イーサリアムの中間戦争、Rollupの実と虚

この記事はOKEx研究院に掲載されました。

要約

イーサリアムの誕生以来、その低い取引処理能力により、イーサリアムネットワークはしばしば混雑し、Gas料金が高騰し、イーサリアムエコシステムの発展を深刻に制限してきました。このため、イーサリアムのスケーラビリティ問題は常に市場で注目されており、DeFiの大爆発の背景の中で、サイドチェーン、ステートチャンネル、PlasmaなどのLayer 2スケーリングソリューションは市場の要求を満たすことができず、Rollupが時代の寵児となりました。

もちろん、Rollupは純粋なLayer 2ソリューションではなく、Layer 1とLayer 2の混合体に近いものです：データはオフチェーンで計算され、パッケージ化され、次にオンチェーンで保存されます。さらに、データの真実性と有効性を確保し、資産の安全を保障するために、Rollupは「有効性証明」を使用するZK-Rollupと、Plasmaの「詐欺証明」を引き継いだOptimistic Rollupを導入しました。

総じて、ZK-RollupとOptimistic Rollupにはそれぞれ利点と欠点があります。ZK-Rollupは支払い、取引などの非契約分野に適しており、コストが低く、速度が速いです。一方、Optimistic RollupはOVMの存在により、現在はスマートコントラクトアプリケーション分野に適しています。しかし、ZK-Rollup系のプロジェクトがチューリング完全なEVMを導入することで、将来的にはZK-RollupがOptimistic Rollupに取って代わる可能性があります。

ただし、Rollupのスケーラビリティの上限はブロックGas消費量の上限に依存するため、イーサリアムの短中期的なスケーリングソリューションとしてのみ機能し、DeFiエコシステムの緊急の問題を解決することができます。長期的には、イーサリアムのスケーラビリティ問題を根本的に解決するには、イーサリアム2.0のシャーディング技術の順調な実現に依存しています。

しかし、Rollupプロトコルは価値を捕捉でき、経済的に持続可能性を持つことに注意が必要です。Rollupプロジェクトが発行するトークンは、巨大な投資潜在力を持つことが予見されます。

約2年間の静寂を経て、イーサリアムのRollupスケーリングソリューションはついに花開く時を迎えました。今年2月、OptimismはAラウンドの資金調達を完了し、3月にメインネットを立ち上げると発表しました。Matter LabsのZkSyncは、昨年メインネットを立ち上げ、今年チューリング完全なスマートコントラクトをサポートする予定です。さらに、業界の注目を集めるもう一つのRollupソリューションであるArbitrumも、今年メインネットを立ち上げる予定です。

• 表1. Rollupソリューションの進捗状況

|-------------------|---------------|-------------------|--------------------------| | Optimistic Rollup | Optimism | Uniswap, Compound | 2021年3月 | | ZK Rollups | Matter Labs | Curve, SuShiSwap | 2020年にテストネットを立ち上げ、今年チューリング完全なスマートコントラクトを導入 | | Arbitrum | Offchain Labs | Bancor Paraswap | 今年の立ち上げを予定 |

資料出典：OKEx研究院

Rollupの夜明けが近づく中、市場もその期待と熱狂に満ちています。しかし、実際の状況を見ると、多くの投資家やイーサリアムユーザーはRollupについての認識が明確ではありませんが、全体として合意に達しています：Rollupは重要であり、イーサリアムの未来です。

この文の前半部分は正しいです。Rollupは現在のイーサリアムにとって確かに重要です。しかし、後半部分は不正確です。Rollupはイーサリアムの未来ではありません。より正確に言えば、Rollupはイーサリアムの中短期的なスケーリングソリューションを代表しており、イーサリアムがネットワークの混雑問題を解決するための中間戦争です。長期的には、イーサリアムのスケーラビリティ問題を根本的に解決するには、イーサリアム2.0のシャーディング技術の順調な実現に依存しています。

Rollupの未来を正しく理解し、予測し、その中の富の機会を把握するためには、Rollupの歴史的背景や原理メカニズムを分析する必要があります。

1. イーサリアムのスケーリング戦争とRollupの台頭

イーサリアムの誕生以来、その非効率的な性能は市場からの批判を受け続けています：イーサリアムネットワークのTPS（取引処理能力）は約15取引/秒であり、Visaネットワークは2000取引/秒、ダブルイレブン期間中のAlipayは50万取引/秒に達しました。低い取引処理能力は、イーサリアムネットワークの混雑を引き起こし、Gas料金が高騰し、特に2017年の大牛市や2020年に始まったDeFi（分散型金融）の波の中でこの現象が顕著であり、イーサリアムエコシステムのさらなる発展を深刻に制限してきました。

