イーサリアムのスケーリング「聖杯」Rollupsの詳細解説：取引は毎秒千件に達し、DeFiの新たな成長期を引き起こす可能性は？

原文作者： jakub，Finematics

编译：Glendon，バビット

Rollupsは、Ethereumのスケーリングの最終的な解決策と見なされています。では、Rollupsとは何でしょうか？OptimismとZK rollupsの違いは何ですか？ArbitrumとOptimismの違いは何ですか？そして、なぜEthereumのスケーリングに関してRollupsが聖杯（holy grail）と見なされているのでしょうか？この記事では、これらの質問に対する答えを見つけることができます。

一、紹介

Ethereumのスケーリングは、暗号分野で最も議論されているトピックの一つです。スケーリングの議論は、2017年のCryptoKittiesのブーム、2020年のDeFiの夏、または2021年初頭の暗号通貨のブルマーケットなど、ネットワークの活動が活発な時期に通常高まります。

これらの時期に、Ethereumネットワークへの前例のない需要が非常に高いガス料金を引き起こし、日常のユーザーが取引手数料を支払うことが高額になりました。

この問題を解決するために、最終的なスケーリングソリューションを探すことは、複数のチームとEthereumコミュニティ全体の最優先事項の一つであり続けています。

一般的に、Ethereumや他のほとんどのブロックチェーンをスケーリングするための主な方法は3つあります：ブロックチェーン自体を拡張する------第1層（Layer 1）スケーリング；第1層の上に構築する------第2層（Layer 2）スケーリング；および第1層の横にサイドチェーンを構築することです。

第1層に関しては、Eth2がEthereumブロックチェーンを拡張するための優先ソリューションです。Eth2は、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）ブロックチェーンの状態を新しいPoSチェーンに統合し、シャーディングを行うなど、相互に関連する一連の変更を指します。

特にシャーディングは、特にRollupsと組み合わせることで、Ethereumネットワークのスループットを大幅に増加させることができます。

第1層以外のスケーリングに関しては、さまざまなスケーリングソリューションが試みられ、いくつかの混合結果が得られています。

一方では、Channelsのような第2層のソリューションがあり、これは完全にEthereumによって保証されていますが、特定のアプリケーションにのみ適用されます。

他方では、サイドチェーンは通常EVMと互換性があり、汎用アプリケーションを拡張できます。主な欠点は、Ethereumのセキュリティに依存せず、独自のコンセンサスモデルを持つため、第2層のソリューションほど安全ではないことです。

ほとんどのRollupsの目標は、Ethereumのセキュリティに完全に依存しながら、汎用のスケーリングソリューションを作成することによって、これらの2つの側面の最適な効果を実現することです。

これはスケーリングの聖杯です。なぜなら、セキュリティを犠牲にすることなく、Ethereum上に既存のすべてのスマートコントラクトをほとんど変更なしで展開できるからです。

Rollupsがすべてのソリューションの中で最も期待されるスケーリングソリューションであるのも不思議ではありません。

しかし、まずRollupsとは何でしょうか？

二、Rollups

Rollupは、取引を第1層の外で実行しながら、第1層に取引データを公開することで機能するスケーリングソリューションです。これにより、Rollupはネットワークを拡張し、Ethereumのコンセンサスからそのセキュリティを得ることができます。

計算をオフチェーンに移動することで、実際にはより多くの取引を処理できるようになります。なぜなら、Rollup取引の一部のデータのみがEthereumブロックに収まる必要があるからです。

これを実現するために、Rollup取引は別のチェーンで実行され、そのチェーンはRollup特有のEVMバージョンを実行することさえできます。

Rollup取引を実行した後の次のステップは、それらをバッチ処理し、Ethereumメインチェーンに公開することです。

このプロセスは本質的に、取引を実行し、データを取得し、データを圧縮し、それを単一のバッチの形式でメインチェーンにまとめることです。これが「Rollup」という名前の由来です。

これが潜在的に良い解決策に見える一方で、次に自然に浮かぶ疑問があります：

「Ethereumは、公開されたデータが有効であり、自分の利益を得ようとする悪意のある行為者によって提出されたものでないことをどうやって知るのでしょうか？」

正確な答えは特定のRollupの実装に依存しますが、一般的に、各Rollupは第1層に一連のスマートコントラクトをデプロイし、入金と出金を処理し、証明を検証する責任を負います。

