ブロックチェーンのスケーラビリティ - サイドチェーンと支払いチャネル

要点ブロックチェーンのスケーラビリティとは、需要の増加に応じてネットワークがより多くの取引を処理できる能力のことです。ブロックチェーンネットワークでは、セキュリティや分散化とのトレードオフなしには達成するのが難しいのです。
ブロックチェーンのトリレンマとは、スケーラビリティ・セキュリティ・分散化を同時に達成するという難題を指します。
サイドチェーンはメインチェーンに連結された別のブロックチェーンで、ベースレイヤーよりも異なるルールで、より速いスピードで取引を行えるようにします。
支払いチャネルでは2者がオフチェーンで取引できます。オンチェーンに表示されるのは開設と閉鎖の取引のみで、混雑と手数料を削減します。
はじめにスケーラビリティとは、一般にシステムが成長し、増え続ける需要を処理できる能力のことです。コンピューティングでは、ハードウェアをアップグレードしてマシンの性能を高められます。しかしブロックチェーンネットワークでは、課題は別です。ブロックチェーンをスケールするとは、より多くの取引を処理できるように容量を増やしつつ、安全で、多くの参加者にとってアクセス可能な状態を維持することです。
ビットコインが良い例です。その分散型の性質により、数千のノードが互いに同期し続ける必要があります。これは、一度に処理できる取引数に制約を生みます。需要が処理能力を超えると、取引手数料が上がり、承認（確定）までの時間が遅くなることがあります。
こうした問題をベースレイヤーだけで解決しようとするのではなく、多くの開発者がオフチェーンの解決策に注目してきました。最も重要なアプローチの2つが、サイドチェーンと支払いチャネルです。この記事では、それらがどのように機能し、より広いレイヤー2の領域の中でどのように位置づけられるのかを説明します。
ブロックチェーンのスケーラビリティ問題ビットコインのノードを運用することは比較的コストがかからず、控えめなハードウェアでも可能です。しかし、数千のノードが同期し続ける必要があるため、ネットワークが処理できる取引数には上限があります。ブロックサイズやブロックタイムの上限設定は、参加者全員にとってデータベースが管理可能であるようにするのに役立ちます。
このボトルネックは、高い需要がある期間に顕在化します。固定された席数を持ち、決まったスケジュールで出発する列車だと考えるとわかりやすいでしょう。席よりも多くの人が乗り込みたいとき、価格は上がります。混雑したネットワークでは、1秒あたりの取引数（TPS）あたりのコストが増え、割高な手数料を払わない人にとっては承認が遅くなります。
イーサリアムの創始者ビタリック・ブテリンは、この課題を「ブロックチェーンのトリレンマ」と表現しました。彼は、ブロックチェーンのシステムは「スケーラビリティ」「セキュリティ」「分散化」という3つの性質の間でトレードオフが生じると提案しました。このうち2つを改善すると、3つ目が悪化し得るということです。そのため、多くの人はスケーラビリティはメインチェーン上でなく、二次的なレイヤーで対応するのが望ましいと考えています。
オフチェーンのスケーリング手法とは？オフチェーンのスケーリングでは、メインのブロックチェーンに負荷をかけずに取引を行えます。チェーンの上に構築されたプロトコルにより、ユーザーは資金を送受信できますが、個々の取引はメインチェーンには記録されません。これにより、ベースレイヤーは軽量なまま、高い取引量を可能にします。
最も早期に登場し、広く導入されているアプローチのうち2つが、サイドチェーンと支払いチャネルです。どちらもメインチェーンの負荷を軽減しますが、仕組みはまったく異なります。
サイドチェーン入門サイドチェーンとは？サイドチェーンはメインチェーンの横で動作する別のブロックチェーンで、双方向のペグ（two-way peg）によってメインチェーンと接続されています。資産はメインチェーンとサイドチェーンの間で移動でき、またその逆も可能です。サイドチェーンは独立して動作し、独自のコンセンサスルール、ブロック作成時間、バリデータを持ちます。
サイドチェーンはどのように機能しますか？ユーザーが資産をサイドチェーンへ移すと、メインチェーン上の資金はロックされ、サイドチェーン側には同等の量が発行されます。ユーザーが戻ると、サイドチェーンのトークンは焼却（バーン）され、元の資金がアンロックされます。この仕組みを双方向ペグと呼びます。
たとえばアリスが5ビットコインを持っていて、より速いサイドチェーンを使いたいとします。彼女はビットコインをブリッジ用のアドレスへ送ってロックします。するとサイドチェーン上で、対応する5つのトークンを受け取ります。
これでアリスはサイドチェーン上で自由に取引できます。戻る準備ができたら、サイドチェーンのトークンを特別なアドレスへ送信し、メインチェーン上で彼女のビットコインが解放されます。ビットコインの観点では、彼女は2つの取引だけを行ったことになります。サイドチェーンへ入るための1回と、退出するための1回です。
