簡単に理解するイーサリアムのレイヤー2ソリューション Arbitrum

この記事はブルーフォックスノートに掲載されました。

最近、UniswapとSushiswapはArbitrumのL2ソリューションを使用する計画を立てており、これによりArbitrumは注目されるEthereumのL2ソリューションとなっています。では、Arbitrumを簡単に理解するにはどうすればよいでしょうか？

ArbitrumもrollupsシリーズのL2ソリューションです

EthereumのLayer2ソリューションには多くのものがありますが、最も注目されているのはRollupsシリーズです。以前、ブルーフォックスノートではOptimistic RollupsとZk Rollupsについて紹介しました。詳細は「一文読懂ZK RollupとOptimistic Rollup: Ethereumの重要な拡張方向」を参照してください。

ArbitrumもRollupsシリーズのソリューションです。これらのソリューションは基本的に、セキュリティをEthereumチェーン上に置き、計算とストレージをチェーン外で実行します。簡単に言うと、参加者は取引データをEthereumチェーンに提出し、ユーザーは取引を確認できますが、取引の計算とストレージはチェーン外で行われます。Arbitrumは定期的にEthereumにArbitrum上で発生した完全な状態ハッシュを送信し、このハッシュが結果としてチェーン上に置かれ、不正改ざんと最終性を実現します。

相対的に、ArbitrumはOptimistic Rollupsとフレームワークの考え方が似ており、結果の検証においてはどちらも詐欺証明の範疇に属し、ZK Rollupsは暗号的有効性証明の範疇に属します。

前提条件として、詐欺証明型Rollupsは、チェーン上に提出された結果が利用可能であると仮定し、誰でもLayer1の取引データを抽出して実行でき、状態を比較して契約の実行が正しいかどうかを確認します。暗号証明型Rollupsは数学的手法を用い、ゼロ知識証明を通じて有効性を実現し、本質的に偽造が不可能です。このため、暗号的有効性証明は能動的証明に属し、詐欺証明は受動的証明に属し、人々が結果に異議を唱えるときに争いが生じ、仲裁が必要になります。

全体的に見て、ZK Rollupsの安全性は高く、最終性の実現が早いため、送金などのシーンに適しています。一方、Optimistic RollupとArbitrumのソリューションにはチャレンジ期間があり、チャレンジ期間が終了するまで最終確認ができず、出金ができないという欠点があります。しかし、ZK Rollupsは暗号的有効性証明を生成するために計算コストが非常に高く、非常に高価であり、成熟するまでには一定の時間が必要です。

長期的には、ZK Rollupsが最終的な解決策になる可能性がありますが、ZK Rollupsの成熟と実装にはより長い時間が必要であり、Ethereumの拡張ニーズはより緊急です。このスマートチェーンの台頭からもそれが見て取れます。ZK Rollupsの実装が遅れているため、Optimistic RollupsとArbitrumにチャンスが与えられています。

したがって、中短期的な実装の観点から、詐欺証明型Rollups（Optimistic RollupsとArbitrum Rollups）はより早く実装される機会があります。詐欺証明自体は「楽観的」であり、すべての提出者が善人であると仮定し、罪が証明されるまでそうでない限りです。1人の検証者が存在すれば、詐欺証明を提出でき、安全です。したがって、誠実な検証者が1人存在するという仮定は非常に重要です。1人の検証者がオンライン詐欺証明を提出でき、最大1週間（またはそれ以上）の詐欺証明の時間ウィンドウがあり、これが最終確認の時間を遅くし、出金時間を長くします。

全体的に見て、詐欺証明と暗号的有効性証明型のRollupsにはそれぞれ利点と欠点があります。ZK Rollupsは非対話的で、数学的手法を用いて問題を解決しますが、Optimistic RollupsとArbitrum Rollupsは対話的です。この意味で、Optimistic RollupsとArbitrum Rollupsは似ていますが、具体的な経路には違いがあります。

Arbitrumは多ラウンド対話型のRollupsソリューションです

上記のように、ArbitrumとOptimisticはどちらも詐欺証明の範疇に属するRollupsソリューションであり、両者の核心的な問題は「結果の正確性をどのように検証するか？」ということです。悪意のある証明を送信する人がいるかもしれません。そのため、両者にはチャレンジメカニズムがあります。検証者はチェーン上に主張を送信し、異議を唱えることができます。主張が偽であれば、彼らは質押した保証金を失います。