証明は、異なるタイプのRollup間の主要な違いでもあります。

Optimistic Rollupsは詐欺証明を使用します。それに対して、ZK Rollupsは有効性証明を使用します。

これらの2つのタイプのRollupについてさらに探ってみましょう。

三、OptimisticとZK Rollupsの比較

Optimistic Rollupsはデータを第1層に公開し、それが正しいと仮定するため、「楽観的」（optimistic）と呼ばれます。公開されたデータが有効であれば、私たちは楽しい道を進み、他に何もする必要はありません。Optimistic Rollupsは、楽観的な状況では追加の作業が不要であることから恩恵を受けます。

無効な取引が発生した場合、システムはそれを特定し、正しい状態に回復し、そのような取引を提出した当事者を罰する必要があります。これを実現するために、Optimistic Rollupsは詐欺証明を検証し、詐欺取引を検出し、悪意のある行為者が他の無効な取引や誤った詐欺証明を提出するのを抑制できる紛争解決システムを実装しています。

ほとんどのOptimistic Rollupsの実装では、第1層に成批取引を提出する当事者は、通常ETHの形で保証金を提供する必要があります。他のネットワーク参加者は、誤った取引を発見した場合、詐欺証明を提出できます。

詐欺証明を提出した後、システムは紛争解決モードに入ります。このモードでは、疑わしい取引がEthereumメインチェーンで再実行されます。実行された証明取引が本当に詐欺的であれば、その取引を提出した当事者は罰せられ、通常はその担保のETHが削減されます。

悪意のある行為者が不正確な詐欺証明を使用してネットワークにスパムを送信するのを防ぐために、詐欺証明を提出したい当事者は、削減される可能性のある保証金を提供する必要があります。

第1層でRollup取引を実行できるようにするために、Optimistic Rollupsは、取引がRollup上で実行されたときの正確な状態で取引を再生できるシステムを実装する必要があります。これはOptimistic Rollupsの複雑な部分の一つであり、通常は独自の管理者コントラクトを作成し、Rollupの状態で特定の関数呼び出しを置き換えることで実現されます。

注目すべきは、たとえ1人の誠実な当事者がRollupの状態を監視し、必要に応じて詐欺証明を提出するだけでも、このシステムは期待通りに機能し、詐欺を検出できるということです。

また、Rollupシステム内に正しいインセンティブメカニズムがあるため、紛争解決プロセスに入ることは特別な状況であるべきであり、頻繁に発生することではありません。

ZK Rollupsに関しては、根本的に紛争解決ソリューションは存在しません。これは、ゼロ知識証明と呼ばれる巧妙な暗号技術を利用することで実現され、ZK Rollupsと名付けられています。このモデルでは、第1層に公開される各バッチには、ZK-SNARKと呼ばれる暗号証明が含まれています。この証明は、取引バッチを提出する際に第1層コントラクトによって迅速に検証され、無効なバッチは即座に拒否されます。

簡単に聞こえますか？表面的にはそうかもしれませんが、実際にはその機能を実現するために、多くの研究者がこれらの巧妙な暗号学と数学の作品を反復するために無数の時間を費やしています。

OptimisticとZK Rollupsの間には他にもいくつかの違いがあるため、それらを一つずつ紹介しましょう。

紛争解決プロセスの性質上、Optimistic Rollupsはすべてのネットワーク参加者に詐欺証明を提出するための十分な時間を与えなければならず、その後に第1層で取引を最終確定します。この期間は通常かなり長く、最悪のシナリオでも詐欺的な取引が争われることを保証します。

これにより、Optimistic Rollupsから資金を引き出すのにかなりの時間がかかります。ユーザーは、資金を第1層に引き出すために、最大で1〜2週間待たなければならないことがあります。

幸いなことに、迅速な「流動性の存在」を提供することでこの状況を改善しようとするプロジェクトがいくつかあります。これらのプロジェクトは、ほぼ即時に第1層、別の第2層、またはサイドチェーンに引き出すことを提供し、その便利さに対して少額の手数料を請求します。HopプロトコルやConnextは注目すべきプロジェクトです。

