# 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は壮大なビジョンです：分散化、安全性、そしてスケーラビリティ。しかし、通常ブロックチェーンはそのうちの2つしか実現できず、3つの要件を同時に満たすことはブロックチェーンの不可能三角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、すなわち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問題を解決することについて議論してきました。これは現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットトピックの1つです。まずは、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、スケーラビリティを概括的に定義しましょう:- 分散型: 誰でもノードとなり、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まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者によって支配されることを防ぎます。- 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かかるコストが高いほど、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。ビットコインのユーザー数と取引量の増加に伴い、各ブロックの上限が1MBの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を巡って意見が分かれており、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持する派閥、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小さなブロック派閥で、隔離証明Segwitの方案を用いてメイン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は自ら開発した8MBのクライアントシステムを稼働させ、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、それによって新しい通貨BCHが誕生しました。同様に、イーサリアムネットワークもネットワークの安全性と非中央集権性を保証するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しています。イーサリアムネットワークは、ビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限することによって取引量を制限しているわけではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設定する形に変わっていますが、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(。上限を撤廃するか引き上げるかにかかわらず、多くの帯域幅、ストレージ、および計算能力が不足している小規模ノードは淘汰されます)。2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭により、市場のスループットに対する需要は増加し続けていますが、チューリング完全なイーサリアムでも毎秒15～45件の取引(TPS)しか処理できず、その結果、取引コストは増加し、決済時間は長くなり、大部分のDappsは運用コストを負担できなくなっています。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り、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、非中央集権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(より短いファイナリティタイム)と取引スループット(より高いTPS)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](https://img-cdn.gateio.im/social/moments-7d930821d982f99c43cf5400e4db2175)## 2. スケーラビリティソリューションの種類"主ネットワークのレイヤーを変更するかどうか"を基準として、拡張方案を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ます。### 2.1 チェーン上のスケーリングコアコンセプト: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解決策であり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。オンチェーンのスケーリングには様々なソリューションがあり、この記事では詳細を述べず、以下に2つのソリューションを簡単に列挙します:- プラン1はブロックスペースを拡大することで、つまり各ブロックにパッケージされるトランザクション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、ノードの参加ハードルを上げ、「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、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割し、すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、つまり異なるノードが異なる記帳を担当し、並行計算によって複数の取引を同時に処理できます。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、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。しかし、これは全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「セキュリティ」を低下させることになります。主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予測できない悪影響をもたらす可能性があります。なぜなら、基盤となる微細なセキュリティホール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す。ネットワークはフォークや中断修復アップグレードを余儀なくされる可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレーション脆弱性事件があります。ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されたもので、2018年にあるエンジニアがその基盤となるコードに高危険度の脆弱性があることを発見しました。つまり、トークンが無限に発行可能であるというものでした。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、脆弱性が修正された後にこの事件を公表しました。### 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。オフチェーンのスケーリングソリューションは、Layer2 およびその他のソリューションに細分化することができます:- Layer2: 主ネットワークの上に追加のネットワーク層を構築することにより、大部分の取引処理と計算をこの層に移し、取引スループットを向上させ、コストを削減します。主にステートチャネル、Plasma、Rollupsなどが含まれます。- その他のプラン:サイドチェーンなどの独立したブロックチェーンネットワークがメインネットとクロスチェーンインタラクションを行います。! [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](https://img-cdn.gateio.im/social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e)## 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インタラクションする必要があると規定しており、ユーザー間のインタラクションはオフチェーンで行われ、ユーザーの取引の時間と金銭的コストを削減し、取引回数に制限がないことを実現しています。ステートチャンネルは、シンプルなP2Pプロトコルで、"ターンベースのアプリケーション"に適しており、例えば二人のチェスゲームなどです。各チャンネルは、メインネット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、この契約はチャンネルに預けられた資産を制御し、ステータスの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します(。参加者はブロックチェーンネットワークに契約を展開した後、資金を預けてロックし、双方が署名を確認した後、チャンネルが正式に開通します。