ブロックチェーンのレイヤー1とレイヤー2のスケーリングソリューション

要点ブロックチェーンのトリレンマは、多くのネットワークが同時にセキュリティ、分散化、スケーラビリティを達成するのが難しい理由を説明しています。
レイヤー1のスケーリングソリューションは、コンセンサスメカニズムのアップグレードやシャーディングの追加など、基盤となるブロックチェーンを直接変更します。
レイヤー2のソリューションは、メインチェーン上でより多くの取引を処理できるようにするために、レイヤー1の上に構築されます。これにより混雑が減り、手数料も抑えられます。
ほとんどのブロックチェーン・エコシステムは、長期的なセキュリティのためのレイヤー1の改善と、日常的なスピードと手頃な価格を実現するためのレイヤー2ネットワークの組み合わせに向かっています。
はじめにブロックチェーンネットワークはより人気になってきており、利用者が増えるにつれて取引数も増えています。技術には実際の有用性がありますが、大規模な需要を扱うことは依然として大きな課題です。分散化とセキュリティを優先するパブリック・ブロックチェーンは、取引を素早く・安く処理するのが難しいことがよくあります。
この緊張関係は「ブロックチェーンのトリレンマ」と呼ばれます。分散化されたネットワークが、同時に安全であり、分散化されていて、スケーラブルであることをすべて一度に満たすのは難しいのです。ほとんどのネットワークはこれらの性質のうち2つを優先するため、残りの1つに制約がかかります。
この課題に対処するために、開発者は大きく2つのアプローチを作ってきました。いくつかの解決策は中核のブロックチェーン（レイヤー1）を変更し、他のいくつかはその上に追加ネットワーク（レイヤー2）を構築します。どちらのアプローチにもトレードオフがあり、現在は多くのエコシステムが両方の組み合わせを採用しています。
レイヤー1とレイヤー2「レイヤー1ブロックチェーン」という用語は、取引が確定する基盤となるブロックチェーンを指します。例としてビットコイン、イーサリアム、BNBチェーン、ソラナがあります。これらは他のプロトコルが構築できるベースネットワークです。
レイヤー2とは、レイヤー1の上に構築されるプロトコルです。メインチェーンから外れた場所で取引を処理し、その結果を報告します。例として、ライトニングネットワーク（ビットコイン向け）や、Arbitrum、Base、zkSync（イーサリアム向け）があります。
重要な違いは、作業がどこで行われるかです。レイヤー1のソリューションは、ベースとなるネットワークそのもののルールを変更します。レイヤー2のソリューションは、より多くの処理を扱うための別環境を作り、そこで処理した後、セキュリティのためにレイヤー1へ決済します。
一般的なレイヤー1のスケーリングソリューションコンセンサスメカニズムのアップグレード一部のブロックチェーンは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）のようなエネルギー集約型の仕組みから、より効率的なプルーフ・オブ・ステーク（PoS）へ切り替えています。イーサリアムは2022年9月に「The Merge」でこの移行を完了しました。PoSは計算作業ではなく、ステークした資金に基づいてバリデータを選びます。そのため、取引スループットやエネルギー使用量の改善につながる可能性があります。
シャーディングシャーディングはブロックチェーンを「シャード」と呼ばれる小さな分割領域に分けます。すべてのノードがすべての取引を処理する代わりに、作業を複数のグループに分散します。これによりネットワークは、並列により多くの取引を処理できるようになり、全体の容量が増える可能性があります。
イーサリアムの長期ロードマップには、Danksharding と呼ばれる機能による完全なシャーディングが含まれていますが、これはまだ開発中です。予備段階として、EIP-4844（ブロブ取引）が2024年3月に導入され、レイヤー2ネットワークのデータコストを大幅に削減しました。
ブロックサイズの増加よりシンプルなアプローチとして、各ブロックの最大サイズを引き上げ、1ブロックに含められる取引数を増やします。これにより、大きなプロトコル変更なしにスループットを高めることができます。ただし、より大きなブロックはより多くのストレージと処理能力を必要とするため、ネットワークのバリデータとして通常のコンピュータが参加しにくくなり、分散化に影響を与える可能性があります。
一般的なレイヤー2のスケーリングソリューションロールアップロールアップは多数のオフチェーン取引をまとめて、メインチェーンに圧縮した要約（サマリー）を送信します。これにより、各取引がレイヤー1に追加するデータ量が減り、手数料が下がってスループットが向上します。ロールアップは、イーサリアムの主要なスケーリング手法になっています。
主なタイプは2つあります。楽観的ロールアップ（ArbitrumやBaseで使用）では、取引はデフォルトで有効であると仮定し、紛争に備えてチャレンジ期間を設けます。ZKロールアップ（zkSyncやScrollで使用）では、暗号学的な証明を生成して、待ち時間なしで取引の有効性を即座に確認します。
ステートチャネルステートチャネルでは、2者が必要なだけオフチェーンで直接取引を行えます。ブロックチェーンに記録されるのは、オープン時とクローズ時の残高のみです。同じ当事者間での繰り返しのやり取り（マイクロペイメントやゲームなど）に適しています。
