モジュラーブロックチェーン:深入解析可插拔架構如何解決ブロックチェーン性能瓶頸

単体ブロックチェーンは全面性で知られ、ネットワークの各層を独立して担い、データ保存から取引検証まで行います。一方、モジュラーブロックチェーンはブロックチェーンの異なる機能を独立したモジュールに分離することにより、特定の機能においてパフォーマンスのサポートとスムーズなユーザー体験を提供し、ある程度「不可能な三角」の問題を解決しています。

イーサリアムは最初のスマートコントラクトをサポートするブロックチェーンプラットフォームとして、モジュラーデザインに肥沃な土壌を提供しました。ブロックチェーン技術の進展に伴い、ビットコインエコシステムもモジュラー化の可能性を探求し始め、新しいモジュールを追加することで、改良されたプライバシー保護、より効率的な取引処理、または強化されたスマートコントラクト機能など、より高度な機能を実現しています。

モジュラーテクノロジーは、より"ソウルフルな"プラグイン製品の考え方を表しており、将来的にはより柔軟でカスタマイズ可能なブロックチェーンソリューションが登場するでしょう。さまざまなサービスや機能は、レゴブロックのように簡単に挿入したり抜いたりできます。この柔軟性により、開発者は特定のアプリケーションシナリオのニーズに応じて、迅速にブロックチェーンソリューションを構築および展開できるようになります。

モジュラーブロックチェーンのコアアーキテクチャ

モジュラーブロックチェーンについて探討する際には、まず単体ブロックチェーンという概念を理解する必要があります。単体チェーンは、ビットコインやイーサリアムなど、全体性で知られており、データストレージ、取引検証、スマートコントラクトの実行など、ネットワークの各側面を独立して担っています。この過程において、単体チェーンは多面的な役割を果たし、すべての段階に関与しています。

イーサリアムを例にすると、成熟した単一のブロックチェーンは一般的に大きく4つのアーキテクチャに分けることができます:

• 実行レイヤー
• セトルメントレイヤー
• データ可用性レイヤー/DAレイヤー
• コンセンサス層

モジュラーブロックチェーンとは、新しいタイプのブロックチェーンアーキテクチャであり、ブロックチェーンシステムを複数の専門コンポーネントやレイヤーに分解し、各コンポーネントが合意、データの可用性、実行、決済などの特定のタスクを処理する責任を持っています。

モジュラーブロックチェーンは、各自の分野に焦点を当てた専門家の集まりのように、深く掘り下げた技術革新を行います。このような焦点により、モジュラーブロックチェーンは特定の機能において卓越したパフォーマンスとユーザー体験を提供でき、例えば、より低コストでより迅速な取引処理速度を実現します。

ノードアーキテクチャに関して、モノリシックチェーンはフルノードに依存しており、これらのノードはブロックチェーンのデータの完全なコピーをダウンロードして処理しなければなりません。これは、ストレージと計算リソースに対して高い要求を課すだけでなく、ネットワークのスケーラビリティを制限します。それに対して、モジュラーブロックチェーンは軽量ノード設計を採用しており、ブロックヘッダー情報のみを処理するため、取引速度とネットワーク効率を大幅に向上させています。

モジュラーブロックチェーンの一つの顕著な利点は、その柔軟性と協調性です。それらは、非コア機能を他の専門家にアウトソーシングすることができ、シナジー効果を生み出し、全体的なパフォーマンスを大幅に向上させることができます。このデザイン哲学はレゴブロックに似ており、開発者がプロジェクトのニーズに応じて異なるモジュールを自由に組み合わせ、多様なソリューションを創造することを可能にします。

モジュラーブロックチェーンは、その高い柔軟性とカスタマイズ性で際立っており、新しいブロックチェーンの作成と最適化プロセスを簡素化しています。

しかし、モジュラーブロックチェーンは独自の課題にも直面しています。その複雑なアーキテクチャは、開発者が設計、開発、保守において必要とされる作業量を増加させます。新興技術として、モジュラーブロックチェーンはまだ包括的なセキュリティテストや市場の変動の試練を経験しておらず、その長期的な安定性と安全性はさらに検証される必要があります。

