小規模ノードは淘汰されるでしょう。)

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、市場はスループットの需要が増加し続けています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒間に15〜45件の取引(TPS)しか処理できません。この結果、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大多数のDappsは運営コストを負担できなくなります。全体のネットワークはユーザーにとって遅く高価になり、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決される必要があります。理想的な状態のスケーリングソリューションは、非中央集権と安全性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(より短いファイナリティタイム)と取引スループット(より高いTPS)をできるだけ向上させることです。

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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」を基準にして、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つの大きなカテゴリに分けます。

2.1 オンチェーンのスケーリング

コア概念:メインネットプロトコルの1層を変更することでスケーリング効果を達成するソリューション、現在の主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、この記事では詳細には触れませんが、以下に2つのソリューションを簡潔に挙げます:

• プラン1はブロックスペースを拡大することで、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、ノードの参加ハードルを上げ、「非中央集権」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帳簿をいくつかの部分に分けます。すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、すなわち異なるノードが異なる記帳を担当します。並列計算により、複数の取引を同時に処理できます。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルが低下し、取引処理速度と分散化の程度が向上します。しかし、これは全ネットワークの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」が低下することになります。

主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予測できない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずかなセキュリティの欠陥が、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。ネットワークは分岐を余儀なくされたり、修復アップグレードの中断を強いられたりする可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件です。ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを修正したもので、2018年にあるエンジニアがその基盤コードに高リスクの脆弱性があることを発見しました。つまり、トークンが無限に発行できるというものでした。チームはこの問題を解決するために8ヶ月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正された後にこの事件を公表しました。

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リングソリューションを提供する。

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:

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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、チャネルがオープン、クローズ、または紛争が解決される場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しており、ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われるため、ユーザーの取引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。

状態チャネルは、単純なP2Pプロトコルであり、「ターンベースのアプリケーション」に適しており、例えば、二人のチェスゲームなどがあります。各チャネルは、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ており、このコントラクトはチャネルに預けられた資産を制御し、状態の更新を検証し、参加者間の争いを(に基づいて署名とタイムスタンプ付きの詐欺証明)で仲裁します。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、双方が署名して確認した後、チャネルが正式に開通します。チャネルは、参加者間で制限なくオフチェーンの無料取引(を行うことを可能にし、彼らの送金の正味額が預けられたトークンの合計)を超えない限り、取引が可能です。参加者は交互に状態の更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。一度相手が署名確認を行うと、その状態の更新は完了と見なされます。通常、双方が同意した状態の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ネルを閉じたりする場合にのみ、メインネットの確認に依存します。チャ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。退出リクエストが全員の一致した署名承認を得られれば、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ネルの最終状態に基づいて各参加者の残高に応じて残りのロック資金を配分します。他の参加者が署名承認を行わなかった場合、全員は「チャレンジ期間」の終了を待たなければ、残りの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、取引コストを低下させることができます。

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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State Channelの概念を体系的にまとめ、ビットコインのPayment ChannelはState Channel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・ドライジャ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、ビットコインのスケーラブルなデプス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年11月、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初の設計仕様であるSpritesが提案されました。
• 2018/06年に、Counterfactualは、State Channelsに完全に関連する最初の設計であるGeneralized State Channelsの非常に詳細な設計を提案しました。
• 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、状態チャネルの概念が 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継続的にオンラインである必要があるという問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。
• 2020/03、Hydraがファストアイソモルフィックチャネルを提案。

3.1.3 技術原則

ステートチャネルのワークフロー:

1. アリスとボブは、個人EOAから資金をオンチェーン契約アドレスに入金することにより、これらの資金は契約内にロックされ、チャンネルが閉じられるまでユーザーに残高が返されることはありません。二人が署名を確認した後、二人の間のステートチャンネルが正式に開通します。

2. アリスとボブは、このチャネルを通じて理論的にはオフチェーンで回数制限なしに取引を行うことができ、参加者は暗号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ない)。両者のユーザーはそれぞれの取引に署名する必要があり、二重支払いの悪用を防ぎます。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。

3. もしアリスがボブとの取引を終了す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。ボブが署名して承認すれば、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。ボブが署名に応答しなかった場合、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。

悲観的な状況下でのステートチャンネルのワークフロー:最初に、2人の参加者が資金を預け、次にステート更新を交換し始めます。ある時点で、ボブが彼のターンでアリスから送られたステート更新の署名に応答しないと仮定します。この場合、アリスは契約に自分の最後の有効なステートを提出することで挑戦を開始することができ、この有効なステートにはボブの以前の署名も含まれており、最後の取引がボブの承認を受けていることを証明します。最後のステートはボブの確認を受けています。その後、契約はボブが次のステートを契約に提出することで応答することを一定期間許可します; ボブが応答すれば、2人はステートチャンネル内で取引を続けることができます; ボブがその期間内に応答しない場合、契約は自動的にステートチャンネルを閉じて資金をアリスに返します。

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3.1.4 長所と短所

価値：

• 即時確認、取引は即時に完了できます
• 高スループット、理論的には無限の取引
• 手数料が低く、スイッチングチャネル時にのみオンチェーン手数料が必要です。
• プライバシーが良い、オフチェーン取引はメインネットには公開されない

短所：

• 資金利用率が低く、資金をロックする必要がある
• ユーザーに優しくない、継続的にオンラインでチャネルを監視する必要がある
• チャンネルの作成は複雑です
• 汎用的なステートチャンネルを設計することは困難です
• 流動性が不足しており、チャネルは資金を柔軟に移転できません。

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支払いチャネルであり、その全体的な技術の進化は次のように進みます: 2/2 マルチシグによる片方向支払いチャネルの構築、RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract)を追加することで双方向支払いチャネルを構築、さらにHTLC(Hash Time Lock Contract)を追加することで支払いチャネルを複数人の支払いに拡張し、最終的に支払い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支払いチャネルを通じて、中間者を利用して取引ネットワークを構成することで、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(チャネルの構築)→ ライトニングネットワーク取引(チャネルの状態を更新)→ 返金/清算(チャネルを終了)"の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1秒間に100万件の取引を処理できます。

タイムライン:

• 2015年2月、Joseph PoonとThaddeus Dryjaは、ライトニングネットワークのホワイトペーパーの草案を発表しました;
• 2016年1月に正式版ホワイトペーパーを発表し、設立されました。