ビットコインのレイヤー2ネットワークの章では、ライトニングネットワークを扱います。ライトニングネットワークはステートチャネルを使い、参加者間で高速かつ低手数料のビットコイン送金を可能にします。
サイドチェーンサイドチェーンは、レイヤー1に並行して動作する独立したブロックチェーンで、独自のバリデータとコンセンサスルールを持ちます。ブリッジを介してメインチェーンと接続します。Polygon PoS はよく知られた例です。サイドチェーンはより速く・安くできる可能性がありますが、下位のレイヤー1からセキュリティを継承するロールアップとは異なり、自前でセキュリティを担う必要があります。
ネスト（入れ子）型ブロックチェーンネスト型ブロックチェーンの仕組みでは、メインチェーンがセカンダリチェーンに作業を委任します。これらの子チェーンが取引を処理し、その結果を親チェーンへ返します。Plasma フレームワークは、このアプローチの初期例としてイーサリアムで使われていましたが、実運用では概ねロールアップに取って代わられています。
レイヤー1とレイヤー2：主な違いどちらもネットワークの性能向上を目指しますが、問題への取り組み方が異なります。主な違いを要約すると以下の通りです。
目的：レイヤー1は「唯一の真実」であり決済層です。レイヤー2は、その基盤層のスループットを高め、手数料を下げるために構築されます。
手段：レイヤー1はプロトコルのルールそのものを直接変更します。レイヤー2は処理をセカンダリネットワークまたはアプリケーションにオフロードします。
セキュリティ：レイヤー1は自らの分散型コンセンサスに依存します。レイヤー2ネットワークは通常、最終的なセキュリティとデータ可用性のためにレイヤー1を利用します。
複雑さ：レイヤー1のアップグレードはネットワーク全体でのコンセンサスが必要で、混乱を招く可能性があります。レイヤー2ネットワークは、多くの場合、ベースチェーンを変更せずに導入または更新できます。
スケーリングソリューションの限界どちらのアプローチにもトレードオフがあります。
レイヤー1のアップグレードは、遅くなり得て政治的に複雑です。シャーディングやコンセンサスの大規模な作り替えのような大きなプロトコル変更には、バリデータ、開発者、関係者の間で幅広い合意が必要です。コミュニティが合意できない場合、ハードフォークによってネットワークが分裂することもあります。
レイヤー2ネットワークはユーザーにとって摩擦を増やします。レイヤー1とレイヤー2の間で資金を移動するにはブリッジが必要で、時間がかかる場合があり、セキュリティ上のリスクも生じ得ます。また、流動性は異なるL2ネットワークに分散しがちで、取引順序を付けるために中央集権的なシーケンサを使うものもあり、その場合、信頼の一点（集中）につながる可能性があります。
よくある質問（FAQ）レイヤー1とレイヤー2の違いは何ですか？レイヤー1は、イーサリアムやビットコインのように、取引が確定する基礎となるブロックチェーンです。レイヤー2は、レイヤー1の上に構築されたサブ（セカンダリ）ネットワークで、メインチェーンに戻って決済する前に、より多くの処理をオフチェーンで行います。レイヤー1はセキュリティと決済を担当し、レイヤー2は速度とコストを担当します。
レイヤー2ネットワークはレイヤー1と同じくらい安全ですか？それはレイヤー2の種類によります。ロールアップは、取引データがメインチェーンに送信されるため、基盤となるレイヤー1から多くのセキュリティを継承します。一方、サイドチェーンは独自のバリデータ集合を維持しており、レイヤー1のセキュリティを直接は継承しません。利用する前に、その特定のL2がどのようにセキュリティを扱っているのかを理解するべきです。
なぜロールアップはイーサリアムより手数料が低いのですか？ロールアップは多数の取引をまとめ、イーサリアムに圧縮したバッチを送信します。つまり、1つのイーサリアム取引のコストが、複数のロールアップ取引で共有されるため、取引あたりの手数料が大幅に下がります。2024年3月のイーサリアムのDencunアップグレードでは、ブロブ取引（blob transactions）を使ってこれらのデータコストをさらに削減しました。
ブロックチェーンのトリレンマとは何ですか？ブロックチェーンのトリレンマとは、セキュリティ、分散化、スケーラビリティを同時に達成することの難しさを指します。ほとんどのブロックチェーン設計は、そのうち2つを優先し、残りの1つに制約がかかります。レイヤー1でもレイヤー2でも、スケーリングソリューションの多くは、この制約に対処する試みだと言えます。
どのレイヤー2ネットワークが最も広く使われていますか？現時点では、Arbitrum、Base、zkSync は、取引数と総ロック額（TVL）の面で、最も活発なイーサリアムのレイヤー2ネットワークの一つです。ビットコインの場合、送金の主要なレイヤー2はライトニングネットワークのままです。より多くのアプリやユーザーが低コストのためにL2へ移行するにつれ、採用は引き続き拡大しています。
最後にスケーリングは、ブロックチェーン開発の中でも最も活発な領域の一つです。シャーディングのようなレイヤー1の改善は長期的な容量の伸びにつながりますが、レイヤー2ネットワークは今日の実用的な速度とコスト面のメリットを提供します。主要なブロックチェーンの多くは、下層にセキュアで分散化されたベースチェーンを置き、その上により高速で安価なネットワークを構築する「レイヤード（層状）アーキテクチャ」へ向かって動いています。
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