オフチェーン拡容デプス解析

著者：エレイン・シュー、ヘティ・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、去中心化、安全性、スケーラビリティという壮大なビジョンです。しかし、通常ブロックチェーンはそのうちの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。これまでの数年間、人々はこの難題を解決する方法を模索してきました。去中心化と安全性を保証しながら、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こと、つまりスケーラビリティの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1つです。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティを一般的に定義しましょう:

• 分散型:誰でもノードとなり、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、分散化の程度が高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者の制御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獲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、そのため、チェーンはより多くの参加者からの攻撃に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から生じました。ビットコインのユーザー数と取引量が増えるにつれて、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の相違があり、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持するスケーラビリティ派、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小ブロック派で、隔離証明Segwitの方案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が独自に開発した8MBのクライアントシステムが稼働し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、同時に新しいコイン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保証するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しています。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ガス代の上限を設定する形に変わりましたが、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保するためです(。制限を撤廃するか引き上げるかに関わらず、多くの帯域幅、ストレージ、計算能力が不足している小さなノードが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、市場のスループット需要は増加し続けていますが、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり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、決済時間が延び、大部分のDappsは運営コストを負担できず、全体のネットワークはユーザーにとって遅くて高価になっています。ブロックチェーンのスケーラビリティ問題は早急に解決する必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、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(より短いファイナリティ時間)と取引スループット(より高いTPS)を可能な限り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」を基準として、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ています。

2.1 オンチェーンスケーリング

コアコンセプト:メインネットプロトコルの1層を変更することによってスケーリング効果を達成するソリューション、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

チェーン上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、本記事では詳しく説明せず、以下に2つのソリューションを簡単に挙げます:

• 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、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、ノードの参加ハードルが上がり、"非中央集権"の程度が低下します。
• 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、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、つまり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下がり、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計算能力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「セキュリティ」が低下する可能性があります。

レイヤー1のメインネットプロトコルのコードを変更することは、予測不可能な悪影響をもたら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。その結果、ネットワークはフォークや中断修復アップグレードを余儀なくされ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基に修正されており、2018年にあるエンジニアがその基盤コードに深刻な脆弱性を発見しました。それは、トークンが無限に発行可能であるというものであり、チームは8ヶ月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性の修正が完了し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。

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. オフチェーンのスケーリングソリューション

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、または紛争を解決する際にのみ、ユーザーがメインネットとインタラクトする必要があると規定しており、ユーザー同士のインタラクションをオフチェーンで行うことで、ユーザーの取引にかかる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ています。

ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ターン制アプリケーション」に適しています。例えば、2人のチェスゲームです。各チャネルは、マルチシグスマートコントラクトによって管理され、これはメインネット上で実行され、チャネルに預けられた資産を制御し、ステート更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します(署名とタイムスタンプが付いた詐欺証明)に基づいています。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、資金を預け入れロックし、両者が署名確認した後にチャネルが正式に開通します。チャネルは、参加者間で無制限のオフチェーン無料取引(を行うことを許可します。これは、彼らの送金のネットワースが預けられたトークンの総額)を超えない限りです。参加者は交互に相手にステート更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。一度相手が署名確認すると、このステート更新は完了と見なされます。通常、両者が合意したステート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る必要がある場合にのみ、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は、任意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合意で署名され承認されると、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を分配し、ロックされた残りの資金を配布します。他の参加者が署名承認しなかった場合は、全員が「チャレンジ期間」の終了を待たなければなりません。

以上のように、ステートチャネル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。

3.1.2 タイムライン

• 2015/02、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャ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・コールマンが初めてステートチャ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ネルはステートチャネル概念の一つのサブケースであると提案しました。
• 2016/01、Joseph PoonとThaddeus Dryjaは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ビリティ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にのみ使用されます。
• 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、Counterfactualは非常に詳細な一般化されたステートチャネルの設計を提案しました。これは、ステートチャネルに完全に関連する最初の設計です。
• 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。

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3.1.3 技術原則

図1は、従来のチェーン上のワークフローを示しています: アリスとボブは、メインネットにデプロイされたスマートコントラクトと対話し、ユーザーはチェーン上にトランザクションを送信することでスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は、上で議論した時間とコストの問題を引き起こすことです。

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図2は、ほとんどのステートチャネルプロトコルが従う一般的なワークフローを示しています:楽観的な場合、アリスとボブは以前と同じ操作を実行する必要がありますが、今回はオンチェーン契約と相互作用するのではなく、ステートチャネルを使用します。

• 最初のステップでは、アリスとボブは自分の個人EOAからオンチェーンコントラクトアドレス(に資金を入金し、1,2)、これらの資金はコントラクト内にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに残高が返されません。二人が署名して確認した後、二人の間のステートチャネルが正式に開通します。
• 第2ステップでは、アリスとボブはこのチャネルを通じて理論的にオフチェーンで無制限に取引を行うことができます(青い破線)。参加者は暗号化された署名メッセージを介して相互に通信し(、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、ダブルスペンドの悪用を防ぐために、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、相手が提案する状態更新を受け入れます。
• 第3ステップ、もしアリスがボブとの取引を終了させたい場合、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。ボブが署名に応じなかった場合、契約はチャレンジ期間終了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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図3は悲観的な状況下でのステートチャネルのワークフローを示しています: 初めに、2人の参加者が資金(を預け入れ、インタラクション1、2)を行います。そして、ステートの更新(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署名)インタラクション3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チャレンジを開始することができます(インタラクション4。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。最終的なステートはボブの確認を受けています。次に、契約はボブが一定の期間内に次のステートを契約に提出して応答することを許可します; もしボブが応答すれば、2人はステートチャネル内で取引を続けることができます; もしボブがその期間内に応答しなければ、契約は自動的にステートチャネルを閉じ、資金をアリスに返します)インタラクション5。

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3.1.4 長所と短所

価値：

• 即時取引確認
• 高スループット
• 低料金
• 高いプライバシー性

短所：

• 資金をロックする必要があります
• ユーザーは頻繁にオンラインになる必要があります
• 複雑さの増大

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、その全体的な技術の進化は:2/2 マルチシグによる片方向決済チャネルの構築、RSMCの追加を経ています。