ZK-ROLLUPSと妥当性証明モデルの説明

ゼロ知識ロールアップ（ZKロールアップ）は、ブロックチェーンネットワーク、特にイーサリアムで使用されるレイヤー2スケーリングソリューションの一種で、高いセキュリティレベルを維持しながらトランザクションスループットを大幅に向上させるように設計されています。ZKロールアップは、数百、あるいは数千ものトランザクションを1つにまとめ、オフチェーンで実行することで機能します。これらのトランザクションがメインブロックチェーン（レイヤー1とも呼ばれます）外で完了した後、すべてのバッチトランザクションが正しく実行されたことを確認するために、簡潔な暗号証明（有効性証明）がオンチェーンに送信されます。

ZKロールアップの核となる考え方は、ゼロ知識証明（具体的にはzk-SNARKまたはzk-STARK）を活用することで、各トランザクションの内容を完全に公開することなく、トランザクションデータの正確性と有効性を確保することです。この方法により、メインブロックチェーンの計算負荷とストレージ負荷を軽減しながら、トランザクションをより効率的に処理できます。

zk-rollupsには、いくつかの重要な特性があります。

• データの可用性: トランザクションデータは通常、オンチェーンで保存されるため、誰でもデータと検証ロジックを使用して状態を再構築できます。
• セキュリティ: 有効性の証明はレイヤー1ブロックチェーンによって検証されるため、セキュリティモデルはベースレイヤーから継承されます。
• スループット: 複数のトランザクションに対して単一の証明を送信するだけで済むため、zk-rollupsはレイヤー1の実行と比較してスループットを大幅に向上させます。

zkSync、StarkNet、Scrollなどのプロジェクトは、開発者がEthereum上でzk-rollupソリューションを実装している例です。これらのプラットフォームは、取引手数料を最小限に抑え、承認時間を短縮し、ブロックチェーンの効率的なスケーリングを支援すると同時に、基盤となる技術のトラストレス性と分散性を維持することを目指しています。

本質的に、zkロールアップは、イーサリアムやその他の類似のブロックチェーンが長年直面しているスケーラビリティとコストの課題を解決するためのイノベーションです。計算をオフラインに移行し、正当性をオンチェーンで証明することで、分散型システムが実現できる限界を押し広げます。

ZKロールアップがセキュリティを維持しながらスケーラビリティを実現する基本的な要素は、妥当性証明モデルです。妥当性証明とは、数学的に検証可能な簡潔な暗号表現であり、オフチェーンで実行された一連のトランザクションが正しいルールとロジックに準拠していることを、トランザクションの内部詳細を明らかにすることなく証明します。このモデルは、オプティミスティックロールアップで使用される従来の不正防止アプローチとは対照的です。オプティミスティックロールアップでは、オフチェーントランザクションは、別の証明がない限り有効であると想定されます。

妥当性証明モデルでは、各ZKロールアップバッチには、特別なオフチェーン証明者によって生成された証明が含まれます。この証明は、レイヤー1ブロックチェーンにデプロイされた検証者スマートコントラクトによって検証されます。妥当性証明の検証に成功すれば、含まれるすべてのトランザクションがブロックチェーンプロトコルのルールに従って忠実に実行されたことが確認されます。その後、新しいステートルート（更新されたブロックチェーンステートの暗号ハッシュ）がブロックチェーンに受け入れられます。

zk-rollupsで使用されるゼロ知識証明には、主に2つの種類があります。

• zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge）： zkSyncなどのプロジェクトで使用され、検証時間が短く証明サイズも小さいという利点がありますが、通常、パラメータを初期化するために信頼できるセットアップフェーズが必要です。
• zk-STARK（Zero-Knowledge Scalable Transparent Arguments of Knowledge）： StarkWareのStarkNetなどのプラットフォームで使用され、透過的で量子耐性を備え、信頼できるセットアップは不要ですが、より大きな証明を生成します。

zk-rollupsで妥当性証明モデルを使用する主な利点は次のとおりです。

• ファイナリティ： zkロールアップに含まれ、オンチェーンで確認されたトランザクションは、有効性証明によって提供される確実性により、ほぼ即座に確定的なものとみなされます。
• セキュリティ: レイヤー1ネットワークは検証済みの証明を伴う状態遷移のみを受け入れるため、攻撃対象領域のリスクが大幅に軽減されます。
• 効率性: 圧縮された証明の検証に必要なリソースは、オンチェーンで各トランザクションを個別に検証するよりもはるかに少なくて済みます。

