# 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、通常はそのうちの2つしか同時に満たすことができません。これをブロックチェーンの不可能な三角問題と呼びます。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、すなわちスケーリング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過程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性、安全性、及びスケーラビリティは大まかに次のように定義される:- デセンタライズ:誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できる。ノードの数が多いほど、デセンタライズの程度が高くなる。- 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必要なコストが高いほど、セキュリティが高まり、チェーンはより多くの参加者から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。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の増加に伴い、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で意見が分かれ、最終的に2017年8月1日にビットコインの歴史上初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。同様に、イーサリアムネットワークもセキュリティと非中央集権を保障するために、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。イーサリアムはブロックサイズを直接制限するのではなく、単一のブロックの燃料費に上限を設けていますが、その目的は信頼のない合意を実現し、ノードが広く分布することを確保するためです。2017年のCryptoKittiesからその後のDeFi、GameFi、NFTなどのアプリケーションの台頭に至るまで、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。しかし、チューリング完全なEthereumでも、1秒あたりに処理できる取引は15～45件しかなく、これにより取引コストが上昇し、決済時間が延び、多くのDAppが運用コストを負担するのが難しくなり、ネットワーク全体が遅くて高価になっています。したがって、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は緊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、分散化と安全性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。! [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. スケーリング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"を基準に、拡張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コンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することでスケーリング効果を達成するソリューションで、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リング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は説明せず、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、すなわち各ブロックにパッケージ化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、ノード参加のハードルが上がり、非中央集権化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録を担当し、並列計算により複数のトランザクション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を下げ、トランザクション処理速度と分散化の程度を向上させます; しかし、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安全性が低下します。レイヤー1のメインネットプロトコルを変更すると、基盤となるセキュリティの脆弱性がネットワーク全体のセキュリティに深刻な脅威を与えるため、予測できない悪影響を引き起こす可能性があります。### 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、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(オプティミスティックロールアップ、ZKロールアップ)- その他のプラン:Validium、Volition! [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、チャネルが開かれている、閉じられている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があると規定しており、ユーザー間の相互作用を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があります。各チャンネルはメインネット上で稼働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、この契約はチャンネルに預けられた資産を制御し、ステートの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。参加者は契約を展開した後、資金を預けてロックし、双方の署名確認が行われた後、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制限なくオフチェーンでの無料取引を行うことを可能にし、(、送金の純価値が預けられたトークンの総額を超えない限りです。参加者は交互に状態更新を相手に送り、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、この状態更新は完了とみなされます。通常、双方が合意した状態更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じたりチャンネルが閉じられる場合にのみ、メインネットによる確認に依存します。チャンネルを閉じる際、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、全員の署名承認を得た場合は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、取引コストを低減します。! [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-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・ドリ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、ビットコインのPayment ChannelはState Channelの概念のサブケースであることを提案した。- 2016/01:ジョセフ・プーンとタデウス・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、ビットコインのライトニングネットワークの拡張ソリューションであるPayment Channelを提案しました。- 2017/11: Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初のSpritesデザイン仕様を提案。- 2018/06:Counterfactualは、状態チャネルに関連する最初の完全な設計である詳細な一般化された状態チャネル設計を提案しました。