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オフチェーン拡張技術デプス解析：ステートチャネルとサイドチェーンの原理と応用
オフチェーン拡張デプス解析
1. スケーリングの必要性
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三角問題」と呼ばれています。長年にわたり、人々は分散化と安全性を確保しながら、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、つまりスケーラビリティの問題を解決する方法を探求してきました。これは現在のブロックチェーンの発展におけるホットな話題の1つです。
ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティは次のように定義できます:
非中央集権: だれでもノードになり、ブロックチェーンシステムに参加できます。ノードの数が多いほど、非中央集権の度合いが高まり、ネットワークが少数の中央集権的な参加者によって制御されないことを保証します。
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コストが高いほど、セキュリティは高くなり、オフチェーンは大きな割合の参加者の攻撃に耐えることができる。
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。
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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、一方はブロックを拡大することを支持し、もう一方は隔離証人を使用してメインチェーンの構造を最適化することを主張しました。2017年8月1日、スケーラビリティを支持する側が独自に8MBのブロックチェーンを開発し、ビットコインの初めての重大なハードフォークを引き起こし、新しい通貨であるBCHが誕生しました。
イーサリアムネットワークは、セキュリティと非中央集権を保証するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択し、ガス料金の上限を設定して取引量を制限しています。2017年のCryptoKittiesからDeFi、GameFi、NFTの台頭に至るまで、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、イーサリアムは1秒あたり15～45件の取引しか処理できず、取引コストが上昇し、決済時間が延び、大多数のDAppは運営コストを負担できなくなっています。その結果、ネットワーク全体が遅く高くなり、スケーリング問題の解決が急務となっています。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、可能な限り取引速度とスループットを向上させることです。
2. スケーラビリティソリューションの種類
"メインネットのレイヤーを変更するかどうか"に従って、スケーリングソリューション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ることができます。
2.1 チェーン上の拡張
コア概念:主ネットワークプロトコルの一層を変更することによってスケーラビリティを達成する解決策、現在の主要なソリューションはシャーディングです。
チェーン上のスケーラビリティには多くのソリューションがありますが、ここでは2つの例を簡単に挙げます:
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化されるトランザクションの数を増やすことですが、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、「非中央集権」の程度が低下します。
方案二はシャーディングであり、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割し、異なるシャ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敷居が低下し、取引処理速度と分散化の程度が向上しますが、全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、ネットワーク全体の「セキュリティ」が低下します。
レイヤー1のメインネットプロトコルを変更することは、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。基盤となる微細なセキュリティの脆弱性は、ネットワーク全体の安全を深刻に脅かすことになります。ネットワークは、フォークを余儀なくされるか、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ります。
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せずに拡張するソリューション。
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:
レイヤー2:
その他:
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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際にのみ、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います。ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われ、取引時間とコストを削減し、無制限の取引回数を実現します。
状態チャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターン制アプリケーション"、例えば二人のチェスに適しています。各チャネルはメインネット上のマルチシグスマートコントラクトによって管理され、チャネル資産を制御し、状態更新を検証し、(に基づいて署名されたタイムスタンプ付きの詐欺証明に従って紛争を仲裁します。参加者が契約を展開した後、資金を預けてロックし、双方が署名を確認するとチャネルが正式に開通します。チャネルは、預けた総額)を超えない限り、制限なしにオフチェーンでの無料取引を(行うことができます。参加者は交互に状態更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。通常、状態更新はメインネットにアップロードされず、紛争またはチャネルの閉鎖時にのみメインネットの確認に依存します。チャネルを閉じる際には、いずれかの当事者がメインネットにリクエストを提出でき、全員の署名による承認が得られれば即座に実行されます。そうでなければ、"チャレンジ期間"が終了するのを待つ必要があります。
ステートチャンネルは、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
2015/02:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライヤ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、ビットコインPayment ChannelはState Channelのサブケースであると提案した。
2016/01:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライヤが正式にビットコインのライトニングネットワークのホワイトペーパーを発表し、ペイメントチャネルのスケーリングソリューションを提案しました。
2017/11: Payment Channelに基づく最初のState Channel設計仕様であるSpritesが提案される。
2018/06:Counterfactualは詳細な一般化ステートチャネルの設計を提案し、最初の完全に関連する設計です。
2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が紹介されました。
2019/02:状態チャネルがN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそ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はファスト同型チャンネルを提案しました。
3.1.3 技術原則
従来のオンチェーンワークフロー: ユーザーは、オンチェーン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が、時間とコストの問題が生じます。
ステートチャンネルのワークフロー:
悲観的な状況では、片方が応答しない場合、もう一方は契約に最後の有効な状態を提出して挑戦を開始できます。契約は、相手方が一定の期間内に応答することを許可します。応答がなければ、契約は自動的にチャネルを閉じ、資金を返還します。
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)#3.1.4長所と短所
価値：
短所：
3.1.5 アプリケーション
ビットコインのライトニングネットワーク:
イーサリアムライトニングネットワーク:
セラー ネットワーク:
)# 3.1.6 アプリケーションの比較
ビットコイン・ライトニングネットワーク:
イーサリアムライトニングネットワーク:
セラー ネットワーク:
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) 3.2 サイドチェーン
3.2.1 まとめ
サイドチェーンの概念は2012年にビットコイン開発者のチャットルームで初めて提唱され、2014年に初めて関連する記事が発表されました。サイドチェーンはビットコイン取引を加速させるために登場したブロックチェーンの形態であり、より複雑な契約や合意形成メカニズムの改善を使用することができます。サイドチェーンの取引結果が最終的にメインチェーンに送信される際には、検証者側に記録されます。このモデルはメインチェーンに付随し、問題解決を支援する基盤インフラです。
3.2.2 タイムライン
3.2.3 技術原則
サイドチェーンは、双方向アンカー###対称ペッグ(および非調和アンカー)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。
対称ペッグ:
非対称ペッグ:
現在、多くのサイドチェーンはPoAメカニズムまたはリレイヤーの中間層を使用してメインチェーンのブロック状態を確認しています。
サイドチェーンメカニズムのまとめ:
サイドチェーン資産の安全性はサイドチェーンの安全性、すなわちサイドチェーンのコンセンサスメカニズムに依存します。
![万字デプス研報：全面解析オフチェーン拡容])