ZK Rollupには長時間の引き出しの問題は存在しません。なぜなら、Rollupバッチと有効性証明を第1層に提出するだけで、資金を引き出すことができるからです。

これまでのところ、ZK RollupはOptimistic Rollupsのより良いバージョンのように見えますが、いくつかの欠点もあります。

この技術の複雑さのため、EVM互換のZK Rollupを作成することははるかに困難であり、アプリケーションロジックを再構築することなく汎用アプリケーションを拡張することがより困難になります。それにもかかわらず、ZKSyncはこの分野で大きな進展を遂げており、彼らはすぐにEVM互換のZK Rollupを発表するかもしれません。

Optimistic RollupsプログラムはEVM互換性の面でやや簡単です。彼らは独自のEVMバージョンを実行するためにいくつかの修正を必要としますが、99％のコントラクトは何の変更もなく移植できます。

ZK RollupはOptimistic Rollupsよりも計算量が多いです。これは、ZK証明を計算するノードが高仕様のマシンでなければならず、他のユーザーがそれらを実行するのが難しくなることを意味します。

スケーリングの改善に関しては、両方のタイプのRollupsは、Ethereumを1秒あたり15〜45件の取引（取引の種類によって異なる）から1秒あたり1000〜4000件の取引に拡張できるはずです。

注目すべきは、第1層のRollupバッチにより多くのスペースを提供することで、1秒あたりの取引を増やすことができるということです。これは、Eth2がRollupと大きな相乗効果を生む理由でもあります。なぜなら、複数のシャーディングを作成することで、可能なデータの可用性スペースを増加させるからです------各シャードは大量のデータを保存できます。Eth2とRollupの組み合わせにより、Ethereumの取引速度は1秒あたり10万件にまで向上する可能性があります。

さて、OptimisticとZK Rollupsで動作するさまざまなプロジェクトについて話しましょう。

1、Optimistic Rollups

OptimismとArbitrumは、現在最も人気のあるOptimistic Rollupsの選択肢です。

Optimismは、SynthetixやUniswapなどの限られたパートナーとともに、Ethereumメインネットに部分的に展開されており、技術が全面的に立ち上がる前に期待通りに機能することを保証しています。

Arbitrumは、すでにそのバージョンをメインネットにデプロイし、さまざまなプロジェクトをそのエコシステムに取り込むことを開始しました。限られたパートナーのみが最初に彼らのプロトコルをデプロイできるようにするのではなく、彼らはRollupで起動したいすべてのプロトコルに時間のウィンドウを提供することを決定しました。この期間が終了すると、すべてのユーザーに一度に開放されます。

Arbitrumで起動した最も著名なプロジェクトには、Uniswap、Sushi、Bancor、Augur、Chainlink、Aaveなどがあります。

Arbitrumは最近、Redditとの提携を発表しました。彼らは、Redditが報酬システムを拡張できるようにするための別のRollupチェーンを立ち上げることに焦点を当てます。

Optimismは、MakerDAOと協力してOptimism Daiブリッジを作成し、DAIや他のトークンが第1層に迅速に引き出せるようにしています。

ArbitrumとOptimismは、EVM互換のOptimistic Rollupsソリューションを構築するという同じ目標を持っていますが、設計にはいくつかの違いがあります。

Arbitrumには異なる紛争解決モデルがあります。彼らは第1層で全取引を再実行して詐欺証明が有効かどうかを検証するのではなく、疑わしい取引の範囲を狭め、必要に応じて第1層でいくつかの命令を実行して有効性を確認することを可能にするインタラクティブなマルチラウンドモデルを提案しています。

これにより、ArbitrumにデプロイされたスマートコントラクトのサイズがEthereum上で許可されている最大コントラクトサイズを超える可能性が生まれます。

もう一つの主な違いは、取引の順序付けとMEVの処理方法です。

Arbitrumは最初に取引の順序を担当するソーターを実行しますが、長期的にはそれを分散化することを望んでいます。

Optimismは、取引の順序とMEVを一定の期間内に他の当事者にオークションにかける別のアプローチを好みます。

Optimistic Rollupsに取り組む他のいくつかのプロジェクトも注目に値します。Fuel、OMGチームとOMGX、Cartesiなどです。彼らのほとんども、RollupsのEVM互換バージョンを開発しようとしています。