図1. イーサリアムネットワークの日平均取引数とGas消費量の変化
資料出典：Etherscan、OKEx研究院

ブロックチェーンネットワークの混雑を解決し、パブリックチェーンのスケーラビリティを向上させることが、業界の注目の重点となってきました。さまざまなブロックチェーンのスケーリングソリューションが続々と登場し、主に二つの大きなカテゴリに分けられます：

オンチェーンのスケーリングソリューション、またはLayer 1ソリューションは、ブロックチェーン自体の取引容量を増加させることでスケーリングを実現します。一般的なLayer 1ソリューションには、ブロック容量の増加（例えば、BCHは32Mの大ブロックを使用）、隔離証明（BTCはデジタル署名と取引データを分離し、元のブロック構造を変更してスケーリングを実現）、シャーディング技術（イーサリアム2.0は、メインチェーンの状態と履歴を異なるシャードに分割してスケーリングを実現）があります。

オフチェーンのスケーリングソリューション、またはLayer 2ソリューションは、主に第二層プロトコルを使用してオフチェーンで大部分の取引を実行し、コストを削減して効率を向上させます。現在の主流のLayer 2ソリューションには、ステートチャンネル、サイドチェーン、Plasmaがあります。

図2. ブロックチェーンスケーリングの主要なソリューション
資料出典：OKEx研究院

イーサリアムの初期の発展において、人々は一般的にサイドチェーン（Sidechain）技術がブロックチェーンのスケーリング問題を解決する最良のソリューションであると考えていました。サイドチェーンとは、メインチェーンと平行に存在する独立したブロックチェーンであり、一部の取引をホスティング方式でサイドチェーンに移すことでメインチェーンのスケーリングを実現しますが、これには二つの深刻な問題が伴います。第一に、サイドチェーン上の資金の安全性が保証されず、ハッカーが特定のサイドチェーンを制御すると、そのサイドチェーン上の資金を盗むことができます。第二に、サイドチェーンはデータの可用性を保証できず、ハッカーがサイドチェーンを制御すると、基盤となる取引データの共有を拒否し、メインチェーンの安全性に重大な打撃を与えることになります。

図3. サイドチェーン技術の原理
資料出典：OKEx研究院

サイドチェーンの問題を解決し、イーサリアムのスケーリングを実現するために、イーサリアムの創設者であるVitalikは2017年に「Plasma」と呼ばれるLayer 2スケーリングソリューションを発表しました。Plasmaの特異性は、詐欺証明メカニズムを設計したことです：Plasmaは特定の基盤データをユーザー自身に保管させ、データの可用性の問題を解決しました。さらに、Plasmaには「退出期間」の設計があり、たとえハッカーがサイドチェーンの制御権を取得し、出金を試みても、ユーザーは「退出期間」内に証拠を提出して挑戦することができます。挑戦が成功すれば、誰もその資産を引き出すことができず、運営者も罰金を科せられるため、データの真実性、有効性、正確性が保証され、資金の安全性の問題が解決されます。

しかし、Plasmaはサイドチェーンの問題を解決しましたが、新たな問題を引き起こしました。第一に、ユーザーはPlasmaチェーンを監視するために2週間ごとにオンラインになる必要があり、さもなければ「退出期間」を逃すと、ハッカーが資産を引き出すことができます。第二に、ユーザーは基盤となる取引データを自分で保存する必要があり、データの可用性を保証する必要がありますが、これによりユーザーに大きなストレージコストがかかります。したがって、Plasmaはユーザーにとって非常に不親切で、体験が非常に悪いものでした。2018年の大熊市の背景の中で、かつてイーサリアムコミュニティに大きな期待を寄せられていたPlasmaソリューションも徐々に見捨てられていきました。

実際、2018年の大牛市がなくても、Plasmaはイーサリアムエコシステムの発展に適応することが難しかったのです---2019年からDeFiが徐々に興起し、Uniswapを代表とするAMMがその中で際立った存在となりました。Uniswap上の流動性提供者（LP）にとって、取引プールに保管されている資産は容易に変化し、PlasmaソリューションがLPの各取引ごとに挑戦検証を要求することを満たすことは不可能です。実際、多くのDeFiプロトコルはユーザーの同意なしにアカウントの状態を変更することができるため、PlasmaはDeFi時代において必然的に衰退する運命にありました。