ArbitrumとOptimisticの主な違いは、意見の相違を解決する方法です。検証者がL1にrollupブロックを提出し、誰かがそれが不正であると考えた場合、どうすればよいのでしょうか？

Arbitrumは多ラウンドのインタラクティブプロトコルを使用して争いを解決し、大規模な争いを小さな争いに分割し、最も重要なステップを見つけてからEthereum契約を通じてそれが正しいかどうかを確認します。争いを分割することで、Arbitrumはより効率的な解決策を実現しようとしています。

Arbitrumの参加者は保証金を質押し、ある状態が最終的に確認されると主張できます。主張が間違っている場合、ユーザーの質押保証金は没収されます。2人のユーザーが異なるブロックに質押している場合、これはそのうちの1つだけが真実であることを意味します。誰かが攻撃するのを防ぐために、争いの主張者は保証金資産を質押し、悪事を防ぎます。

初期の設計では、Arbitrumプロトコルは1つの争いの主張を1回処理する方法を採用していました。ある参加者が争いの主張を提出し、その主張にはチャレンジ期間があり、この期間中は誰でもその主張に挑戦できます。誰も挑戦しなければ、その主張は有効と見なされます。

しかし、この単線的な進行モデルには限界があります。1回に1つの争いの主張をアクティブにするのは非効率的で、VMプロセスが制限されます。同時に、悪意のある者は意図的に争いの主張を挑戦することでVMを遅延させることができます。質押資金を支払う必要があっても、遅延させることが可能です。

そのため、新しい設計では、Arbitrumは複数の争いの主張を同時に処理できるようになり、線形ではなくなります。悪意のある者がプロセスを遅延させる実現の難易度が高くなります。現在、Arbitrumは複数の争いの主張を同時に処理する方法を採用しており、1人の質押者が1回に1つの主張を処理し、異なる質押者が同時に複数の主張を処理できます。

主張が有効と確認されると、そのVMの状態も前進します。一般的に、人々は誠実な行動を選択します。なぜなら、そうすることで質押保証金が没収されないことが確保されるからです。悪意のある攻撃の理由がない限り、人々は誤ったブランチに資産を質押する必要はありません。

信頼不要の特性を実現するために、Arbitrumの設計では、誠実な参加者がVMの正確性と進展を推進できます。もし参加者が常に正しいブランチに質押していれば、彼はすべての争いの主張に勝つことができます。他の人が同意しなければ、彼らは質押保証金を失うだけです。誠実な参加者が一緒にならなければ、罰を免れることはできません。

（AliceとBobは異なるブランチに質押しています、ArbitrumのEd Feltenより）

もし上の図のAliceが主張を正しいと証明すれば、Bobの質押保証金資産は失われ、Aliceが利益を得ます。

単ラウンドのインタラクティブRollupsでは、主張には各呼び出しの結果が含まれ、挑戦者は主張の中で誤った結果を持つ特定の呼び出しを指摘します。チェーン上の契約は挑戦された呼び出しをシミュレートし、誤りがあるかどうかを確認します。もし誤りがあれば、全体の主張は取り消され、その主張者は質押した保証金を失います。挑戦ウィンドウ期間が過ぎても、成功した挑戦がなければ、主張は受け入れられ、最終性を持ちます。

一方、多ラウンドのインタラクティブRollupsでは、挑戦時間ウィンドウ期間があり、主張者と挑戦者の間で複数のラウンドのインタラクションが存在し、チェーン上の契約が裁判官として機能し、誰が誤っているかを決定します。多ラウンドのインタラクション設計の主な考慮点は、争いを解決するためのチェーン上の作業をできるだけ減らすことです。挑戦者と主張者の間の多ラウンドのインタラクションを通じて、チェーン上の作業量を最大限に減少させます。単ラウンドと多ラウンドのインタラクティブは、本質的にチェーン上のコストと争いの解決時間のバランスを取るものです。

単ラウンドと多ラウンドのインタラクティブRollupsは、すべての契約の呼び出しとそのデータをチェーン上に書き込む必要がありますが、異なる点は、何を主張の一部としてチェーン上に提出するかです。単ラウンドのインタラクティブモデルは、チェーン上の完全な呼び出しをシミュレートすることを要求します。コストの観点から考えると、これはより高価になります。一方、多ラウンドのインタラクティブは、争いの範囲を細分化することで、チェーン上に書き込むデータが相対的に少なくなり、チェーン上の実行コストが低くなります。しかし、それにも欠点があり、ラウンド数が増えることで時間が増加します。