モジュラーブロックチェーンは「不可能三角」の問題をどのように解決するか

なぜモジュラーブロックチェーン技術が広く注目され、"未来のトレンド"と予言されているのでしょうか。それはブロックチェーン分野で有名な"不可能な三角形"理論と密接に関連しています。

ブロックチェーンの"不可能三角"は、ブロックチェーンネットワークが同時に安全性、去中心化性、そして可拡張性という3つのコア特性において最適な状態を達成することが難しいことを指します。

• スケーラビリティは、ネットワークが大量のトランザクションを処理する能力と、ユーザーとトランザクションの増加に伴って効率的で低コストの運用を維持する能力に関心があります。通常、TPSとレイテンシーで測定されます。
• セキュリティは、ブロックチェーンネットワークを攻撃から守るためのコストと難易度に関わっています。例えば、ビットコインのPOWメカニズムでは、攻撃者がネットワーク全体の51%以上のハッシュレートを掌握する必要があり、イーサリアムのPOSメカニズムでは、3分の1以上のノードが共謀する必要があります。
• 非中央集権性は、ネットワークの運営が単一の中央ノードに依存せず、多数のノードに分散されていることを説明しています。ノードが多ければ多いほど、地理的分布が広ければ広いほど、ネットワークの非中央集権性の程度は高くなります。

"不可能三角"の核心的な観点は、あるブロックチェーンシステムがこの三つの特性すべてを最適化することが難しいということです。例えば、多くのパブリックチェーンの中で、ビットコインとイーサリアムはその広範なノード分布と十分なノード数により、非中央集権性と安全性の面で優れた性能を示しています。

しかし、彼らは一定のスケーラビリティを犠牲にしており、取引速度が遅く、取引手数料が高くなっています: ビットコインのブロック生成時間は約10分、イーサリアムのTPSは約13であり、取引量が急増した場合、イーサリアムの取引手数料は数百ドルに達する可能性があります。

正にこのような背景の中で、モジュラーブロックチェーン技術が登場しました。それは、異なる機能を専門のモジュールに割り当てることによって、従来のパブリックチェーンが抱えるスケーラビリティや取引コストの課題を解決します。例えば、ビットコインのライトニングネットワークやイーサリアムのRollup技術は、モジュラリティの考え方を体現しています。

モジュラーブロックチェーンの利点は、その階層構造にあり、各レイヤーが特定のニーズに合わせて最適化できることです。データレイヤーはデータの保存と検証に集中でき、実行レイヤーはスマートコントラクトのロジックを処理できます。この分離は、パフォーマンスと効率を向上させるだけでなく、異なるブロックチェーン間の相互運用性を促進し、オープンで相互接続されたエコシステムを構築するための基盤を提供します。

以上のように、モジュラーブロックチェーン技術は従来のパブリックチェーンの限界を解決する新しいアプローチを提供します。これは、分散化とセキュリティを維持しながら、より高いスケーラビリティと低い取引コストを実現しており、ブロックチェーン技術の広範な応用と長期的な発展に深い意義を持っています。

モジュラーブロックチェーンの主要なタイプ

モジュラーブロックチェーンは、そのアーキテクチャの特徴に基づいて、異なるタイプに分類することができます。これらのタイプの中で、データ可用性層とコンセンサス層は、その密接な相互依存性のため、しばしば統一された全体として設計されます。これは、ノードが取引データを受信する際に、通常は同時に取引の順序も決定されるためであり、これはブロックチェーンの安全性と不正改ざん防止の核心なのです。

この設計原則に基づいて、私たちは実行層、データ利用可能性層、コンセンサス層、決済層の3つの側面からモジュラーブロックチェーンの異なるプロジェクトを理解することができます。

Execution layer: Layer 2 テクノロジー

Layer 2技術は、ブロックチェーンアーキテクチャにおける実行層の延長として、モジュラーブロックチェーンの概念の一形態です。これは、基盤となるブロックチェーンの上に構築されたオフチェーンネットワーク、システム、または技術を介して、メインチェーンのスケーラビリティを向上させることを目指しています。

