オフチェーン拡張ソリューションの全解析：State ChannelsからRollupsまでの技術進化

2025-07-15 21:22:37

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、去中心化、安全性、拡張性を実現することですが、通常はそのうちの2つしか実現できません。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、人々は去中心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、つまりスケーラビリティの問題を解決する方法を探求してきました。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、拡張性を大まかに定義しましょう:

非中央集権:誰でもノードになってブロックチェーンシステムに参加でき、ノードの数が多いほど非中央集権の度合いが高くなります。
安全性: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、安全性が高くなり、チェーンはより大きな割合の攻撃に耐えることができる。
スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量のトランザクションを処理する能力。

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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のブロック上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ついて意見が分かれ、一方はブロックの拡大を支持し、もう一方は隔離証人（SegWit）ソリューションを使用してメインチェーンの構造を最適化することを支持しました。2017年8月1日、大きなブロックを支持する側が独自に8MBのクライアントシステムを開発し、ビットコインは初めての重大なハードフォークを迎え、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、部分的なスケーラビリティを犠牲にすることを選択しました。イーサリアムはビットコインのようにブロックサイズに制限を設けていませんが、単一のブロックの燃料費に上限を設定することで、信頼のない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、そしてGameFiやNFTの台頭まで、市場はスループットの需要が増加し続けています。しかし、イーサリアムは毎秒15〜45件の取引しか処理できず、取引コストが上昇し、決済時間が長くなり、ほとんどのDAppは運用コストを負担することが困難です。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、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

「主ネットを一層変更するかどうか」に基づいて、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によって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、この記事では詳細には触れず、2つの例を簡単に挙げます:

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しますが、ノードデバイスに対する要求が高まり、分散化の程度が低下します。
シャーディングは、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るようにします。これにより、ノードの計算負荷と参加の敷居が下がり、取引処理速度と非中央集権性が向上しますが、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。

メインネットプロトコルのレイヤーを変更することは、予測できない悪影響を引き起こす可能性があり、基盤となる微細なセキュリティの脆弱性は、ネットワークの全体的なセキュリティに深刻な脅威をもたらす。

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されます:

Layer2:ステートチャネル、プラズマ、ロールアップ
その他:サイドチェーン、バリディウム

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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、チャネルがオープン、クローズ、または紛争解決されるときにのみ、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ことを規定しており、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、取引時間とコストを削減し、取引回数の制限をなくします。

ステートチャネルは、ターン制アプリケーションに適したシンプルなP2Pプロトコルであり、例えば二人のチェスゲームなどです。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。
2015/11:ジェフ・コールマンが初めてステートチャネルの概念を体系的にまとめました。
2016/01:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャ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。
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: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が紹介されました。
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問題を解決しました。
2020/03:ハイドラがファストアイソモーフィックチャネルを提案。

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3.1.3 技術原則

ステートチャネルの一般的なワークフロー:

参加者はメインネットのスマートコントラクトに資金を預けてチャネルを開きます。
参加者はオフチェーンで回数無制限の取引を行い、署名メッセージを通じて相互に通信して状態を更新します。
チャネルを閉じる際、参加者はメインネットのコントラクトに最終状態を提出します。全員の署名が得られれば、即座に実行します; 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。
争議が発生した場合、メインネット契約に対して詐欺の証明を提出して異議を申し立てることができます。

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3.1.4 メリットとデメリット

価値：

即時確認、低取引手数料
高スループット、スケーラビリティが高い
プライバシーが良い

短所：

資金を事前に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
オープン参加型アプリケーションには適用されません
通路の設立と閉鎖のコストが高い

3.1.5 アプリケーション

主要アプリケーション:ビットコインライトニングネットワーク、イーサリアムライトニングネットワーク、Celer Network。

ビットコインのライトニングネットワーク:

2015年に提案され、2018年3月にメインネットが公開されました
2022年11月時点で、76,236の支払いチャネルと5049 BTCのロックがありました。

イーサリアムレイテンネットワーク:

2017年に設立され、2020年5月にメインネットを発表
現在、開発の進展が不足しており、複数の取引所がトークンRDNを上場廃止しました

セラーネットワーク:

2018年に設立され、インセンティブ層を追加
高頻インタラクションアプリケーション、例えばeスポーツプラットフォームに適しています。

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は現在最も成功している状態チャネルアプリケーションであり、エコシステムは比較的整っています。雷電ネットワークの発展は比較的遅いです。Celer Networkはインセンティブレイヤーを追加することで、より多くのアプリケーションシナリオを拡張しました。

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、より複雑な契約やコンセンサス機構の改善を使用できます。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、検証者の側に記録されます。

3.2.2 タイムライン

2012/01:ビットコインサイドチェーンの概念がチャットルームで提案される
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メインネットのローンチ
2018/01:Skaleテストネット上线
2018/10:xDai Chainテストネットオンライン
2020/06:Skaleメインネットのローンチ、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メインネット稼働
2021/12:xDaiチェーンとGnosis Daoが合併してGnosisチェーンになりました
2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

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3.2.3 技術原則

サイドチェーンの主な技術原理には、

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は、リアルタイムで互いの現在の状態を記録します。
不調和なアンカー: サイドチェーンのバリデーターはメインチェーンの活動を監視しなければならないが、メインチェーンはサイドチェーンの状態を確認できず、Certifiersメカニズムを導入する必要がある。
アセットクロスチェーン:
- メインチェーン→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アセットを生成する
- サイドチェーン→メインチェーン:サイドチェーンがwrapped assetを焼却し、メインチェーンが資産をロック解除する

サイドチェーン上の資産の安全性は、サイドチェーンの安全性、主にそのコンセンサスメカニズムに依存します。

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3.2.4 メリットとデメリット

価値：

高速で低コストの取引が実現可能
より複雑なスマートコントラクトをサポート可能
メインチェーンの安全性と非中央集権性に影響を与えない

短所：

連合署名メカニズムに依存する必要があり、安全性が低い
クロスチェーンブリッジは攻撃の標的になる可能性があります
メインチェーン資産はブリッジ上にロックする必要があります
バリデーターの誠実性に完全に依存する

3.2.5 アプリケーション

主な用途:Gnosis Chain(オリジナルxDai)、Polygon、Ronin

グノーシスチェーン:

2018年9月にメインネットがローンチ
2021年にGnosis DAOと合併
PoSDAOモデルを採用し、ステーキングで15%のAPRを得ることができます。
現在のTVLは約$53Mで、35の稼働プロジェクトがあります。

ポリゴン:

2017年に設立、2020年6月にメインネットがローンチ
2021年2月に名称変更し、スケーリングソリューションアグリゲーターに転換
エコシステムが急速に発展しており、37k+のDAppを持っています
現在のTVLは約$1.07Bです。

ロニン:

Axie Infinityゲームのために開発されたサイドチェーン
2021年3月メインネットローンチ
PoAコンセンサスを採用し、最大25のバリデータノード
2022年3月に6.25億ドルのハッキング攻撃を受けた

3.2.6 アプリケーション比較

Gnosis Chainはステーブルコインの支払いに特化し、Polygonは最も迅速かつ包括的に発展しており、Roninはゲーム専用で設計されていますが、安全性には疑問があります。Polygonはエコシステムの構築、技術革新、資金力の全てにおいて先行しています。

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。それはサイドチェーンの進化的な解決策として登場し、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の問題が発生しても、ユーザーの資産はメインネットに撤回できるということです。