オフチェーン拡張デプス解析

著者: Cobo Ventures

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、非中央集権、安全性、そして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、これをブロックチェーンの不可能三角問題と呼びます。何年もの間、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。非中央集権と安全性を保証しつつ、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、つまりスケーラビリティの問題を解決することは、現在のブロックチェーン発展プロセスにおけるホットな話題の一つです。

ブロックチェーンの非中央集権、安全性、およびスケーラビリティの定義:

• 非中央集権: 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、ノードの数が多いほど、非中央集権の程度が高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権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、チェーンはより多くの参加者による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。

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ビットコインネットワークの初めての重大なハードフォークは拡張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のブロック上限を持つビットコインネットワークは混雑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拡張問題において意見の相違があり、一方はブロックの拡大を支持する拡張派、もう一方はSegwit方案を用いた小さなブロック派を支持しました。2017年8月1日、拡張派は独自に8MBのクライアントシステムを開発し、運用を開始しました。これによりビットコインの歴史において初めての重大なハードフォークが発生し、新しいコイン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。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するのではなく、単一のブロックが受け入れられる燃料費に上限を設ける形に変わりましたが、その目的は信頼のない合意を実現し、ノードの広範な分布を確保することです。

2017年のCryptoKitties、DeFiの夏、次にGameFiやNFTなどの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はますます高まっています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり15〜45のトランザクション(TPS)しか処理できず、これがトランザクションコストの増加を引き起こし、決済時間が長くなり、ほとんどの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問題は解決が急務です。理想的なスケーリングソリューションは、非中央集権性と安全性を犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの取引速度と取引スループットを可能な限り向上させることです。

2. スケーリング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"を基準として、拡張プランをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大カテゴリに分けています。

2.1 チェーン上拡張

コア概念:主ネットワークプロトコルの1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。

チェーン上のスケーラビリティにはさまざまなソリューションがありますが、この記事では詳しく説明せず、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、つまり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、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、ノードの参加障壁が上昇し、「非中央集権」の程度が低下します。

• 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ます。各ノードがすべての記録を行うのではなく、異なるシャード、すなわち異なるノードが異なる記録を担当し、並行計算により同時に複数の取引を処理できます。このようにして、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能力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「安全性」が低下することになります。

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引き起こ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の欠陥は、ネットワーク全体の安全性に深刻な脅威をもたらすからです。ネットワークは、フォークを強いられたり、中断修復アップグレードを行わざるを得ない状況に陥る可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレ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。これは、トークンが無限に発行できるというもので、チームは8ヶ月間秘密裏に修正を行い、脆弱性の修正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せずに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とその他のソリューションに細分化できます:

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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対話する必要があることを規定しており、ユーザー間の対話はオフチェーンで行われることで、ユーザーの取引の時間とコストを削減し、取引回数の制限をなくすことができます。

ステートチャンネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターン制アプリケーション"に適しています。例えば、2人のチェスゲームです。各チャン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、参加者間の争議を仲裁します(署名とタイムスタンプを持つ詐欺証明)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、双方が署名確認を行った後、チャンネルは正式に開通します。チャンネルは参加者間での無制限のオフチェーン無料取引(を可能にします。条件は、彼らの送金の純額が預けられたトークンの総額)を超えない限りです。参加者は交互にステータス更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。一度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、争議が発生したり、チャンネルが閉じられたりする場合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ます。もし退出リクエストが全員一致の署名承認を得た場合、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ンネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を確認し、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承認しなかった場合、全員は"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ができません。

以上から、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・コールマンが初めて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の概念の一つのサブケースであることを提案した。

• 2016/01、ジョセフ・プーンとサディアス・ドライヤ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のみを処理するために使用されます。

• 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常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はファストアイソモルフィックチャネルを提案しました。

3.1.3 技術原則

図1は、従来のオンチェーン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、ユーザーはオンチェーンにトランザクションを送信してスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は、上記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、ほとんどの状態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:楽観的な場合、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、状態チャネルを使用します。

• 最初のステップとして、AliceとBobは個人EOAから資金をオフチェーン契約アドレス(に入金し、1,2)を相互にやり取りします。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ユーザーに残高が返されることはありません。二人が署名を確認した後、二人の間のステートチャネルが正式に開通します。

• 第二歩、AliceとBobはこのチャネルを通じて理論的にオフチェーンで無制限に取引を行うことができる(青い破線)。参加者は暗号化された署名メッセージを通じて互いに通信し(、ブロックチェーンネットワークとは通信しない)。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る。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る。

• 第三ステップ、もし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(インタラクション3)を提出する必要があります。もし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(インタラクション4,5)に返還します。もしボブが署名に応答しなければ、契約はチャレンジ期間の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状態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(インタラクション1, 2)を預け入れ、その後、状態更新(青い破線)を交換し始めます。ある時点で、Bobが彼のターンでAlice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、Aliceは契約に自分の最後の有効な状態を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Bobの以前の署名も含まれており、最後の取引がBobの承認を受けたことを証明し、最終状態がBobの確認を受けたことを示します。その後、契約はBobが一定期間内に次の状態を契約に提出することで応答することを許可します。もしBobが応答すれば、2人は状態チャネル内で取引を続けることができます。もしBobがその期間内に応答しない場合、契約は自動的に状態チャネルを閉じ、資金をAliceに返します(インタラクション5)。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 瞬時的な決定論
• 極めて低い手数料
• プライバシーが良い
• 高いスケーラビリティ -柔軟性

短所：

• すべての参加者が常にオンラインである必要があります
• 複雑な計算には適していない
• 通道を構築するための初期コストが高い
• スケーラビリティが悪い
• 資金を預けてロックする必要があります

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行します: 2/2マルチシグで単方向決済チャネルを構築し、RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract)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(Hash Time Lock Contract)を追加することで決済チャネルを複数人の決済に拡張でき、最終的には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、仲介者を利用して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リング問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は「デポジット(チャネルを開設)→ライトニングネットワーク取引(チャネルの状態を更新)→払い戻し/清算(チャネルを終了)」というプロセスに従います; 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、ジョセフ・プーンとタデウス・ドリヤが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10万人未満がライトニングネットワークを使用していました。