オフチェーン拡張ソリューションの完全解析：ステートチャネルからロールアップまで

2025-07-31 02:22:08

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。しかし、通常はそのうちの2つしか実現できず、これをブロックチェーンの不可能三角問題と呼びます。長年にわたり、人々は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方法、つまりスケーリングの問題を解決する方法を探求してきました。

ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、及びスケーラビリティの定義:

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、分散化の度合いが高くなります。
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コストが高いほど、セキュリティが高まり、チェーンはより大きな割合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。

ビットコインとイーサリアムのネットワークは、安全性と分散化を保証するために、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。オンチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場のスループットに対する需要が増大していますが、メインネットの取引処理能力は限られているため、取引コストが増加し、決済時間が長くなっています。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する必要があります。理想的なスケーラビリティソリューションは、分散化と安全性を犠牲にせずに、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。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

2. スケーリングソリューションの種類

"主ネットを一層変更するかどうか"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スケーリングとオフチェーンスケーリングの2つの大きなカテゴリに分けることができます。

2.1 オンチェーン拡張

コアコンセプト:一層のメインネットプロトコル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、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

オンチェーンスケーリングの主なソリューション:

ブロックスペースの拡大: 各ブロックにパッケージされる取引の数量を増加させますが、ノードデバイスの要件が高まり、非中央集権の程度が低下します。
シャーディング: 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ます。ノードの負担を軽減し、取引処理速度を向上させますが、ネットワーク全体の安全性は低下します。

レイヤー1のメインネットプロトコルを変更すると、予測できない悪影響が生じる可能性があります。基盤となるわずかなセキュリティの脆弱性は、ネットワーク全体の安全性に深刻な脅威を及ぼす可能性があります。

2.2 オフチェーン拡容

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せずに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構築されたセカンドレイヤーネットワーク、例えばステートチャンネル、プラズマ、ロールアップなど。
他のソリューション: サイドチェーンなど。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

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、チャンネルが開いている、閉じている、または紛争を解決しているときにのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があり、ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われるため、取引時間とコストを削減します。

状態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"、例えば二人用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動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理され、契約はチャネルに預けられた資産を制御し、状態の更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。

3.1.2 タイムライン

2015/02:ジョセフ・プーンとサディアス・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。
2015/11:ジェフ・コールマンが初めてState Channelの概念を体系的にまとめました。
2016/01:ジョセフ・プーンとサデウス・ドライジャが正式にビットコイン・ライトニングネットワークのホワイトペーパーを発表。
2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様であるSpritesが提案されました。
2018/06: Counterfactual は、一般化状態チャネルの詳細設計を提示します。
2018/10: 一般化されたState Channel Networksのコンセプトを提案。
2019/02:ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはこのアイデアに基づく最初のプロトコルです。
2019/10:PisaがWatchtowersの概念を拡張し、参加者が常にオンラインである必要があるという問題を解決しました。
2020/03:Hydraはファストアイソモーフィックチャネルを提案しました。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.1.3 技術原則

ステートチャネルワークフロー:

アリスとボブはメインネットにマルチシグ契約をデプロイし、資金を預け入れ、署名確認後にチャネルをオープンします。
アリスとボブはオフチェーンで無制限の無料取引を行い、毎回の取引で双方が署名して確認します。
チャネルを閉じる必要がある場合、一方がメインネットで取引リクエストを提出します:
- 全員の署名承認を得た場合、直ちに実行します。
- そうでなければ「チャレンジ期間」が終了した後に実行します。
争議が発生した場合、署名付きの詐欺証明書をメインネットに提出できます。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

####3.1.4長所と短所

価値：

予約は即確定
低料金
高スループット
プライバシーが良い

短所：

資金をロックする必要があります
参加者はオンラインでいる必要があります
固定参加者のみに適用されます
通道容量が限られています

3.1.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

ビットコイン・ライトニングネットワーク:ビットコインネットワークの少額支払いチャネル。
イーサリアムライトニングネットワーク: イーサリアムに基づく小額決済チャネル。
Celer Network:インセンティブ層を追加したフラッシュネットワーク。

3.1.6 アプリケーション比較

ライトニングネットワーク、雷電ネットワーク、Celer Networkは、技術的なアプローチ、アプリケーションシナリオ、エコシステムの発展などの面で違いがあります。ライトニングネットワークは比較的成熟しており、雷電ネットワークはゆっくりと発展しており、Celer Networkは新しいアプリケーションシナリオを探索しています。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンは、ビットコインの取引を加速するために登場したブロックチェーンの形態であり、より複雑な契約やコンセンサスメカニズムの改善を使用することができます。サイドチェーンは新しいブロックチェーンではなく、メインチェーンに付随し、メインチェーンの問題を解決するためのインフラストラクチャです。

3.2.2 タイムライン

2012/01:ビットコインのサイドチェーンの概念がチャットルームで提案された
2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
2017/04:POA Networkテストネットがオンラインになりました
2017/10: Matic Networkがローンチ
2017/12:POA Networkメインネットの立ち上げ
2018/01:Skalesテストネットがオンライン
2018/10:xDai Chainテストネット上线
2020/06:Skaleメインネットローンチ
2020/06:イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainメインネットのローンチ
2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
2021/02:Axie InfinityゲームサイドチェーンRoninメインネットが稼働開始
2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併し、Gnosis Chainを結成
2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

3.2.3 技術原則

サイドチェーンは、主に双方向アンカー(対称ペッグ)と非調和アンカー(非対称ペッグ)の2つの方法でメインチェーンと通信します。

双方向のアンカリング: メインチェーンとサイドチェーンのバリデーターがリアルタイムでお互いの状態を記録します。双方向SPV技術を通じて資産移転を実現します。

不協和アンカリング: サイドチェーンのバリデーターがメインチェーンの活動を監視し、メインチェーンがサイドチェーンに送金する際にサイドチェーンが自発的に記録できます。サイドチェーンがメインチェーンに送金する際には、Certifiersメカニズムを導入してサイドチェーンから戻された取引を検証します。

サイドチェーンメカニズムのまとめ: サイドチェーン:メインチェーンが資産をロックし、サイドチェーンがラップされた資産を生成するメインチェーン:サイドチェーンでwrapped assetを消去し、メインチェーンで資産を解除する

サイドチェーン資産の安全性は、サイドチェーンのコンセンサス機構に依存します。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

####3.2.4長所と短所

価値：

高スループット
低料金
迅速な確認が可能 -柔軟性

短所：

セキュリティが低い
分散化の度合いが低い
サイドチェーンのバリデーターを信頼する必要があります

3.2.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

xDai(は現在Gnosis Chain)に改名されました: トークンはドルと1:1でペッグされたサイドチェーンです。
ポリゴン: イーサリアムのスケーリングソリューションアグリゲーター。
Ronin:Axie Infinityゲームサイドチェーン。

3.2.6 アプリケーションの比較

xDai、Polygon、Roninは、コンセンサス機構、アプリケーションシーン、エコシステムの発展などの面で違いがあります。xDaiは支払いに特化しており、Polygonは多様なエコシステムを提供し、Roninはゲームアプリケーションに特化しています。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.3 プラズマ

3.3.1まとめ

PlasmaはスケーラブルなDappを構築するためのフレームワークです。サイドチェーンの進化的な解決策として、Plasmaはユーザーのサイドチェーンオペレーターへの信頼を最小限に抑えることを目的としています。Plasmaの基本原則は、Plasmaチェーンにセキュリティ障害が発生しても、すべてのユーザー資産はメインネットに撤回できるということです。