ZKロールアップとオプティミスティック・ロールアップ：イーサリアムのスケーリングの実際

レイヤー2ロールアップは、数百件のトランザクションをオフチェーンで処理し、データを1つのパッケージに圧縮して、イーサリアムのレイヤー1に送信します。この仕組みにより、イーサリアムの基盤となるセキュリティに依存しながら、ユーザーは高速なトランザクションと低いガス代を利用できます。
ただし、すべてのロールアップが同じ仕組みで動作するわけではありません。主なスケーリング設計は、オプティミスティック・ロールアップとゼロ知識（ZK）ロールアップの2つです。
どちらの設計もメインネットワーク外でトランザクションをまとめますが、信頼と検証へのアプローチはまったく異なります。一方は反証されるまではトランザクションが正当であると仮定し、もう一方は高度な数学的手法を使って、トランザクションが確定する前に正確性を証明します。
Rollupとは何か、なぜ必要なのか？Ethereum Layer 1が処理できるのは、毎秒およそ15〜30件のトランザクションです。ネットワークの需要が急増すると、ユーザー同士がより高いガス代を提示し、次のブロックに自分のトランザクションを含めてもらおうと競い合います。
Rollupは実行と決済を分離することで、このボトルネックを解消します。
ユーザーはLayer 2ネットワーク上でトランザクションを送信し、ネットワークがそれらを即座に実行します。
rollupのオペレーターは、こうしたトランザクションを数百件まとめて1つのバッチにします。
rollupはこの圧縮されたバッチをLayer 1に送信し、Ethereumが状態変更を永続的に記録します。
重要な課題は検証です。オフチェーンで処理されたトランザクションが正当なものだと、Ethereum Layer 1はどのように確認するのでしょうか？ここでOptimistic rollupとZK rollupは異なる方法を取ります。
Optimistic Rollup：まず信頼し、異議があれば検証Optimistic rollupは、「トランザクションはデフォルトで有効とみなす」というシンプルな原則に基づいて動作します。
ネットワークのシーケンサーはユーザーのトランザクションをまとめ、複雑な検証を事前に行わずに、更新後の残高状態をEthereumに送信します。別の参加者が異議を申し立てない限り、システムは送信された状態を信頼します。
不正証明の仕組みオペレーターの不正を防ぐため、Optimistic rollupは不正証明（フォールト証明とも呼ばれます）を使用します。
バッチがLayer 1に送信されると、チャレンジ期間（通常7日間）が始まります。
この期間中、ネットワークを監視する独立したバリデーターは誰でもバッチを調査できます。
バリデーターが不正なトランザクションや改ざんされた残高を見つけた場合、Layer 1のコントラクトに暗号学的な不正証明を提出します。
Ethereumは異議の申し立てられたトランザクションをオンチェーンで実行します。不正が確認されると、不正を行ったオペレーターはステーキングした預託金を失い、ネットワークの状態は正しい残高に戻されます。
実例最も広く採用されているOptimistic rollupには、Arbitrum One、OP Mainnet（Optimism）、Baseなどがあります。
主な利点：Ethereum Virtual Machine（EVM）との高い互換性。開発者は、既存のEthereumスマートコントラクトを最小限のコード変更でOptimistic rollupにコピーして貼り付けられます。
主なトレードオフ：7日間のチャレンジ期間。rollupの公式ネイティブブリッジを通じてEthereum Layer 1に資金を引き出す場合、L1で資金が利用可能になるまで7日間待つ必要があります。
ZK Rollup：数学的・暗号学的証明を最優先Zero-Knowledge rollupは逆のアプローチを取ります。トランザクションを送信する前に、すべてを数学的に検証します。
トランザクションが有効だと仮定してチャレンジを待つのではなく、ZK rollupは各トランザクションバッチとともに暗号学的な妥当性証明（通常はZK-SNARKまたはZK-STARK）を生成します。
妥当性証明の仕組みrollupのオペレーター（証明者）はオフチェーンでトランザクションを実行し、個々の状態変更がすべてネットワークのルールに従っていることを示す数学的証明を作成します。
バッチとその妥当性証明は、Ethereum Layer 1上の専用スマートコントラクトに送信されます。
Layer 1のコントラクトが数学的証明を検証します。証明の検証に必要な計算量は、個々のトランザクションをすべて再実行するよりはるかに少ないため、決済は迅速に完了します。
Ethereumが証明を検証すると、トランザクションは即座にファイナリティを得ます。不正なトランザクションは有効な数学的証明を生成できないため、チャレンジ期間は必要ありません。
実例主要なZK rollupには、zkSync Era、Starknet、Linea、Polygon zkEVMなどがあります。
主な利点：ネイティブ出金が速い。妥当性がLayer 1上で数学的に証明されるため、資金は1週間待つことなく、数分から数時間でEthereum Mainnetに引き出せます。
主なトレードオフ：高い計算要件。ゼロ知識妥当性証明の生成には、専用の高性能サーバーハードウェアが必要となるため、証明の生成は技術的に複雑で、リソースを大量に消費します。
比較：Optimistic RollupとZK Rollup7日間の出金待ちを回避する方法Optimistic rollupの7日間の遅延は、初心者を驚かせることがよくあります。しかし実際には、日常的に利用するユーザーが丸1週間待たなければならないケースはほとんどありません。
AcrossやStargateなどのサードパーティ製クロスチェーン流動性ブリッジを利用すれば、この遅延を回避できます。こうしたブリッジは、自らの流動性プールからEthereum Layer 1上の資金を少額の利便性手数料で直接提供し、7日間の待機期間を肩代わりします。
その結果、最新のブリッジアグリゲーターを利用する一般ユーザーにとって、どちらのタイプのrollupをまたぐ標準的な送金も、通常ほぼ即時に完了します。
未来を担うのはどちらの技術か？どちらのrollupアーキテクチャも、Ethereumエコシステムでそれぞれ異なる役割を果たします。
現在、Optimistic rollupはロックされた総額と日々の利用量で優位に立っています。初期からEVMとの同等性を実現していたため、UniswapやAaveのような既存のDeFiアプリケーションは、システムを作り直すことなく簡単に展開できました。
ZK rollupは、ブロックチェーンのスケーリングにおける長期的な最終形と考えられています。証明技術の低コスト化とzkEVMソフトウェアの成熟が進めば、ZK rollupはより高い資本効率、優れたデータ圧縮、即時のネイティブ決済を実現します。
一方が他方を完全に置き換えるというより、両者は共存し、プロジェクトがコードの展開しやすさと数学的な即時ファイナリティのどちらを重視するかに応じて、分散型経済の異なる分野を支えていくでしょう。
よくある質問Optimistic rollupに7日間のチャレンジ期間が必要なのはなぜですか？7日間の遅延により、分散型の検証者はトランザクションバッチをダウンロードして不整合がないかを調べ、シーケンサーが不正なデータを送信しようとした場合に、Ethereum Layer 1へ不正証明を提出するための十分な時間を確保できます。
ZK rollupでの送金中に資金を失うことはありますか？ZK rollupは妥当性証明に依存しているため、不正なトランザクションがLayer 1のスマートコントラクトによって検証されることはありません。ただし、ユーザーは一般的なスマートコントラクトのセキュリティにも注意し、ネットワークに信頼できるデータ可用性の保護策が備わっていることを確認する必要があります。
zkEVMとは何ですか？zkEVM（Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine）とは、Ethereum形式のスマートコントラクトを実行しながら、その実行に対するゼロ知識妥当性証明を生成する実行エンジンです。これにより、開発者はSolidityなどの使い慣れた言語でZKアプリケーションを構築できます。