図4. Layer 2スケーリングソリューションの進化
資料出典：OKEx研究院

同様に、ステートチャンネルもサイドチェーンやPlasmaが直面する問題を抱えています：ステートチャンネルは、論理的に明確な所有者を持たないオブジェクト（例えばUniswap）を代表することができず、オブジェクトはすべて明確な資産所有者を必要とします。

したがって、DeFiがイーサリアムエコシステムにとってますます重要になっている今日、ステートチャンネル、サイドチェーン、Plasmaのいずれもイーサリアムの現実的なニーズを満たすことができません。V神がRollupに決定的な推進力を与えたというよりも、時代がRollupを選んだと言えます。では、Rollupの特異性はどこにあるのでしょうか？

2. Rollup の原理解析

Rollupを解析する前に、Plasmaのスケーリング方法を理解しておきましょう：オフチェーンで、Plasmaの運営者がバッチ処理を待っている取引をまとめ、メルクルツリー（Merkle Tree）を生成します。ツリーの各葉は、取引資産の情報を表すことができ、取引がない場合は葉の値は0になります。その後、Plasmaはメルクルツリーのルートをメインチェーンに送信し、メルクルツリーのブランチをユーザーに保管させます。

したがって、メインチェーンは実際にはメルクルツリーのルートのハッシュ値のみを保存し、メルクルツリーのルートを通じてブランチの葉の具体的な取引情報を見つけることができますが、これらの具体的な取引情報はユーザーがオフチェーンで保存しているため、メインチェーンのブロックの大量のスペースを節約し、メインチェーンのスケーリングを実現します。

図5. Plasmaスケーリングの原理
資料出典：Plasmaホワイトペーパー、OKEx研究院

しかし、前述のように、ユーザーがオフチェーンで具体的な取引情報を保存することは、データの可用性において妥協を強いられ、DeFiアプリケーションには適用できません。これに対して、イーサリアムコミュニティは新しいソリューションを提案しました：取引データを圧縮してオンチェーンに保存すること、これがRollup（集約）ソリューションです。

具体的には、Rollupは取引データを圧縮してメルクルツリーを構成し、オンチェーンに保存します。また、スマートコントラクト内にメルクルツリーのルート（状態ルート）を保存します。Rollupの運営者は、バッチ取引（Batch）を発行することができ、この取引は圧縮された取引の集合であり、以前の状態ルートと新しい状態ルート（取引処理後の新しいメルクルツリーのルート）を含みます。スマートコントラクトは状態ルートを検証し、更新することで資産の移転を実現します。

もちろん、上記からわかるように、Rollupは純粋なLayer 2ソリューションではなく、Layer 1とLayer 2の混合体に近いものです：データはオフチェーンで計算され、パッケージ化されますが、オンチェーンで保存されます。したがって、Rollupを半オフチェーンスケーリングまたはセミレイヤー2ソリューションと呼ぶ方が適切です。

図6. Rollupスケーリングの原理
資料出典：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups、OKEx研究院

比喩的に言えば、今、多くの映画を保存する必要があるとします。Plasmaは、映画をコンピュータに保存し、USBメモリにディレクトリファイルだけを保存するようなもので、このディレクトリファイルに基づいて、コンピュータ内の任意の映画の位置を簡単に見つけることができます。一方、Rollupの方法は、映画を圧縮してからすべてUSBメモリに保存するというものです。こうすることで、USBメモリにより多くの映画を保存できるようになります。

では、Rollupはどのように圧縮を実現するのでしょうか？---主に取引のパラメータを圧縮します。主なパラメータにはNonce、Gasprice、Gas、To、Value、Signatureが含まれ、以下の表に示します：

• 表2. Rollup圧縮方式

|-----------|---------------|----------------------| | パラメータ | 元の保存容量（バイト） | Rollup下の保存容量（バイト） | | Nonce | >3 | 0 | | Gasprice | >8 | 0-0.5 | | Gas | 3 | 0-0.5 | | To | 21 | 4 | | Value | >9 | >3 | | Signature | >68 | >0.5 | | From | O | 4 | | 総保存容量（バイト） | >112 | >12 |

資料出典：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups、OKEx研究院

過去には、1つの取引が112バイトの保存スペースを占有していましたが、現在は12バイトのスペースしか必要ありません。1バイトあたり約16 Gasがかかります。イーサリアムでは、Gasの上限は1250万です。Rollupが50万Gasを消費すると仮定すると、Rollupの取引処理能力は次のようになります：