2、ZK Rollups

Ethereumコミュニティが短期的にはOptimistic Rollupsに主に焦点を当てているように見える一方で、ZK Rollupsに取り組むプロジェクトも非常に迅速に進展しています。

ZK Rollupsには、いくつかの利用可能なオプションがあります。

Loopringは、ZK Rollup技術を使用して取引と支払いプロトコルを拡張しています。

HermezとZKTubeは、ZK Rollupを使用して支払いを拡大しており、HermezはEVM互換のZK Rollupを構築しています。

Aztecは、ZK Rollup技術にプライバシー機能を導入することに焦点を当てています。

DeversiFi、Immutable X、dYdXなどのプロジェクトは、StarkWareに基づくRollup技術を広く使用しています。

前述のように、ZKSyncは、Solidityで書かれた任意のスマートコントラクトを完全にサポートできるEVM互換の仮想マシンを開発しています。

四、まとめ

私たちが見てきたように、OptimisticとZK Rollupの陣営には多くのことが進行中であり、異なるRollup間の競争は非常に興味深いものになるでしょう。

RollupはDeFiにも大きな影響を与えるはずです。以前は取引手数料が高いためにEthereum上で取引できなかったユーザーは、次回のネットワーク活動が活発なときにエコシステムに留まることができるようになります。また、彼らはより安価な取引とより迅速な確認時間を必要とする新しいタイプのアプリケーションをサポートします。これらすべては、Ethereumのコンセンサスによって完全に保護されています。RollupはDeFiの別の高成長期を引き起こす可能性があるように見えます。

しかし、Rollupにはまだいくつかの課題があります。

コンポーザビリティはその一つです。複数のプロトコルを組み合わせて使用するためには、すべてのプロトコルが同じRollupにデプロイされている必要があります。

もう一つの課題は流動性の断絶です。たとえば、新しい資金が全体としてEthereumエコシステムに入らない場合、UniswapやAaveなどのプロトコルに存在する第1層の既存の流動性は、第1層と複数のRollup実装の間で共有されます。流動性が低いと、スリッページが高くなり、取引の実行が悪化することが一般的です。

これは、自然に勝者と敗者を生むことを意味します。現在のEthereumエコシステムは、すべてのスケーリングソリューションを活用するには不十分です。長期的には変わる可能性がありますが、短期的にはいくつかのRollupや他のスケーリングソリューションが無人の地になるのを目にするかもしれません。

将来的には、ユーザーが完全にRollupエコシステム内で生活し、長期間Ethereumメインチェーンや他のスケーリングソリューションと相互作用しないことも考えられます。特に、より多くの中央集権的取引所が直接の入金と引き出しを実現できる場合には、これが顕著になる可能性があります。

それにもかかわらず、RollupsはEthereumを拡張するための最終的な戦略であるように見え、課題は何らかの形で緩和される可能性が高いです。Rollupsがますます多くのユーザーに採用される様子を見るのは明らかに非常に興味深いです。

Rollupsについて議論する際によく浮かぶ疑問の一つは、彼らがサイドチェーンに対する脅威となるかどうかです。個人的には、サイドチェーンはEthereumエコシステム内で依然として存在感を持つと考えています。なぜなら、第2層の取引コストは第1層よりもはるかに低くなるでしょうが、それでも特定のタイプのアプリケーション（ゲームや他の高容量アプリケーションなど）にとっては十分に高い可能性があるからです。

Ethereumがシャーディングを導入すると、この状況は変わるかもしれませんが、その時にはサイドチェーンが長期的に生き残るための十分なネットワーク効果を生む可能性があります。これが今後どのように展開されるかを見るのも非常に興味深いです。

さらに、Rollupsの費用はサイドチェーンよりも高くなります。なぜなら、各Rollupバッチは依然としてEthereumブロックスペースの費用を支払う必要があるからです。

覚えておくべきことは、EthereumコミュニティがEthereumのスケーリング戦略におけるRollupsに非常に注目していることです------少なくとも短期から中期、さらにはそれ以上の期間にわたってです。私は、Vitalik ButerinのRollup中心のEthereumロードマップに関する記事を読むことをお勧めします。