ブロックチェーンは、安全で透明なデータ交換を可能にする革新的なテクノロジーです。ブロックチェーンは、レイヤー 0 ～ 3 と呼ばれる一連のレイヤーを使用して情報を保存および処理します。各レイヤーには独自の目的と機能があり、さまざまなトランザクションを処理できる包括的なシステムを実現します。
ブロックチェーンは、2 つ以上の当事者間でデジタル資産を安全かつ確実に交換できるようにする分散型台帳技術 (DLT) として定義されています。これは、複数のコンピューターに同時にデータを保存するためのオープンな分散型ネットワークとして機能する独自のシステムです。
レイヤー1
トランザクションを検証して確定するために、レイヤー 1 は、他の複数のレイヤーが構築されるベース ブロックチェーンです。レイヤーは、他のブロックチェーンから独立して動作できます。
レイヤー 1 は 3 つのセグメントに分けられます。
データ レイヤー - ネットワーク内のトランザクションに関連するすべてのデータを保存します。これには、トランザクション履歴、残高、アドレスなどが含まれます。このレイヤーは、暗号化アルゴリズム (ハッシュ) を使用して各トランザクションを検証し、正確性とセキュリティを確保します。
ネットワーク層 - ブロックチェーン ネットワーク上のユーザー間の通信を処理する役割を担います。ネットワーク全体にトランザクションやその他のメッセージをブロードキャストし、これらのメッセージの正確性と正当性を検証する役割を担います。
コンセンサス レイヤー - ブロックチェーンが、トランザクションを実行する際にすべてのユーザーが従わなければならない一連のルールについて合意できるようにします。プルーフ オブ ワーク、プルーフ オブ ステーク、ビザンチン フォールト トレランスなどのコンセンサス アルゴリズムを利用して、すべてのトランザクションが有効かつ最新であることを保証します。
アプリケーション/スマート コントラクト レイヤーは、ブロックチェーン ネットワーク内でほとんどの機能が実行される場所です。このレイヤーには、ブロックチェーン エコシステム上で実行されるアプリケーションの構築に使用できるコード (またはスマート コントラクト) が含まれています。これらのアプリケーションは、トランザクションを実行し、データを安全かつ分散された方法で保存できます。すべてのレイヤー 1 プロトコルにスマート コントラクト機能があるわけではありません。
このようなネットワークの例としては、ビットコイン、ソラナ、イーサリアム、カルダノなどが挙げられます。これらはすべて独自のネイティブ トークンを持っています。このトークンは取引手数料の代わりに使用され、ネットワーク参加者がネットワークに参加するインセンティブとして機能します。
これらのコインは、基礎となるプロジェクトに基づいて額面が異なりますが、その目的は、ブロックチェーンの機能に対する経済的サポートメカニズムを提供することです。
レイヤー 1 ネットワークでは、ブロックチェーンがネットワークに必要なトランザクション数を処理するのに苦労するため、スケーリングに問題があります。その結果、トランザクション手数料が大幅に増加します。
Vitalik Buterin によって造られた用語である「ブロックチェーンのトリレンマ」は、この問題の潜在的な解決策を議論する際によく引用されます。本質的には、分散化、セキュリティ、およびスケーラビリティのバランスを取る必要があるということです。
これらのアプローチの多くには、スケーラビリティを高めるためにスーパーノードに資金を提供し、それによってスーパーコンピューターと大型サーバーを購入するというトレードオフがありますが、本質的に集中化されたブロックチェーンが作成されます。
ブロックチェーンのトリレンマを解決するためのアプローチ:
ブロックサイズを増やす
レイヤー 1 ネットワークのブロック サイズを大きくすると、より多くのトランザクションを効率的に処理できます。ただし、ブロックが大きくなると、データ要件の増加と分散性の低下によりトランザクション速度が遅くなるため、無限に大きいブロックを維持することは現実的ではありません。これは、ブロック サイズの増加によるスケーラビリティの制限となり、セキュリティの低下という潜在的な代償を払ってパフォーマンスの向上を制限します。
