Zkロールアップとは？レイヤー2のスケーラビリティ手法

要点ZKロールアップはレイヤー2のスケーリングソリューションで、多数の取引をオフチェーンでまとめ、コンパクトな暗号学的証明をEthereumのメインチェーンに提出します。
それぞれの詳細を共有せずに、取引が有効であることをゼロ知識証明で確認します。これにより、迅速な確定と強固なセキュリティを実現できます。
オプティミスティックロールアップと比べて、ZKロールアップは長い紛争（ディスピュート）期間を必要としません。つまり、資金をより早く引き出せる可能性があります。
2024年3月のEthereumのEIP-4844アップグレードでは、「ブロブ」と呼ばれる新しいデータ保存形式が導入され、ZKロールアップネットワーク全体で取引コストが大幅に削減されました。
ZKロールアップはオプティミスティックロールアップよりも構築が複雑ですが、zkEVM技術が成熟するにつれて、より実用的になりつつあります。
はじめにEthereumのようなブロックチェーンは、1秒あたりに処理できる取引数が限られています。このスケーラビリティの課題は、ネットワークの混雑、確認時間の遅延、需要が増えたときの取引手数料の高騰につながります。この問題を解決することは、ブロックチェーン分野における重要な目標の一つです。
主なアプローチは2つあります。レイヤー1とレイヤー2のソリューションです。レイヤー1はブロックチェーンそのものをアップグレードします。レイヤー2は、既存のチェーンの上に別の仕組み（フレームワーク）を構築し、結果を基盤レイヤーに反映する前に取引をオフチェーンで処理します。ZKロールアップは、今日利用可能なレイヤー2の中でも特に有望なアプローチの一つです。
ZKロールアップとは？ZKロールアップは、レイヤー2のソリューションの一種で、数百の取引を「ロールアップ（まとめて処理）」して単一のバッチにします。このバッチはメインのEthereumチェーン外で処理され、オンチェーンには要約と暗号学的証明だけが提出されます。この証明により、それぞれの取引の完全な詳細を開示せずに、バッチ内のすべての取引が有効であることが確認できます。
ZKロールアップの「ZK」はゼロ知識を意味します。これは「ゼロ知識証明」と呼ばれる種類の暗号学的証明を指します。これらの証明により、ある当事者が追加情報を開示することなく、ある主張の真偽を別の当事者に確認してもらえます。
ZKロールアップはメインチェーンにコミットする前に、これらの証明を用いてすべての取引を検証するため、チャレンジ期間は必要ありません。これは、取引が有効であると仮定し、後から不正のチャレンジに頼るオプティミスティックロールアップよりも確定（決着）が速いことにつながります。
ゼロ知識証明とは？ゼロ知識証明（ZKP）は、証明者が追加の情報を共有せずに、ある主張が真であることを検証者に納得させられるようにする暗号技術です。証明が有効であるためには、次の3つの条件を満たす必要があります。
完全性：主張が真であり、双方が正直である場合、証明は常にそれを確認します。
健全性：不誠実な証明者が、偽の主張が真であると正直な検証者を説得できないはずです。
ゼロ知識：検証者が学ぶのは、その主張が真であることだけであり、基となるデータに関するその他の情報は何も学びません。
ZKロールアップでは、取引バッチが正しく処理されたことを証明するためにZKPが使われます。証明自体はコンパクトで、オンチェーンで素早く検証できるため、ZKロールアップが効率的になります。
ZKロールアップはどのように機能しますか？ZKロールアップには主に2つの構成要素があります。メインチェーン上のスマートコントラクトと、オフチェーンの仮想マシンです。オンチェーンのコントラクトはロールアップのブロックを保存し、入金を扱い、ロールアップから提出される暗号学的証明を検証します。オフチェーンの仮想マシンは、Ethereumの外で取引の実行をすべて処理します。
ユーザーがZKロールアップに取引を送信すると、ネットワークオペレーターがそれらをバッチにまとめます。オペレーターはオフチェーンでバッチを処理し、すべての取引が正しく実行されたことを確認する有効性証明を生成します。この証明は、その後の検証のためにEthereumのメインチェーンに送られます。
Ethereumでの検証は迅速です。チェーンは、すべてのトランザクションを再実行する必要はなく、証明を確認するだけでよいからです。受理されると、ロールアップの新しい状態がEthereumに記録され、メインチェーンと同等のセキュリティ保証が得られます。
EIP-4844の後のZKロールアップ2024年3月、Ethereumはproto-dankshardingとしても知られるEIP-4844を有効化しました。このアップグレードでは、ロールアップ用に設計された新しい種類のデータ保存形式である「ブロブ」が導入されました。ブロブは通常の取引データよりも保存コストが安く、一定期間が過ぎるとチェーンから自動的に削除されます。
ZKロールアップへの影響は大きなものでした。EIP-4844後、主要なZKロールアップネットワークにおける取引手数料は大幅に低下し、場合によっては80%以上下がりました。これにより、以前は費用対効果が低かった小額の取引を含め、ZKロールアップネットワークは日常的な利用がより現実的になりました。
ZKロールアップの長所と短所利点高速な確定：有効性証明によって待機期間なしで取引が即時に検証されます。
強固なセキュリティ：ZKロールアップは、証明がオンチェーンで検証されるため、Ethereumのセキュリティを継承します。有効な証明が提出されない限り、資金は移動できません。
高いスループット：取引をオフチェーンでバッチ処理することで、ZKロールアップは基盤レイヤーよりもはるかに多くの取引/秒を扱えます。