- 2018/10: Generalised State Channel Networksの記事では、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案されています。- 2019/02:状態チャネルの概念が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ーフィックチャネルを提案しました。#### 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は以下の通りです:1. アリスとボブは、個人のEOAから資金をオンチェーンの契約アドレスに入金することで、これらの資金は契約にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに戻されません; 二人が署名して確認した後、チャネルは正式に開通します。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、参加者は暗号署名メッセージを通じて相互に通信します。両者は二重支払いを防ぐために、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還します。ボブが署名に応答しなかった場合、契約はチャレンジ期間が終了した後に資金を対応するユーザーに返還します。悲観的な状況では、もしボブがある時点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。その後、契約はボブが一定期間内に次のステータスを契約に提出することで応答できるようにします。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-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709()#3.1.4長所と短所価値：- 即時取引:ブロックの確認を待つ必要はありません- 高スループット:オフチェーン取引回数に制限なし- 低コスト: チャンネルを開閉する時のみオンチェーン手数料が必要です- プライバシー:オフチェーン取引の詳細は公開されません短所：- 資金ロック: チャネルが開いている間、資金がロックされます- オンライン要件:参加者はステータス更新に署名するためにオンラインでいる必要があります- 組み合わせ性が低い: 複雑な多者間インタラクションには適していない- セキュリティ依存: 悪行を防ぐために###のような外部監視サービス(に依存する)# 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:- ビットコインネットワークに基づく小額決済チャネルで、2/2マルチシグを使用して一方向の決済チャネルを構築し、RSMCを追加した後に双方向決済チャネルを構築し、さらにHTLCを追加して決済チャネルを複数人の決済に拡張し、最終的に決済ネットワークを構築します。- 2015年2月にホワイトペーパーの草案を提出し、2016年1月に正式版ホワイトペーパーを発表しました。- 2018年3月に最初のメインネットバージョンをリリース。- 2021年、エルサルバドルはビットコインを法定通貨として採用し、ライトニングネットワークに基づくウォレットChivoを発表しました。- 2022年には76,236の決済チャネルがあり、チャネル資金は5049 BTCでした。- エコシステム開発: 基盤となるBTCネットワークからコアインフラ###ソリューション、ノードおよび流動性サービス(、さらにはさまざまな支払いおよび金融サービス、アプリケーションまで。イーサリアムライトニングネットワーク:- イーサリアムに基づくマイクロペイメントチャネルで、ライトニングネットワークに似ています。- 2017年に設立され、同年10月にICOを行いました。- 2020年5月に最初のRaiden Light Clientがイーサリアムメインネットにローンチされました。- 現在は広く採用されていない理由として、利用のハードルが高いことや、より先進的なスケーラビリティ技術の登場などが挙げられます。- イーサリアムLayer2 Rollupネットワーク上で動作するように改造中で、State Channelの作成にかかるGas費用を削減しています。セラーネットワーク:- 本質的に、インセンティブ層)トークン$CELR(のライトニングネットワークが追加され、オフチェーン拡張技術とインセンティブ経済モデルを通じて高頻度インタラクティブタイプのブロックチェーンDAppsを構築します。- eスポーツプラットフォームなどの高頻度インタラクションシーンに適しています。- 2018年に設立され、2019年3月にトークン$CELRがバイナンスLaunchpadでリリースされました。- 現在、DeFiプロトコルLayer2.finance、情報クロスチェーンプロトコルCeler IM、資産クロスチェーンブリッジcBridgeなどの製品が発売されています。! [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()# 3.1.6 アプリケーションの比較ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのライトニングネットワーク、そしてCeler Networkは、設計思想が似ており、いずれも状態チャネルに基づくオフチェーンのスケーリングソリューションです。主な違いは:1. ベースレイヤーブロックチェーン: ビットコインのライトニングネットワークはビットコインに基づいており、ライトニングネットワークとCeler Networkはイーサリアムに基づいています。2. アプリケーションシーン: - ライトニングネットワークは主にビットコインの少額決済に使用されます - ライトニングネットワークは、イーサリアム上のERC20トークン支払いをサポートすることを目的としています。 - Celer Networkはより広範な目標を持ち、高頻度のインタラクションをサポートするDAppsです。3.技術的特徴: - ライトニングネットワークはHTLCを使用してマルチホップ決済を実現します - 雷電ネットワークは類似のメカニズムを採用しています - Celer Networkはインセンティブ層とステートルーティング層を追加しました4.開発段階: - ライトニングネットワークは成熟しており、エコシステムは良好に発展しています。 - 雷電ネットワークの発展は遅く、使用率は高くない - Celer Networkはマルチチェーン拡張集約プラットフォームへの転換を進めています5. トークンエコノミー: - ライトニングネットワークにはネイティブトークンがありません - 雷電ネットワークとCeler Networkはそれぞれのトークンを発行しました### 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年にビットコイン開発者のチャットルームで初めて提案され、2014年にBlockstreamの研究者によって最初の記事が執筆されました。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、より複雑な契約を使用したり、コンセンサスメカニズム###を改善したり（例えばPoS(）、ブロックパラメータを調整して特定の用途に合わせることができます。サイドチェーンの取引結果は、最終的にメインチェーンに戻される際に、検証に記録されます。
オフチェーン拡張ソリューションの解析：ステートチャネルとサイドチェーンの技術原理及び応用の比較
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、通常はそのうちの2つしか同時に満たすことができません。これをブロックチェーンの不可能な三角問題と呼びます。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、すなわちスケーリング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過程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性、安全性、及びスケーラビリティは大まかに次のように定義される:
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の増加に伴い、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で意見が分かれ、最終的に2017年8月1日にビットコインの歴史上初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。
