レイヤー2スケーリングの説明：なぜ重要なのか、そしてどのように機能するのか

レイヤー2スケーリングとは？

レイヤー2（L2）スケーリングとは、プライマリブロックチェーン（レイヤー1（L1））の外でトランザクションを処理することで、ブロックチェーンネットワークの容量、効率、および使いやすさを向上させるために設計された一連の手法を指します。この概念は、スループットの制限や輻輳時の手数料の高さといった問題を抱えるイーサリアムやビットコインなどのL1チェーンの限界を克服するために生まれました。

L2ソリューションは、ベースチェーン全体のセキュリティと分散性を維持しながら、ほとんどの計算とトランザクション処理をオフチェーンに移行します。オフチェーンでデータを処理した後、サマリーまたは最終状態をベースチェーンに送信して検証を行います。このアプローチにより、信頼性や分散性を損なうことなく、コストを大幅に削減し、速度を向上させることができます。

レイヤー2ソリューションが必要な理由

ブロックチェーンネットワークは、分散性、セキュリティ、スケーラビリティのトレードオフ、つまり「スケーラビリティのトリレンマ」と呼ばれる概念を考慮して設計されています。レイヤー1チェーンは分散化とセキュリティの最大化を目指していますが、スケーリングに課題を抱えるケースが多くあります。例えば、イーサリアムは1秒あたり約15～30件のトランザクション（TPS）を処理できますが、これはゲーム、分散型金融（DeFi）、リアルタイムのマイクロトランザクションといった大規模導入のユースケースには不十分です。

ユーザーの需要が増加すると、ネットワークは混雑します。その結果、ガス料金が上昇し、トランザクションのファイナリティ（最終処理）が遅くなり、日常的なユースケースが実用的ではなくなります。 L2は、ベースチェーンの基盤プロトコルを変更することなく、この欠点を解決するために開発されました。

レイヤー2スケーリングの主なメリット

• スループットの向上: 1秒あたり数千件のトランザクション（TPS）を処理できます。
• 手数料の削減: トランザクションをオフチェーンで実行することで、ネットワーク手数料を大幅に削減できます。
• スケーラビリティ: ブロックチェーンネットワークが大規模なdAppをサポートできるようになります。
• ユーザーエクスペリエンスの向上: トランザクション時間の短縮とコストの削減により、より多くのユーザーを獲得できます。

レイヤー2ソリューションの利用者

レイヤー2ソリューションは、DeFiアプリケーション、NFT、ゲームプラットフォームを利用する開発者、企業、ユーザーに広く採用されています。特にイーサリアムベースのプロジェクトは、輻輳の問題に対処するため、L2を採用しています。例としては、Uniswapのような交換プロトコル、OpenSeaのようなNFTプラットフォーム、Gods Unchainedのようなブロックチェーンゲームなどが挙げられます。

主要な機関や開発者は、信頼性や分散性を犠牲にすることなく、レイヤー2を活用してアプリケーションを拡張しています。こうした普及の拡大は、金融から物流に至るまで、さまざまな分野におけるブロックチェーンの主流化を実現するために不可欠です。

Plasma チェーン

Plasma は、Ethereum のスケーリングのために提案された最も初期のレイヤー 2 テクノロジーの 1 つであり、Vitalik Buterin と Joseph Poon によって導入されました。Plasma チェーンは、定期的にメインの Ethereum チェーンにレポートを返す子チェーンです。Plasma チェーンにより、多くのトランザクションをオフチェーンで処理することができ、最終的な状態のみが Ethereum のレイヤー 1 にコミットされます。

Plasma チェーンは、様々なデータ構造を管理するスマートコントラクトを通じて動作します。ユーザーは、資金の入金、引き出し、または不正なトランザクションへの異議申し立てを行うために、これらのコントラクトとやり取りする必要があります。このシステムは、メインチェーンを通じて紛争を解決できるようにすることで、セキュリティを確保します。

Plasma のメリット:

• 単純な送金や支払いに効率的
• Ethereum メインネットの負荷を軽減
• セキュリティは Ethereum から継承

Plasma のデメリット:

• 特定のトランザクションタイプに限定されている
• 終了手順が遅くなる可能性がある
• 汎用スマートコントラクトには適していない

ロールアップ

ロールアップは最も人気があり、広く採用されている L2 ソリューションです。トランザクションは L1 ブロックチェーンの外部で実行されますが、トランザクションデータは L1 にポストされるため、Ethereum のセキュリティ保証が維持されます。主に2つのタイプがあります。

