オフチェーンスケーリング分析:State Channelsテクノロジーの原理と応用

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、スケーラビリティを実現することですが、通常は同時に2つの要素しか満たすことができず、これ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を模索してきました。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の発展におけるホットなトピックの1つです。

分散化、セキュリティ、スケーラビリティの定義:

  • 分散型: 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分散化の程度が高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者によって制御されないことが保証されます。

  • セキュリティ: ブロックチェーンシステムのコントロールを取得するコストが高いほど、セキュリティが高くなり、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から始まりました。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ではスケーラビリティの問題に対して意見が分かれ、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ブロックのクライアントシステムを開発し運用を開始したため、ビットコインは初めての重大なハードフォークが発生し、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、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設定することで取引量を制限しています。目的は、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です。

2017年のCryptoKittiesから、DeFiサマー、GameFi、NFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭まで、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1秒あたり15〜45件のトランザクションしか処理できず、取引コストが上昇し、決済時間が長くなり、ほとんどのDAppは運営コストに耐えきれなくなり、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

私たちは「メインネットの層を変更するかどうか」を基準として、スケーリングソリューションを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ーに分けています。

2.1 チェーン上の拡張

コアコンセプト:メイン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挙げます:

  • 方案一はブロックスペースを拡大することであり、すなわち各ブロックにパッキングされるトランザクションの数を増やすことですが、これによりノードデバイスの要件が高まり、参加のハードルが上がり、分散化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、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トランザクションを同時に処理できる。これにより、ノードの負荷と参加のハードルを下げ、トランザクション速度と分散化の程度を向上させることができる。しかし、全ネットワークの計算能力が分散されるため、ネットワーク全体のセキュリティが低下することを意味する。

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、基盤となる微細な脆弱性が全体のネットワークセキュリティに深刻な脅威を及ぼすからです。ネットワークはフォークを強いられたり、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。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件:その基盤コードには高リスクの脆弱性があり、トークンは無限に発行可能でした。チームは8ヶ月間秘密裏に修正を行い、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拡張ソリューション。

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:

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

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3. オフチェーン拡容の方案

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、チャネルがオープン、クローズ、または紛争の解決時にのみ、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うことで、取引時間とコストを削減し、取引回数に制限がないことを実現します。

ステートチャネルは、P2Pプロトコルの一種であり、「ターンベースのアプリケーション」、例えば2人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、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、状態更新を検証し、参加者間の紛争を仲裁します。参加者は、コントラクトを展開した後に資金を預け入れ、ロックし、双方が署名を確認した後にチャネルが正式に開通します。チャネルは、参加者間で、資金の総額(を超えない限り、無制限のオフチェーン無料取引を行うことを許可します。参加者は交互に状態更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名を確認すると、その状態更新は完了と見なされます。通常、双方が合意した状態更新はメインネットにはアップロードされず、紛争が発生したり、チャネルが閉じられた場合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、いずれかの参加者がメインネットに取引リクエストを提出でき、全員の署名によって承認されれば即座に実行されます。そうでない場合は、「チャレンジ期間」が終了するまで残りの資金を受け取ることができません。

以上のように、ステートチャンネルの方案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、取引コストを下げることができます。

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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、ビットコインPayment ChannelはState Channelのサブケースであると提案しました。

  • 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、ビットコインの拡張ソリューションであるペイメントチャネルを提案しました。これはビットコインネットワーク上の送金支払いにのみ使用されます。

  • 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が提案される。

  • 2018/06: Counterfactual は、最初の完全な状態関連設計である詳細な一般化状態チャネル設計を提示します。

  • 2018/10: 記事「一般化された国家チャネルネットワーク」では、国家チャネルネットワークと仮想チャネルの概念が提案されています。

  • 2019/02: ステートチャンネルの概念が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オンラインである必要がある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ルフィックチャ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: 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インタラクションを行い、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。欠点は、時間とコストの問題を引き起こすことです。

ステートチャンネルのワークフロー:

  1. アリスとボブは個人EOAから資金をチェーン上のコントラクトアドレスに入金し、資金は通道が閉じるまでコントラクトにロックされ、ユーザーに返還される。二人の署名確認後、ステータスチャネルが正式に開通する。

  2. アリスとボブはオフチェーンで無制限に取引を行うことができ、暗号署名メッセージを通じて相互に通信します。双方はそれぞれの取引に署名する必要があり、ダブルスペンドの悪用を防ぎます。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. アリスがチャネルを閉じたい場合、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が終了した後にロックされた資金を対応するユーザーに返します。

悲観的な状況下でのワークフロー:

  1. 二人の参加者が資金を預け、状態の更新を交換し始めます。

  2. ある時、ボブがアリスから送られた状態更新署名に応答しないと仮定します。アリスは契約に自分の最後の有効な状態を提出して挑戦を開始することができ、その状態にはボブの以前の署名が含まれています。

  3. コントラクトはボブが次の状態応答を提出することによって、一定期間内に許可される; ボブが応答すれば、二人は取引を続けることができる; ボブが応答しなければ、コントラクトは自動的に状態チャネルを閉じ、資金をアリスに返す。

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)#3.1.4長所と短所

価値:

  • 即時性:取引はすぐに完了し、ブロック確認を待つ必要はありません
  • プライバシー:オンとオフの操作のみがチェーン上で行われ、他の取引はオフチェーンで完了します。
  • スケーラビリティ:オフチェーン取引の数量に制限はありません
  • 低コスト: チャンネルの開閉にのみガス代が必要です

短所:

  • 資金ロック: 通道に一定量の資金をロックする必要があります
  • 継続的にオンライン: 参加者は最新の状態に応答するためにオンラインでいる必要があります
  • 多方面のインタラクションが制限されています: 事前に定義された参加者間のみで適用されます
  • 通道ネットワークの複雑性:資金は双方を接続するパスを見つける必要がある
  • 複雑な計算には適していない: 簡単で頻繁なインタラクションシーンにのみ適している

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、技術の進化は次の通りです: 2/2マルチシグによる一方向支払いチャネルの構築、RSMCの追加で双方向支払いチャネルの構築、さらにHTLCの追加で支払いチャネルを拡張し複数人による支払いが可能になり、最終的に支払い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、中間業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ラビリティの問題を解決できます。"預金###チャネルを構築(→ライトニングネットワーク取引)チャネルの状態を更新(→返金/決済)チャネルを終了("に従ったプロセスを使用します; 理論的には毎秒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
  • 2016年1月:公式ホワイトペーパーを公開し、Lightning Labsを設立
  • 2018年3月15日:Lightning Labsは最初のメインネットバージョンLND 0.4をリリースしました
  • 2021年初頭:約4,000万ドルの公開容量、約10万人のユーザーが使用
  • 2021年6月:エルサルバドルがビットコインを法定通貨として採用し、9月にライトニングネットワークに基づくウォレットChivoを発表
  • 2022年:Cash Appと26の暗号通貨取引プラットフォームがライトニングネットワークのサポートを発表
  • 2022年10月:Lightning LabsはTaprootを基にしたTaroプロトコル)のアルファ版(を発表しました。
  • 2022年11月23日:ライトニングネットワークには76,236のペイメントチャネルがあり、チャネルの資金は5049 BTC)$81.8M(です。

エコロジーの発展: ライトニングネットワークのエコシステムは、下から上へと次のようになります: 基盤となるBTCネットワーク---コアインフラストラクチャ---さまざまなDapps。

コアインフラには次が含まれます:

  • ライトニングネットワークソリューション: 個人および企業がライトニングネットワークを運営し接続するためのソフトウェアプログラムで、市場シェアが最も大きいのはLightning Labsです。
  • ノードと流動性サービス: ユーザーフレンドリーなインターフェースを提供し、ライトニングペイメントチャンネルの管理を支援します。

コアインフラの上には、BTCの売買を可能にするStrikeや、Twitterのチップ、Shopifyの商人がBTCを受け入れるなど、さまざまな支払いと金融サービスおよびアプリケーションがあります。

2022年11月時点で、ライトニングネットワークに基づくDappsは20を超えるカテゴリと100以上のアプリケーションに増加しており、支払い、ウォレット、ノード管理、ブラウザ拡張、ポッドキャスト、ストリーミングなどが含まれています。現在、ノードインフラストラクチャに関連する技術の基盤はほぼ成熟しており、ウォレットのサポートも増加し、金融サービスや支払いの統合が引き続き成長しており、より多くのエンターテイメントアプリケーションが構築中で、エコシステムは繁栄しています。

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イーサリアムライトニングネットワーク

概要: 雷電ネットワークは、Ethereumに基づく少額決済チャンネルであり、ライトニングネットワークに非常に似ています。どちらも状態チャンネルを構築することでオンチェーン取引を拡張し、Ethereum上でほぼ即時、低コスト、かつスケーラブルなERC20トークン決済を実現することを目的としています。

タイムライン:

  • 2017年度
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コメント
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BlockchainBouncervip
· 14時間前
学びました 頂
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TestnetNomadvip
· 14時間前
聖なる三位一体は偽命題です
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