チャンネルは、参加者間で無制限の回数のオフチェーン無料取引を可能にします)、ただし、彼らの送金のネットワースが預けられ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、争いが発生した場合やチャンネルを閉じる際にのみ、メインネットの確認に依存します。チャン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、もし退出リクエストが全員一致で署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行されます。つまり、スマートコントラクトはチャンネルの最終状態における各参加者の残高に基づいて、残りのロック資金を分配します。もし他の参加者が署名承認しなかった場合、全員が"チャレンジ期間"の終了を待たなければ、残りの資金を受け取ることはできません。以上のように、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。! [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])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5()# 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年11月、ジェフ・コールマンは初めてステートチャンネルの概念を体系的にまとめ、ビットコインのペイメントチャンネルはステートチャンネルの概念の一つのサブケースであると提案した。- 2016/01、Joseph PoonとThaddeus Dryjaは正式にホワイトペーパー『The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments』を発表し、ビットコインのスケーラビリティ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支払いを処理するためのものです。- 2017年11月、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初の設計仕様であるSpritesが提案されました。- 2018/06年、Counterfactualは、非常に詳細なGeneralized State Channelsデザインを提案しましたが、これはState Channelsに完全に関連する最初のデザインでした。- 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はこ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継続的にオンラインである必要があるという問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。- 2020/03,Hydra がファストアイソモーフィックチャネルを提案。! [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])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709()# 3.1.3 技術原則ステートチャネルの基本的なワークフローは次のとおりです:1. アリスとボブは、個人のEOAから資金をオンチェーン契約アドレスに入金することにより、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じられるまで残高がユーザーに返されません。両者が署名を確認した後、二人の間の状態チャネルが正式に開通します。2. アリスとボブは、このチャネルを通じて理論上、オフチェーンで無制限に取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージで相互に通信###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、二重支払いの悪用を防ぐために、各取引に署名する必要があります。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。3. アリスがボブとの取引を終了するためにチャ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を提出する必要があります。ボブが署名して承認すれば、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。4. もしボブが彼のターンでアリスから送られたステータス更新署名に応答しない場合、アリスは契約に自分の最後の有効なステータスを提出することで挑戦を開始できます。この有効なステータス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を証明し、最終ステータスがボブの確認を受けたことを示します。その後、契約はボブが次のステータスを契約に提出することで応答することを許可します。ボブが応答すれば、二人はステータス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い場合、契約は自動的にステータスチャネルを閉じ、資金をアリスに返還します。! [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])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa()# 3.1.4 メリットとデメリット価値：- 即時性:取引は即座に完了し、ブロックの確認を待つ必要はありません- プライバシー:最終状態のみがオンチェーンされ、中間プロセスは公開されません- スケーラビリティ:無限のオフチェーン取引をサポートできます- 低コスト:オフチェーン取引は基本的に手数料がかかりません短所：- 可用性:参加者はオンラインでいる必要があります- 資金効率が低い:資金がロックされている期間は使用できない- 複雑性:開発者とユーザーの両方に一定のハードルがある- 流動性制限:チャネル内の資金は限られています- 適用性が限られている: 主に頻繁に相互作用する両者に適している! [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]###https://img-cdn.gateio.im/social/moments-010d7309e0cc697da400d07e6948a16e()# 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、その全体的な技術進化は次のように進んできました: 2/2 マルチシグによる一方向決済チャネルの構築、RSMC###可撤回順序成熟契約(の追加により双方向決済チャネルが構築可能になり、次に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が複数人の支払いに拡張され、最終的に決済ネットワークすなわちライトニングネットワークが構築されます。オフチェーンの小額決済を通じて
オフチェーン拡張ソリューションのデプス分析：状態チャネルからライトニングネットワークへ
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は壮大なビジョンです：分散化、安全性、そしてスケーラビリティ。しかし、通常ブロックチェーンはそのうちの2つしか実現できず、3つの要件を同時に満たすことはブロックチェーンの不可能三角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、すなわち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問題を解決することについて議論してきました。これは現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットトピックの1つです。
まずは、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、スケーラビリティを概括的に定義しましょう:
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。ビットコインのユーザー数と取引量の増加に伴い、各ブロックの上限が1MBの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を巡って意見が分かれており、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持する派閥、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小さなブロック派閥で、隔離証明Segwitの方案を用いてメイン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は自ら開発した8MBのクライアントシステムを稼働させ、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、それによって新しい通貨BCHが誕生しました。