さらに、不正行為の検出に経済的インセンティブに依存する設計とは異なり、有効性証明モデルでは、不正なバッチは有効な証明を生成できないため、実行に至らないことが保証されます。これにより、zk-rollups は特に堅牢になり、マイクロペイメント、DeFi プロトコル、NFT 取引プラットフォームなど、高速、安全、かつ低コストのトランザクションを必要とするアプリケーションに適しています。

最終的に、有効性証明こそが、zk-rollups が分散化やセキュリティを損なうことなくブロックチェーンを効率的にスケーリングすることを可能にし、スケーラブルな分散システムの進化における大きな前進となります。

zk-Rollupsは、ブロックチェーンエコシステム内のユーザーと開発者の両方に、さまざまなメリットをもたらします。中でも特に、パフォーマンスの向上、コスト削減、そしてセキュリティの強化が挙げられます。しかし、他の新興技術と同様に、ZKロールアップにも慎重な検討を要する課題が伴います。

ZKロールアップの利点

• 高スループット: 複数のトランザクションを単一のプルーフに集約することで、ZKロールアップは1秒あたり数千件のトランザクションを処理できます。これは、ほとんどのベースレイヤーブロックチェーンの限界をはるかに超えています。
• 低いトランザクション手数料: プルーフによってすべてのオフチェーンアクティビティが小さなオンチェーントランザクションに圧縮されるため、トランザクションあたりのコストが大幅に削減されます。
• セキュリティ継承: ZKロールアップは、ベースレイヤー（例：Ethereum）のセキュリティを継承しているため、レイヤー1チェーンの堅牢で分散化されたコンセンサスの恩恵を受けることができます。
• 高速ファイナリティ: 最大1週間の紛争処理期間を持つオプティミスティックロールアップとは異なり、 zkロールアップは、有効性証明によってトランザクションの正当性が最終的に決定されるため、ほぼ瞬時の決済時間を実現します。
• データ効率： ブロックチェーンにアップロードされるデータセットが小さくなるため、肥大化が抑制され、ネットワーク全体の効率が向上します。

課題と制限

• 証明者の複雑さ： 有効性証明の生成には膨大な計算量が必要であり、特殊なハードウェアが必要になる可能性があるため、小規模な開発者にとってはアクセスが制限される可能性があります。
• 開発の複雑さ： zk対応アプリケーションを作成するには、zk回路と関連言語（Cairo（StarkNetで使用）やZinc（zkSyncで使用）など）の深い理解が求められることがよくあります。
• スマートコントラクトの制限： 現在のzkロールアップ環境は、EVM互換機能のすべてをサポートしていない可能性があり、特定の分散型アプリケーションへの導入が制限される可能性があります。アプリケーション。
• 信頼できるセットアップに関する懸念: zk-SNARK ベースのソリューションの中には、信頼できるセットアップを必要とするものがあり、これが侵害されるとシステムの整合性に影響を与える可能性があります。zk-STARK はこの問題を軽減しますが、証明サイズが大きくなり、証明時間が長くなります。
• ユーザーエクスペリエンス: バックエンドの暗号化はシームレスですが、リレーやブリッジングメカニズムが必要となるため、技術的な環境に精通していないエンドユーザーにとっては複雑になる可能性があります。

これらのハードルにもかかわらず、zk-rollup の分野は急速に成熟しています。ハードウェアアクセラレーションの進歩、証明システムの最適化、開発ツールの改善により、zk-rollup はよりアクセスしやすく、実用的になっています。さらに、イーサリアムのスケーラビリティロードマップには、イーサリアム2.0のデータシャーディングなどのプロジェクトを通じてロールアップのサポートを強化することが含まれており、これによりロールアップの効率性と普及がさらに向上するでしょう。

業界が進化を続ける中で、zkロールアップは、特にDeFi、ゲーム、Web3 IDシステムなどの分野において、スケーラブルで安全かつ低コストなブロックチェーンインフラの基盤となることが期待されています。効率性とセキュリティのバランスが取れているため、ブロックチェーンのスケーラビリティにおける最も有望なイノベーションの一つとなっています。