オフチェーン拡張デプス解析

1. スケーラビリティの必要性

ブロックチェーンの未来のビジョンは、分散化、安全性、スケーラビリティですが、通常はそのうちの2つしか実現できないことが、ブロックチェーンの不可能な三角形の問題と呼ばれています。長年にわたり、人々はこの難題を解決する方法を模索してきました。分散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、つまりスケーリング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におけるホットなトピックの一つです。

ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、そしてスケーラビリティは以下のように定義されます:

• 分散型:誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できます。ノードの数が多いほど、分散化の程度が高まり、ネットワークが中央集権的な参加者に支配されないことを確保します。

• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するために必要なコストが高いほど、セキュリティは高くなり、チェーンはより大きな割合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に起因しています。ユーザー数と取引量が増加するにつれて、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が分かれており、一方はブロックの拡大を支持し、もう一方は隔離証人（Segregated Witness）を使用して主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ブロックのクライアントシステムが稼働を開始し、ビットコインの最初の重大なハードフォークが発生し、新しい通貨BCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークは、ネットワークの安全性と分散化を保障するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しました。ビットコインのようにブロックサイズを制限することはありませんが、単一のブロックに収容できる燃料費を制限することで取引量を限定し、トラストレスコンセンサスを実現し、ノードの広範な分布を確保することを目的としています。

2017年のCryptoKittiesから、DeFiの夏、さらにはその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に至るまで、市場のスループットへの需要は絶えず増加しています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、毎秒15〜45件の取引しか処理できず、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大多数のDappsが運用コストを負担できなくなり、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の問題は早急に解決される必要があります。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、可能な限りブロックチェーンネットワークの取引速度とスループットを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

"レイヤー1のメインネット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は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ることができます。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することでスケーラビリティを達成するソリューションで、現在の主なソリューションはシャーディングです。

オンチェーンのスケーリングにはさまざまなソリューションがあり、2つの例を簡潔に挙げます:

• 方案一はブロックスペースを拡大し、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、これは高性能ノードデバイスへの要求を高め、"分散化"の程度を低下させます。

• プラン2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、異なるノードが異なる記帳を担当し、並行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、ノードの計算負担と参加の敷居を下げ、取引処理速度と分散化の程度を向上させることができますが、ネットワーク全体の「セキュリティ」が低下する可能性があります。

ネットワークのプロトコルコードを変更することは、予測できない悪影響を引き起こす可能性がある。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ある。その結果、ネットワークはフォークを強いられるか、修正アップグレードの中断を余儀なくされる可能性がある。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件: Zcashのコードはビットコイン0.11.2バージョンのコードを基に修正されている。2018年、あるエンジニアがその基盤となるコードに高危険な脆弱性があることを発見した。つまり、トークンが無限に発行できるというものであった。これを受けて、チームは8ヶ月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性の修正後にこの事件を公表した。

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しない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:

• Layer2:メインチェーンの上に新しいレイヤーを構築し、大部分のトランザクションと計算を処理し、必要な時にのみメインチェーンと相互作用します。状態チャネル、サイドチェーン、Plasma、Rollupsなどを含みます。

• その他のソリューション: 新しいレイヤーを構築するのではなく、ValidiumやVolitionなどの他の技術手段を通じてスケーリングを実現します。

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3. オフチェーン拡張の方案

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、チャネルが開いている、閉じている、または紛争を解決する場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しており、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことで、取引の時間とコストを削減し、取引回数を制限なしに実現します。

ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターンベースのアプリケーション"、たとえば2人のチェスゲームに適しています。各チャネルは、メインネット上で実行されるマルチシグスマートコントラクトによって管理されており、このコントラクトはチャネルに預けられた資産を制御し、ステータス更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します(署名とタイムスタンプ付きの詐欺証明)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、資金を預けてロックし、双方が署名して確認した後に、チャネルが正式に開通します。チャネルは、参加者間で制限なくオフチェーンの無料取引(を行うことを可能にし、彼らの送金の純額が預けたトークンの総額)を超えない限りです。参加者は、交互に相手にステータス更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。一旦相手が署名確認を行うと、このステータス更新は完了と見なされます。通常、双方が合意したステータス更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じた場合やチャネルを閉じるときにのみ、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、いずれかの参加者はメインネットに取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員の一致した署名によって承認されれば、オンチェーンで即座に実行され、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に応じてロックされた残りの資金を分配します。もし他の参加者が署名を承認しなければ、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。