1. 楽観的ロールアップ: 異議が申し立てられない限り、トランザクションは有効であると想定します。無効なトランザクションを検出するために、ゲーム理論に基づく不正証明を利用します。
2. ゼロ知識（ZK）ロールアップ： データの内容を公開することなくトランザクションの正当性を検証する暗号学的妥当性証明（SNARKまたはSTARKと呼ばれることが多い）を使用します。

楽観的ロールアップの例としては、ArbitrumやOptimismなどが挙げられます。また、著名なZKロールアップとしては、zkSync、Starknet、Loopringなどが挙げられます。

ロールアップの利点：

• イーサリアムレベルのセキュリティを備えた高いスケーラビリティ
• スマートコントラクトの幅広いサポート（特にZKロールアップ）
• 低いトランザクション手数料と高速化確認

欠点:

• オプティミスティックロールアップでは、出金に7日間の待機期間があります
• ZKロールアップは技術的に複雑で、開発コストがかかります

ステートチャネル

ステートチャネルを使用すると、2つの当事者がオフチェーンで直接取引を行うことができます。最終ステートのみがメインブロックチェーンに送信されるため、トランザクションは高速かつ費用対効果に優れています。一般的な例として、ビットコインのライトニングネットワークが挙げられます。

イーサリアムでは、ステートチャネルは高頻度のインタラクションを必要とするゲームや決済アプリケーションでよく使用されます。参加者は通常、スマートコントラクトに資産を預け、オフチェーンで自由にやり取りした後、オンチェーンで共同でチャネルを閉じます。

利点:

• ほぼ瞬時に低コストの取引が可能
• プライベートで頻繁な取引に最適

制限事項:

• 状態を更新するには両当事者がオンラインである必要がある
• 汎用的な分散型アプリケーションには適さない

レイヤー2テクノロジーの進歩

レイヤー2ソリューションは急速に進化しています。ZKロールアップは、その高速性、強力なセキュリティ前提、そしてスマートコントラクトとの互換性により、勢いを増しています。zkEVM（ゼロ知識イーサリアム仮想マシン）などのテクノロジーにより、ZKロールアップは既存のイーサリアムdAppとの完全な互換性を実現し、その使いやすさを向上させています。

業界の成熟に伴い、ハイブリッドソリューションも進化しています。これらのソリューションは、複数のレイヤー2テクノロジーを統合したり、レイヤー1の最適化（シャーディングやダンクシャーディングなど）とレイヤー2アーキテクチャを組み合わせたりします。その結果、堅牢なパフォーマンス向上を実現する階層化されたスケーリングアプローチが実現しました。

StarknetやzkSync Eraなどのプロトコルは、プロトコルレイヤーの完全な分散化を目指しており、ブロックチェーンの中核となるトラストレスなインタラクションの実現をさらに推進しています。

レイヤー1アップグレードとの統合

Ethereumの進行中のロードマップには、Proto-DankshardingやFull Dankshardingといった重要なアップグレードが含まれており、データ可用性コストを削減することでL2ネットワークを大幅に補完することが期待されています。これらの改善により、ロールアップのスケーリング効率が向上し、スタック全体のトランザクションコストが削減されます。

レイヤー1とレイヤー2の統合は非常に重要です。レイヤー2はL1と競合するのではなく、その使いやすさを向上させ、負荷と需要の増加下でもイーサリアムの持続可能性を確保します。

企業と機関による導入

企業は、スケール、コンプライアンス、プライバシーが求められるアプリケーションにおけるレイヤー2ソリューションの有用性を認識しつつあります。物流追跡から不動産トークン化、クロスボーダー決済まで、レイヤー2ソリューションはブロックチェーンをより幅広いユースケースに適したものにします。こうした機関投資家の関心は、ブロックチェーンの主流化にとって重要です。

今後の展望

レイヤー2のスケーリングの未来は、継続的な統合、最適化、そして拡張にあります。開発者がユーザーエクスペリエンスの向上とツールの連携に注力することで、エンドユーザーにとってレイヤー1とレイヤー2の境界はますますシームレスになるでしょう。

最終的に、レイヤー2ソリューションは、グローバル規模のアプリケーションをサポートできるオープンでプログラマブルなネットワークの実現において、極めて重要な役割を果たすでしょう。テクノロジーが進化するにつれ、スピード、手頃な価格、分散化がこれまで以上に効果的に融合した、充実したブロックチェーン エコシステムが期待できます。