（ブロックGas消費量上限 -- Rollup Gas消費量）/ 各バイトのGas消費量/1取引のバイト数/ブロック生成時間 =（12,500,000 -- 500,000）/ 16 / 12 /14= 4464 取引/秒

現在、イーサリアムで1回の送金には約21,000 Gasが必要です。これは、すべてを送金に使用した場合、イーサリアムの最大取引処理能力が次のようになることを意味します：ブロックGas消費量上限/ 1回の送金Gas消費量/ブロック生成時間 = 12,500,000 / 21,000 /13 = 45取引/秒

これは、Rollupが送金シーンでイーサリアムのTPSを100倍向上させたことを意味します。同様に、Vitalikの計算によれば、ERC20送金やUniswapの利用シーンでは、同条件下でイーサリアムのTPSを100-400倍拡張できる可能性があります。

前述の分析は順調に進んでいましたが、サイドチェーン技術に似た重要な問題を見落としていました：Rollupの運営者がデータを偽造して資産を盗むのを防ぐにはどうすればよいのでしょうか？イーサリアムコミュニティは二つのソリューションを提案しました：「有効性証明」を使用するZK-Rollupと、Plasmaの「詐欺証明」を引き継いだOptimistic Rollupです。

3. ZK-Rollup VS Optimistic Rollup

まず、有効性証明を実現するZK-Rollupソリューションを見てみましょう。ZK-Rollupは、ZK-SNARK（簡潔な非対話型ゼロ知識証明）を使用して取引の安全性を保証します。

「ゼロ知識証明（ZKP）」は、S.Goldwasser、S.Micali、C.Rackoffによって1980年代初頭に提案されたもので、証明者が検証者に有用な情報を提供することなく、特定の主張が正しいことを検証者に信じさせることを指します。

クラシックな例として、出口と入口が非常に近い（視距離内にある）穴の開いた環状廊下がありますが、廊下の中間には鍵でしか開けられないドアがあります。アリスはボブにそのドアの鍵を持っていることを証明したいと考えています。ゼロ知識証明を使用すると、ボブはアリスが入口から廊下に入り、出口から廊下を出るのを見て、ボブはこの時アリスが鍵を持っていることに関する情報を得ることはありませんが、アリスが鍵を持っていることを完全に証明できます。

図7. ゼロ知識証明の例
資料出典：OKEx研究院

上記からわかるように、ZKPは計算の非対称性を持っています。ZK-Rollupのソリューションでは、Rollupの運営者が大量のリソースを投入してZK-SNARK計算を実行し、バッチ取引に組み込みます。一方、スマートコントラクト（検証者）は、迅速かつ低コストで取引の安全性を証明できます。したがって、ZK-Rollupには多くの利点があります：プライバシーを保護しながら、データの真実性と有効性を簡潔かつ迅速に検証できます。しかし、その欠点は計算量が多く、技術的難易度が高く、仮想マシンをサポートするのが難しいことです。

前述のPlasmaソリューションでは、その設計した「詐欺証明」メカニズムを紹介しました。これにより、取引データの真実性、有効性、正確性が実現され、資産の安全が保証されます。Optimistic Rollupsはこのメカニズムを引き継いでいます：この種のRollupは、すべての履歴状態ルートと各バッチのハッシュ値を追跡します。誰かが特定のバッチの後の状態ルートが正しくないことを発見した場合、そのバッチが計算エラーであることを証明するためにブロックチェーンに証明を提出できます。スマートコントラクトはその証明を検証し、そのバッチおよびその後のバッチをロールバックします。

OptimisticはPlasmaの詐欺証明メカニズムを選択したため、Plasmaと同様に長い「退出期間」（約1週間）が必要です。これにより資金の利用効率が大幅に低下しますが、良いニュースは、DeFiエコシステムの成熟に伴い、多くの流動性提供者がユーザーに「退出期間」内で資金を提供できるため、資金利用の相殺問題を効果的に解決できることです。さらに重要なのは、Optimistic RollupはPlasmaのOVMを引き継いでいるため、Optimistic RollupネットワークにイーサリアムEVMと互換性のあるスマートコントラクトをデプロイできることです。これはDeFiにとって特に重要です。