低い手数料：バッチ化により、1トランザクションあたりのコストが下がります。特に、EIP-4844のアップグレードによりデータ保存コストが低減された後はその効果が大きくなります。
制限複雑さ：ZKロールアップは技術的に構築が難しく、専門的な暗号知識が必要です。
EVM互換性の課題：すべてのZKロールアップ実装がEthereum仮想マシンを十分にサポートしているわけではないため、実行できるアプリの種類が制限される可能性があります。zkEVM技術の進歩により、この点は改善されています。
集中化リスク：多くのZKロールアップネットワークは、取引をバッチ化するために単一のオペレーターまたはシーケンサーに依存しています。これは集中化の一拠点を生み得ます。
ZKロールアップとオプティミスティックロールアップの比較ZKロールアップの主な代替手段はオプティミスティックロールアップです。どちらも取引をオフチェーンでまとめますが、検証の扱いが異なります。オプティミスティックロールアップは、すべての取引がデフォルトで有効だと仮定します。取引データを公開し、通常は約7日間のチャレンジ期間を設け、その間に誰でも不正な取引を争うための不正証明（fraud proof）を提出できます。
ZKロールアップは逆のアプローチです。各バッチには、すべての取引が正しく処理されたことを確認する有効性証明が含まれます。チャレンジ期間がないため、証明が受理されれば、資金がメインチェーンへより早く引き出される可能性があります。
オプティミスティックロールアップは一般に構築がよりシンプルで、広く採用されていますが、ZKロールアップはセキュリティと確定性の面で利点があります。zkEVM技術が成熟するにつれ、ZKロールアップは汎用的なスマートコントラクト実行の選択肢として、より現実的になりつつあります。
ZKロールアップの例複数のZKロールアップネットワークがEthereum上でローンチしています。zkSync Eraは2023年3月に一般公開され、ネイティブzkEVMを導入しました。これにより、標準的なEthereumのスマートコントラクトをロールアップ上で動かせます。StarkNetはSTARKsと呼ばれる別の証明方式を使用し、多様な分散型アプリケーションに対応しています。Polygon zkEVMは2023年にローンチされ、既存のEthereumツールチェーンと互換性を持つことを目的としています。
BNB Chainでは、zkBNBはメインチェーンより低コストかつ高スループットで、NFT（非代替性トークン）や取引アプリケーションをサポートすることを目的に作られたZKロールアップです。
それぞれのネットワークは、証明生成の速さ、EVM互換性、分散化の度合いにおいて異なるトレードオフを採用しています。エコシステムは引き続き発展しており、新しい実装によってコストや性能がさらに改善される可能性があります。
よくある質問（FAQ）ZKロールアップとオプティミスティックロールアップの主な違いは何ですか？ZKロールアップは、メインチェーンにコミットする前に、暗号学的な証明によってすべての取引を検証します。オプティミスティックロールアップは取引が有効であると仮定し、チャレンジ期間中に誰かが争いを提起した場合にのみチェックします。一般にZKロールアップはより速い確定を提供し、オプティミスティックロールアップは現時点で実装がよりシンプルです。
ZKロールアップは安全に使えますか？ZKロールアップは、メインチェーンで検証される数学的な証明に依存しており、強力なセキュリティモデルを提供します。ただし、現時点で多くのZKロールアップネットワークは取引の順序付けに中央集権的なシーケンサーに依存しています。また、スマートコントラクトのバグはリスクになり得ます。開発途上の技術である以上、特定のネットワークを利用する前に各自で調査することが推奨されます。
EIP-4844はZKロールアップの手数料にどう影響しましたか？2024年3月にEthereumで有効化されたEIP-4844は、通常のオンチェーンデータより安価なブロブ型のデータ保存を導入しました。ZKロールアップは圧縮された取引データをEthereumに公開するため、このコスト削減の恩恵を直接受けます。このアップグレードの後、多くのZKロールアップネットワークで手数料が大幅に低下しました。
zkEVMとは何ですか？zkEVMは、Ethereum仮想マシン（EVM）と互換性のあるZKロールアップです。つまり、開発者はコードに大きな変更を加えることなく、ロールアップ上にEthereumのスマートコントラクトをデプロイできます。さまざまなプロジェクトがEVM互換性の異なるレベルを実現しており、その分、性能や証明生成速度とのトレードオフがあります。
まとめの所感ZKロールアップは、ブロックチェーンのスケーラビリティにおいて最も技術的に洗練されたアプローチの一つです。ゼロ知識証明を使って取引バッチを検証することで、迅速な確定性、強固なセキュリティ、そしてEthereumに直接トランザクションするよりも意味のある低い手数料を提供できます。
この技術は2022年以降、かなり成熟しています。EIP-4844によってデータコストが大きく下がり、zkEVMの実装がより能力を持つようになり、現在は複数のZKロールアップネットワークが稼働していて、ユーザーの活動も相応にあります。分散化や完全なEVM互換性をめぐる課題は残っていますが、開発は継続中です。
Ethereumのスケーリングがどのように機能するのかに関心がある方にとって、ZKロールアップを理解することは、エコシステムがどこへ向かう可能性があるのかを把握するうえで有用な文脈になります。
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