同様に、イーサリアムネットワークもセキュリティと非中央集権を保障するために、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。イーサリアムはブロックサイズを直接制限するのではなく、単一のブロックの燃料費に上限を設けていますが、その目的は信頼のない合意を実現し、ノードが広く分布することを確保するためです。
2017年のCryptoKittiesからその後のDeFi、GameFi、NFTなどのアプリケーションの台頭に至るまで、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。しかし、チューリング完全なEthereumでも、1秒あたりに処理できる取引は15～45件しかなく、これにより取引コストが上昇し、決済時間が延び、多くのDAppが運用コストを負担するのが難しくなり、ネットワーク全体が遅くて高価になっています。したがって、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は緊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、分散化と安全性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。
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2. スケーリング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"を基準に、拡張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
コアコンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することでスケーリング効果を達成するソリューションで、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リング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は説明せず、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、すなわち各ブロックにパッケージ化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、ノード参加のハードルが上がり、非中央集権化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録を担当し、並列計算により複数のトランザクション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を下げ、トランザクション処理速度と分散化の程度を向上させます; しかし、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安全性が低下します。
レイヤー1のメインネットプロトコルを変更すると、基盤となるセキュリティの脆弱性がネットワーク全体のセキュリティに深刻な脅威を与えるため、予測できない悪影響を引き起こす可能性があります。
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、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
ステートチャンネルは、チャネルが開かれている、閉じられている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があると規定しており、ユーザー間の相互作用を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があります。各チャンネルはメインネット上で稼働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、この契約はチャンネルに預けられた資産を制御し、ステートの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。参加者は契約を展開した後、資金を預けてロックし、双方の署名確認が行われた後、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制限なくオフチェーンでの無料取引を行うことを可能にし、(、送金の純価値が預けられたトークンの総額を超えない限りです。参加者は交互に状態更新を相手に送り、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、この状態更新は完了とみなされます。通常、双方が合意した状態更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じたりチャンネルが閉じられる場合にのみ、メインネットによる確認に依存します。チャンネルを閉じる際、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、全員の署名承認を得た場合は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、取引コストを低減します。
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)# 3.1.2 タイムライン
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は以下の通りです:
アリスとボブは、個人のEOAから資金をオンチェーンの契約アドレスに入金することで、これらの資金は契約にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに戻されません; 二人が署名して確認した後、チャネルは正式に開通します。
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、参加者は暗号署名メッセージを通じて相互に通信します。両者は二重支払いを防ぐために、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還します。ボブが署名に応答しなかった場合、契約はチャレンジ期間が終了した後に資金を対応するユーザーに返還します。
悲観的な状況では、もしボブがある時点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。その後、契約はボブが一定期間内に次のステータスを契約に提出することで応答できるようにします。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・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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)# 3.1.6 アプリケーションの比較
ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのライトニングネットワーク、そしてCeler Networkは、設計思想が似ており、いずれも状態チャネルに基づくオフチェーンのスケーリングソリューションです。主な違いは:
ベースレイヤーブロックチェーン: ビットコインのライトニングネットワークはビットコインに基づいており、ライトニングネットワークとCeler Networkはイーサリアムに基づいています。
アプリケーションシーン:
3.技術的特徴:
4.開発段階:
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案され、2014年にBlockstreamの研究者によって最初の記事が執筆されました。
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、より複雑な契約を使用したり、コンセンサスメカニズム###を改善したり（例えばPoS(）、ブロックパラメータを調整して特定の用途に合わせることができます。サイドチェーンの取引結果は、最終的にメインチェーンに戻される際に、検証に記録されます。