• 表3. ZK-RollupとOptimistic Rollupの性能比較

|----------------|---------------------------------------|----------------------------------------------| | 特性 | Optimistic Rollups | ZK Rollups | | 各バッチの固定Gas消費 | 約40,000（軽量取引、主に状態ルートの値を変更するだけ） | 約500,000（ZK-SNARKの検証に必要な計算量が大きい） | | 出金期間 | 約1週間（出金には遅延があり、詐欺証明を提出する時間を確保する必要がある。詐欺が発生した場合は出金をキャンセルする必要がある） | 極めて迅速（次のバッチを待つだけ） | | 技術的複雑さ | 低 | 高（ZK-SNARKは非常に新しい技術であり、数学的に複雑） | | 汎用性 | 達成しやすい（汎用のEVM Rollupsがメインネットに登場予定） | 達成しにくい（ZK-SNARK証明を使用した汎用EVM実行は、単純な計算証明よりも難易度が高い） | | 各オンチェーン取引のGas消費 | 比較的高い | 比較的低い | | オフチェーン計算コスト | 比較的低い（大量のフルノードで再計算する必要があるが） | 比較的高い（汎用計算に特化したZK-SNARK証明は非常に高価で、直接計算を実行するよりも数千倍高くなる可能性がある） |

資料出典：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups、OKEx研究院

総じて、ZK-RollupとOptimistic Rollupにはそれぞれ利点と欠点があります。ZK-Rollupは支払い、取引などの非契約分野に適しており、コストが低く、速度が速いです。一方、Optimistic RollupはOVMの存在により、現在はスマートコントラクトアプリケーション分野に適しています。しかし、ZK-Rollup系のプロジェクトがチューリング完全なEVMを導入することで、将来的にはZK-RollupがOptimistic Rollupに取って代わる可能性があります。

4. Rollup の未来と富の機会

上記からわかるように、他のLayer 2ソリューションと比較して、Rollupはデータの安全性と可用性をより良く保証できますが、Rollupは本当にイーサリアムの未来なのでしょうか？

そうではありません。Rollupのスケーリングソリューションからわかるように、ブロックGas消費量の上限がRollupソリューションの上限です。これは、朝のラッシュ時に地下鉄に乗ることに似ています。地下鉄の車両（ブロック）がより多くの人を乗せるために、私たちはさらに多くの人を車両に押し込む（圧縮する）ことができます。しかし、どんなに圧縮しても上限があります。将来的にブロックチェーンアプリケーションが発展し続ける中で、私たちは最大で100倍の拡張に満足するのでしょうか？したがって、長期的には、イーサリアムのスケーリングの未来はイーサリアム2.0のシャーディング技術の順調な実現に依存しています。

しかし、イーサリアムの公式計画によれば、イーサリアム2.0のシャーディングの実現は2030年まで待たなければならない可能性があります。しかし、現在でもDeFiの人気により、イーサリアムはすでに混雑しており、Gas料金は高騰しています。数年前のステートチャンネルやPlasmaなどのLayer 2ソリューションはDeFiの要求を満たすことができず、シャーディング技術は遠い目標です。まさに「過去を悔やんでも仕方がなく、未来を追い求めても無駄」であり、Rollupは短中期的にイーサリアムのスケーリングソリューションとして自然に選ばれ、イーサリアム2.0への中間リレー役となるのです。

もちろん、VitalikがRollupを推奨するもう一つの理由は、Rollupプロトコルが価値を捕捉でき、経済的に持続可能性を持つことです。

まず経済的価値について、Rollupはイーサリアムの混雑を緩和し、Gas料金を引き下げることができます。節約されたコストの一部は、Rollupプロトコルの収入（手数料やMEV[1]の形で）に転換され、経済的に持続可能性を持ちます。

では、Rollupはなぜ価値を捕捉できるのでしょうか？これはRollupの特異性に関連しています：データはメインチェーンに保存され、オフチェーンでデータ計算が行われます。このLayer 1とLayer 2の間に位置する混合ソリューションにより、Rollupはメインチェーン上の特別なDappアプリケーションとなるため、Rollupプロジェクトはメインチェーン上でそのRollupプロトコルに基づくトークンを発行でき、トークンを通じてプロトコルの価値を捕捉できます。

将来的には、Rollupの大爆発の後に多くのRollup発行プロジェクトのトークンが登場することが予見されます。プロトコルの経済的価値をトークンに付与することを望むプロジェクトのトークンは、大きな投資潜在力を持つでしょう。

[1] 注：MEVとはマイナーが抽出可能な価値を指し、マイナー（または検証者、ソート者など）が自ら生成するブロック内で任意に取引を含めたり除外したり、並べ替えたりする能力によって得られる利益の指標です。