同様に、イーサリアムネットワークもネットワークの安全性と非中央集権性を保証するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しています。イーサリアムネットワークは、ビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限することによって取引量を制限しているわけではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設定する形に変わっていますが、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(。上限を撤廃するか引き上げるかにかかわらず、多くの帯域幅、ストレージ、および計算能力が不足している小規模ノードは淘汰されます)。
2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭により、市場のスループットに対する需要は増加し続けていますが、チューリング完全なイーサリアムでも毎秒15～45件の取引(TPS)しか処理できず、その結果、取引コストは増加し、決済時間は長くなり、大部分のDappsは運用コストを負担できなくなっています。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り、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、非中央集権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(より短いファイナリティタイム)と取引スループット(より高いTPS)を向上させることです。
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2. スケーラビリティソリューションの種類
"主ネットワークのレイヤーを変更するかどうか"を基準として、拡張方案を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ます。
2.1 チェーン上のスケーリング
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解決策であり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。
オンチェーンのスケーリングには様々なソリューションがあり、この記事では詳細を述べず、以下に2つのソリューションを簡単に列挙します:
主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予測できない悪影響をもたらす可能性があります。なぜなら、基盤となる微細なセキュリティホール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す。ネットワークはフォークや中断修復アップグレードを余儀なくされる可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレーション脆弱性事件があります。ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されたもので、2018年にあるエンジニアがその基盤となるコードに高危険度の脆弱性があることを発見しました。つまり、トークンが無限に発行可能であるというものでした。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、脆弱性が修正された後にこの事件を公表しました。
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。
オフチェーンのスケーリングソリューションは、Layer2 およびその他のソリューションに細分化することができます:
Layer2: 主ネットワークの上に追加のネットワーク層を構築することにより、大部分の取引処理と計算をこの層に移し、取引スループットを向上させ、コストを削減します。主にステートチャネル、Plasma、Rollupsなどが含まれます。
その他のプラン:サイドチェーンなどの独立したブロックチェーンネットワークがメインネットとクロスチェーンインタラクションを行います。
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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インタラクションする必要があると規定しており、ユーザー間のインタラクションはオフチェーンで行われ、ユーザーの取引の時間と金銭的コストを削減し、取引回数に制限がないことを実現しています。
ステートチャンネルは、シンプルなP2Pプロトコルで、"ターンベースのアプリケーション"に適しており、例えば二人のチェスゲームなどです。各チャンネルは、メインネット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、この契約はチャンネルに預けられた資産を制御し、ステータスの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します(。参加者はブロックチェーンネットワークに契約を展開した後、資金を預けてロックし、双方が署名を確認した後、チャンネルが正式に開通します。チャンネルは、参加者間で無制限の回数のオフチェーン無料取引を可能にします)、ただし、彼らの送金のネットワースが預けられ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、争いが発生した場合やチャンネルを閉じる際にのみ、メインネットの確認に依存します。チャン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、もし退出リクエストが全員一致で署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行されます。つまり、スマートコントラクトはチャンネルの最終状態における各参加者の残高に基づいて、残りのロック資金を分配します。もし他の参加者が署名承認しなかった場合、全員が"チャレンジ期間"の終了を待たなければ、残りの資金を受け取ることはできません。
以上のように、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。
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)# 3.1.2 タイムライン
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)# 3.1.3 技術原則
ステートチャネルの基本的なワークフローは次のとおりです:
アリスとボブは、個人のEOAから資金をオンチェーン契約アドレスに入金することにより、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じられるまで残高がユーザーに返されません。両者が署名を確認した後、二人の間の状態チャネルが正式に開通します。
アリスとボブは、このチャネルを通じて理論上、オフチェーンで無制限に取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージで相互に通信###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、二重支払いの悪用を防ぐために、各取引に署名する必要があります。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。
アリスがボブとの取引を終了するためにチャ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を提出する必要があります。ボブが署名して承認すれば、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。
もしボブが彼のターンでアリスから送られたステータス更新署名に応答しない場合、アリスは契約に自分の最後の有効なステータスを提出することで挑戦を開始できます。この有効なステータス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を証明し、最終ステータスがボブの確認を受けたことを示します。その後、契約はボブが次のステータスを契約に提出することで応答することを許可します。ボブが応答すれば、二人はステータス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い場合、契約は自動的にステータスチャネルを閉じ、資金をアリスに返還します。
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)# 3.1.4 メリットとデメリット
価値：
短所：
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)# 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、その全体的な技術進化は次のように進んできました: 2/2 マルチシグによる一方向決済チャネルの構築、RSMC###可撤回順序成熟契約(の追加により双方向決済チャネルが構築可能になり、次に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が複数人の支払いに拡張され、最終的に決済ネットワークすなわちライトニングネットワークが構築されます。オフチェーンの小額決済を通じて