合意形成メカニズムの変更
プルーフ・オブ・ワーク (POW) メカニズムは今でも存在しますが、プルーフ・オブ・ステーク (POS) メカニズムに比べると持続性と拡張性に欠けます。これが、イーサリアムが POW から POS に移行した理由です。その目的は、スケーラビリティの面でより良い結果を生み出す、より安全で信頼性の高いコンセンサス アルゴリズムを提供することです。
シャーディング
シャーディングは、分散データベースのパフォーマンスを拡張するために採用されるデータベース パーティション分割技術です。ブロックチェーン台帳を複数のノードに分割して分散することにより、シャーディングは拡張性を強化し、複数のシャードがトランザクションを並行して処理できるため、トランザクションのスループットが向上します。これにより、従来のシリアル アプローチと比較して、パフォーマンスが向上し、処理時間が大幅に短縮されます。
ケーキをスライスに分けて食べるのと似ています。このように、データ量の増加やネットワークの混雑があっても、参加しているすべてのノードが同期してトランザクションを処理するため、シャード化されたネットワークははるかに効率的です。
レイヤー2
レイヤー 2 プロトコルは、レイヤー 1 ブロックチェーンの上に構築され、ベース レイヤーに過度の負担をかけずにスケーラビリティの問題に対処します。
これは、「オフザチェーン」と呼ばれるセカンダリ フレームワークを作成することによって行われ、レイヤー 1 がサポートできるよりも優れた通信スループットと高速なトランザクション時間を実現します。
レイヤー 2 プロトコルを使用すると、トランザクション速度が向上し、トランザクション スループットが増大します。つまり、定義された期間内に一度に処理できるトランザクションの数が増えます。これは、プライマリ ネットワークが混雑して速度が低下したときに、トランザクション手数料のコストを削減し、全体的なパフォーマンスを向上させるため、非常に有益です。
Layer2s がスケーラビリティのトリルマを解決する方法はいくつかあります。
チャンネル
チャネルは、ベース レイヤーに報告される前に、ユーザーがオフチェーンで複数のトランザクションを入力できるレイヤー 2 ソリューションを提供します。これにより、トランザクションがより迅速かつ効率的に実行できます。チャネルには、支払いチャネルと状態チャネルの 2 種類があります。支払いチャネルでは支払いのみが可能ですが、状態チャネルでは、スマート コントラクトの処理など、通常ブロックチェーン上で行われるような、より広範なアクティビティが可能になります。
欠点は、参加するユーザーがネットワークに知られている必要があるため、オープンな参加は不可能であることです。また、すべてのユーザーは、チャネルに参加する前に、マルチシグスマートコントラクトでトークンをロックする必要があります。
プラズマ
ジョセフ・プーン氏とヴィタリック・ブテリン氏によって作成されたプラズマフレームワークは、スマートコントラクトと数値ツリーを利用して、元のブロックチェーンのコピーである「子チェーン」（「親チェーン」とも呼ばれる）を作成します。
この方法により、トランザクションをプライマリ チェーンから子チェーンに転送できるため、トランザクション速度が向上し、トランザクション手数料が削減され、デジタル ウォレットなどの特定のケースに適しています。
Plasma の開発者は、特定の待機期間が終了するまでユーザーが取引できないように特別に設計しました。
ただし、このシステムは汎用スマート コントラクトの拡張には使用できません。
サイドチェーン
サイドチェーンは、メイン ブロックチェーンまたはレイヤー 1 と並行して動作するブロックチェーンであり、従来のブロックチェーンとは異なるいくつかの特徴を持っています。サイドチェーンには独自の独立したブロックチェーンが付属しており、多くの場合、レイヤー 1 とは異なるコンセンサス メカニズムを使用し、ブロック サイズ要件も異なります。