さらに、Arbitrumの多ラウンドインタラクティブモデルは、遅延攻撃に直面する可能性があります。システムが信頼不要であるため、悪意のある攻撃者はプロセスを遅延させることができますが、彼らがそうすることには代償があり、質押保証金が没収されます。また、悪意のある行為者は誠実な参加者が誠実なブランチを継続的に構築するのを妨げることはできず、誠実な参加者が誠実なブランチで最終確認を得るのを妨げることもできません。彼らができることは、誤ったブランチに質押保証金を行い、誠実なブランチの確認を遅延させることです。彼らは複数の争いの主張を作成できますが、誠実な参加者が十分に多ければ、彼らはこれらの争いの主張に同時に対処し、攻撃者の質押保証金を捕獲することができます。つまり、誠実な参加者が多ければ多いほど、攻撃者は遅延攻撃を行うためにより多くの質押資産を必要とし、攻撃の難易度が高くなります。

さらに、多ラウンドのインタラクティブRollupsでは、有効な「主張」が「信頼不要の最終性」となることが可能です。誰もがその最終確認が避けられないことを確信できます。自分の最終確認を確保するために、ユーザーはプロトコルに参加して主張を守ることができます。たとえ単独で行動しても、最終確認の発生を促進できます。

挑戦がなければ、多ラウンドと単ラウンドの確認速度は似ていますが、誰かが挑戦すれば、多ラウンドの争いにかかる時間は少し長くなります。この点で、単ラウンドのインタラクティブには利点があります。単ラウンドのインタラクティブは確認の遅延攻撃を許可せず、多ラウンドのインタラクティブの利点は、より少ないチェーン上のデータで、Ethereumのガス制限を超える契約（計算とストレージ）を処理できることです。

詐欺証明型のRollupsは、最終確認に一定の時間周期が存在します。したがって、Arbitrumを通じた送金は、ZK Rollupsソリューションのように迅速な最終性を達成することはできません。その可能な解決策は、第三者の介入を通じて実現されます。第三者は資金をユーザーに即座に転送できますが、ユーザーは前払い手数料を支払う必要があります。一般的に、第三者は未確定の送金が必ず実現すると考え、誠実な結果に対して保証金を質押します。誰でも迅速に引き出す必要があるユーザーに資金を転送できます。これにより、市場が形成され、手数料が均衡し、過度に高くも低くもならないでしょう。

ArbitrumのEVM互換性

ArbitrumはEthereumと完全に互換性を持ち、EVMに対応しており、プログラムを再記述する必要がありません。Ethereumと完全に互換性があることは、スマートチェーン上でその力を見せました。これは、Ethereumの現在のエコシステムにスムーズに組み込まれるための最も重要な措置です。

dApp開発者はSolidity言語を使用してスマートコントラクトを作成し、これらのスマートコントラクトはArbitrum VMにコンパイルされ、Arbitrum Rollups上で実行できます。

Arbitrumの進展

Arbitrum技術は現在、Arbitrum Oneを発表しています。ArbitrumコントラクトはEthereumメインネットにデプロイされ、すでにプロジェクトを受け入れ始めており、現在はメインネットテスト段階にあります。Arbitrumによれば、現在250以上のチームが参加を申請しており、すべての開発者に開放されています。今後数週間で、ますます多くのDeFiプロジェクトがArbitrumエコシステムに参加するのを見ることができるでしょう。

現在、EtherscanなどのEthereumエコシステムの重要な参加者もArbitrum Oneチェーンをサポートしています。

EthereumとL2の実装

興味深いことに、Arbitrumにはネイティブトークンがなく、ETHを燃料として使用し、すべての手数料はETHで支払われます。これはETHにとっても良いことであり、将来的にETHにどれだけの需要があるかはさておき。

現時点では、Ethereumの拡張性には短期と長期を組み合わせたアプローチが必要であり、特にDeFiとNFTの爆発的な成長のニーズを満たす必要があります。長期的には、L2がZK Rollupsの勝利をもたらす可能性がありますが、その高コストと実装の遅れにより、消化にはかなりの時間がかかる可能性があります。一方、ArbitrumとOptimistic Rollupsはより早く実装される可能性があり、出金時間は長いですが、解決策がないわけではありません。また、実践の中で成長することで、新たなインスピレーションが生まれる可能性もあります。

L2の段階的な実装に加えて、EIP-1559が今年7月に導入される可能性や、年末にPoSが導入される可能性があるため、2021年のEthereumは異常な年になることが確実です。