要するに、ステートチャンネルのソリューションは、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・コールマンは初めてState Channelの概念を体系的にまとめ、ビットコインのPayment ChannelはState Channelの概念のサブケースであることを提案しました。

• 2016/01、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが正式にホワイトペーパー「The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments」を発表し、ビットコインのライトニングネットワークのスケーラブルな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処理にのみ使用されます。

• 2017/11、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初のSpritesデザイン仕様が提案されました。

• 2018/06年、Counterfactualは、Generalized State Channelsの非常に詳細なデザインを発表しました。これは、State Channelsに完全に関連する最初のものです。

• 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問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。

• 2020/03,Hydraはファスト同型チャネルを提案しました。

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相互作用し、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。楽観的な状況では、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対話するのではなく、ステートチャネルを使用します。

• 第一歩、アリスとボブは個人EOAから資金をチェーン上の契約アドレス(に預け入れ、1,2)のインタラクションを行います。これらの資金は契約にロックされ、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。

• 第二ステップで、アリスとボブはこのチャネルを通じて理論的にはオフチェーンで無制限の取引(青い破線)を行うことができます。参加者は暗号化された署名メッセージを通じて相互に通信し(、ブロックチェーンネットワークとは通信しません)。双方のユーザーはそれぞれの取引に署名する必要があり、二重支払いの悪用を防ぎます。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、相手が提案した状態更新を受け入れます。

• 第三ステップ、アリスがボブとの取引を終了するためにチャンネルを閉じたい場合、アリスは契約に自分のアカウントの最終状態(インタラクション3)を提出する必要があります。ボブが署名を承認した場合、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(インタラクション4,5)に返還します。ボブが署名に応答しない場合、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は悲観的な状況における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人の参加者は資金(を預け入れ、インタラクション1, 2)を開始します。その後、状態更新の交換を(青い破線)に沿って始めます。ある時点で、ボブがアリスから送られた状態更新署名(インタラクション3)に応答しないと仮定します。この時、アリスは自分の最後の有効な状態を契約に提出することによって挑戦を開始できます(インタラクション4)。この有効な状態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たこと、最終状態がボブの確認を受けたことを証明します。次に、契約はボブが次の状態を契約に提出することによって応答することを許可します; 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; 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、資金をアリスに返却します(インタラクション5)。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 取引の即時確認
• 高スループット
• 低取引コスト
• プライバシー性が良い

短所：

• 資金をロックする必要があります
• すべての参加者がリアルタイムでオンラインである必要があります
• 出金に遅延があります
• 通路の初期コストが高い
• 通路を再開するのは面倒です
• 通道ネットワークの複雑性が高い

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次のように進んでいます: 2/2マルチシグを用いて一方向決済チャネルを構築し、RSMC(可撤回シーケンス満期契約)を追加することで双方向決済チャネルを構築し、さらにHTLC(ハッシュタイムロック契約)を追加することで決済チャネルを拡張し、最終的に決済ネットワークであるライトニングネットワークを構築します。オフチェーンの小額決済チャネルを通じて、中間者を利用した取引ネットワークを構成することで、ビットコインネットワークのスケーラビリティの問題を解決することができます。ライトニングネットワークの全体的な利用は、"デポジット(チャネルの構築)→ライトニングネットワーク取引(チャネル状態の更新)→返金/決済(チャネルの終了)"という流れに従います; 理論的には、ライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できます。

タイムライン:

• 2015年2月、Joseph PoonとThaddeus Dryjaはライトニングネットワークのホワイトペーパーの草案を発表しました;
• 2016年1月に正式版ホワイトペーパーを発表し、Lightning Labsを設立しました;
• 2018年3月15日、Lightning Labsは最初のライトニングネットワークメインネットバージョンLightning Network Daemon (LND) 0.4バージョンをリリースしました。
• 2021年初、ライトニングネットワークの公共容量(TVL)は約4000万ドルで、約10万ユーザーがライトニングネットワークを使用していました。
• 2021年6月、エルサルバドルはビットコインを法定通貨として採用することを発表しました、