レイヤー2ソリューションは、基盤となるブロックチェーンのセキュリティと分散化の特性を維持しながら、より迅速でコスト効率の高い取引処理を可能にします。データダッシュボードによると、イーサリアムエコシステム上でレイヤー2の検証と清算に消費されるガスの割合は平均して10%未満であり、ユーザーの取引コストを大幅に削減しています。

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Rollup技術は現在Layer 2で最も主流な解決策であり、その核心理念は「オフチェーン実行、オンチェーン検証」です。オフチェーンで計算などの作業を実行し、その後calldataデータをメインネットにアップロードします。

オフチェーン実行:

Rollupモデルでは、取引はオフチェーンで実行され、基盤となるブロックチェーンはスマートコントラクト内の取引証明を検証し、元の取引データを保存するだけです。この設計は、メインチェーンの計算負担を大幅に軽減し、ストレージの要求を減少させることで、より効率的な取引処理を可能にします。

さらなるコスト削減のために、Rollupはトランザクションパッキング技術を採用しています。これは物流における貨物の集約に例えることができ、各貨物を個別に送信すると高額な運賃が発生します。しかし、Rollup技術は複数のトランザクションをまとめてパッキングすることで、一度の「輸送」で済むため、各トランザクションのコストを大幅に削減します。

オンチェーン検証:

チェーン上の検証は、Layer 2 ネットワークの安全性の鍵です。Layer 2 ネットワークは、基盤となるブロックチェーン上の潜在的な不一致を解決するために暗号証明を提供する必要があります。現在、主流の 2 つの証明メカニズムは誤り証明と有効性証明であり、それぞれ Optimistic Rollups と ZK Rollups を支えています。

オプティミスティック ロールアップのエラーの証明:

Optimistic Rollupsは、すべての取引が有効であるという楽観的な仮定を採用しており、明確な証拠が存在しない限り、それを前提としています。このモデルは、チャレンジ期間中のエラー証明に依存しており、ネットワークの参加者は誰でもスマートコントラクトの状態に異議を唱える証明を提出できます。これにより、ネットワークの公正性と透明性が確保されます。

現在、Optimistic Rollups メカニズムを使用したレイヤー 2 レイヤーは合計 16 個あります (アービトラム、OP、ベース、ブラストなど)。

ZKロールアップの有効性の証明:

Optimistic Rollupsとは異なり、ZK Rollupsはより慎重なアプローチを採用しており、すべての取引は受け入れられる前に有効性証明を経なければなりません。この証明メカニズムは、Layer 2ネットワーク内の各取引と計算が正確であることを保証する検証プロセスに似ています。

簡単に言えば、有効性証明はZK-Rollupsの基礎であり、各トランザクションバッチには対応する証明が添付されることが求められ、これにより基盤となるブロックチェーン上のスマートコントラクトが状態の変更を検証・承認できるようになります。検証ノードにとって、ZK Rollupsはゼロエラーの決済メカニズムを提供します。なぜなら、各トランザクションは厳密な有効性検証を通過しなければならないからです。

現在、ZK Rollupsメカニズムを使用したレイヤー2レイヤーは、Linea、Starknet、zkSyncなど11個あります。

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###データ可用性レイヤーとコンセンサスレイヤー:Celestia、EigenDA、Avail

セレスティア

Celestiaはモジュラーブロックチェーン分野の先駆者であり、その本質はデータの可用性層で、dAppsやRollupの開発に対して堅固な基盤を提供します。Celestiaのデータの可用性層とコンセンサス層にデプロイすることによって、アプリケーション開発者は実行ロジックの最適化に集中でき、データの可用性とコンセンサスメカニズムの複雑さをCelestiaに処理させることができます。

Celestiaのアーキテクチャ設計はモジュラー拡張のために多様なソリューションを提供しており、そのアーキテクチャは主に以下の3種類を含んでいます:

• ソブリンロールアップ:Celestiaはデータの可用性を提供します