ただし、サイドチェーンには独自の独立したチェーンがあるにもかかわらず、共有仮想マシンを使用してレイヤー 1 に接続します。つまり、レイヤー 1 ネットワークで使用できるすべての契約やトランザクションはサイドチェーンでも使用できるため、2 種類のチェーン間の相互運用性の広範なインフラストラクチャが作成されます。
ロールアップ
ロールアップは、サイドチェーン上の複数のトランザクションをベースレイヤー上の単一のトランザクションにグループ化し、SNARK (簡潔な非対話型知識の議論) を暗号証明として使用することでスケーリングを実現します。
ロールアップには 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 2 種類がありますが、レイヤー間を移動する機能が異なります。
楽観的ロールアップでは、レイヤー 1 からレイヤー 2 への移行を容易にする仮想マシンを利用しますが、ZK ロールアップでは効率と速度を向上させるためにこの機能を省略しています。
レイヤー0
レイヤー 0 プロトコルは、資産の移動を可能にし、ユーザー エクスペリエンスを完璧にし、クロスチェーンの相互運用性に関連する障害を軽減する上で重要な役割を果たします。これらのプロトコルは、レイヤー 1 のブロックチェーン プロジェクトに、レイヤー 1 エコシステム間の移動の難しさなどの主要な問題に対処するための効率的なソリューションを提供します。
レイヤー 0 プロトコルのセットには 1 つの設計だけではなく、差別化のために異なるコンセンサス メカニズムとブロック パラメータを採用できます。一部のレイヤー 0 トークンは、関連するエコシステムにアクセスする前にユーザーがこれらのトークンをステークする必要があるため、効果的なスパム対策フィルターとして機能します。
Cosmos はレイヤー 0 プロトコルで、Tendermint、Cosmos SDK、IBC で構成されるオープンソース ツール スイートで有名です。これらの製品により、開発者は相互運用可能な環境内で独自のブロックチェーン ソリューションをシームレスに構築できます。相互運用アーキテクチャにより、コンポーネントは自由に相互にやり取りできます。仮想世界のこの共同ビジョンは、熱心な支持者によって愛情を込めて名付けられた Cosmoshood で実現され、ブロックチェーン ネットワークが独立して繁栄しながらも集合的に存在し、「ブロックチェーンのインターネット」を体現しています。
もう一つの一般的な例は Polkadot です。
レイヤー3
レイヤー 3 は、ブロックチェーン ベースのソリューションを支えるプロトコルです。通常、「アプリケーション レイヤー」と呼ばれ、レイヤー 1 プロトコルが処理する指示を提供します。これにより、ブロックチェーン プラットフォーム上に構築された dapp、ゲーム、分散ストレージ、その他のアプリケーションが適切に機能できるようになります。
これらのアプリケーションがなければ、レイヤー 1 プロトコルだけではその有用性は極めて限られてしまいます。レイヤー 3 は、それらのパワーを解き放つために不可欠です。
レイヤー4？
レイヤー4は存在しません。ここで説明するレイヤーはブロックチェーンの4つのレイヤーと呼ばれていますが、これはプログラミングの世界では0からカウントを開始するためです。
結論
ブロックチェーン ネットワークのスケーラビリティは、そのアーキテクチャと採用されているテクノロジー スタックに大きく依存します。ネットワークの各レイヤーは、スループットの向上と他のブロックチェーンとの相互運用性を実現するという重要な目的を果たします。レイヤー 1 プロトコルはベース レイヤーまたはメイン ブロックチェーンを形成し、サイドチェーン、ロールアップ、レイヤー 0 プロトコルはスケーリングの追加サポートを提供します。
レイヤー 3 プロトコルは、システム全体の上に構築されたアプリケーションにユーザーがアクセスできるようにする指示を提供します。これらの要素はすべて、大規模なトランザクションを安全に処理できる強力な信頼できないインフラストラクチャの作成に貢献します。