なぜサイドチェーンが使われるのですか？サイドチェーンはメインチェーンのルールに縛られません。別のコンセンサスメカニズムを使ったり、より頻繁にブロックを生成したり、取引をより速く決済したりできます。また、新しい機能のテスト環境としても機能します。サイドチェーン上のバグが基盤となるネットワークに影響しないためです。
トレードオフはセキュリティです。サイドチェーンは通常、メインチェーンよりもセキュリティが低くなります。なぜなら、バリデータ数が少なく、独自のコンセンサスモデルを持つからです。サイドチェーン上で取引するユーザーは、ビットコインのルールではなく、そのサイドチェーンのルールを信頼することになります。
イーサリアムのPlasmaは、サイドチェーンといくつかの類似点を共有していた初期のフレームワークです。子チェーンの階層構造を用いて、イーサリアムのメインネットから取引をオフロードしました。いくつかの制限はあるものの、より高度なレイヤー2設計の土台を築くのに役立ちました。
支払いチャネル入門支払いチャネルとは？支払いチャネルでは、2者はブロックチェーンに各取引を公開せずに、オフチェーンで取引できます。最もよく知られた実装は、ビットコインのLightning Network（ライトニング・ネットワーク）です。支払いチャネルはスマートコントラクトを使って参加者間の共有残高を強制し、その残高を都度オンチェーン手数料を支払うことなく自由に更新できるようにします。
支払いチャネルはどのように機能しますか？チャネルを開設するには、2人の参加者が共有されたマルチシグアドレスに資金を預け入れます。このアドレスは、いかなる取引でも両者の署名を要求します。2人は共同で、各人がどれだけ保有しているかを追跡するプライベートな残高台帳を維持します。
たとえばアリスとボブがそれぞれ、共有アドレスに10 BTCずつ預けると、最初はそれぞれ10 BTCを持っている状態で始まります。アリスがボブに1 BTC支払いたい場合、残高台帳を次のように更新します。アリスは9 BTC、ボブは11 BTCです。この更新はブロックチェーンに触れません。以後、相互に取引を続け、必要な回数だけ残高を更新できます。
準備が整ったら、現在の残高をそれぞれの相手に送る最終取引に署名します。オフチェーンの更新が何回行われたかに関係なく、オンチェーンで必要なのは2つだけです。チャネルを開くための1回と、閉じるための1回です。その間の取引は無料で、ほぼ瞬時に完了します。
支払いルーティング支払いチャネルは、ネットワークに接続されると特に強力になります。たとえばボブがキャロルとの間でチャネルを開いている場合、アリスはキャロルと直接のチャネルを開かなくても支払えます。彼女は支払いをボブ経由でルーティングし、ボブがそれをキャロルに渡します。このルーティングは複数ホップにまたがって拡張できます。
うまくつながったネットワークでは、任意の2者の間に複数のルートが存在することがよくあります。支払いは十分な容量（キャパシティ）がある経路を見つけて、金額を転送します。これが、ライトニング・ネットワークが、直接やり取りしたことがないユーザー同士の間でビットコインの支払いを可能にする仕組みです。
レイヤー2のスケーリングはどのように進化してきたか？サイドチェーンや支払いチャネルが導入されて以来、レイヤー2のエコシステムはかなり成長しました。ロールアップと呼ばれる新しいクラスのスケーリング手法が、イーサリアムにおける支配的なアプローチになっています。ロールアップは取引をオフチェーンで実行し、圧縮されたデータをメインチェーンに投稿します。別のバリデータ群に頼るのではなく、イーサリアムのセキュリティを継承します。
ロールアップと並行して、ステートチャネルも支払いチャネルの一般化として登場してきました。これは、単なるトークンの移転だけでなく、参加者間でオフチェーンにてあらゆる種類の状態変化を起こせるようにします。これにより、単純な支払いを超えたアプリケーションの可能性が広がります。
ビットコインでは、ライトニング・ネットワークが主要な支払いチャネル解決策として継続して発展しています。ビットコイン固有のレイヤー2ネットワークも成長し、スマートコントラクト機能や、ビットコインの流動性を他のエコシステムへ橋渡しする仕組みが追加されました。各アプローチには異なる信頼の前提があるため、どの解決策を使うかを選ぶ際にはトレードオフを理解することが重要です。
よくある質問（FAQ）ブロックチェーンのスケーラビリティとは？ブロックチェーンのスケーラビリティとは、需要が増えたときにブロックチェーンネットワークがより多くの取引を処理できる能力のことです。ほとんどのブロックチェーンには、1秒あたりに処理できる取引数に上限があり、需要が高いと混雑や手数料の増加につながることがあります。
ブロックチェーンのトリレンマとは？ブロックチェーンのトリレンマとは、「ブロックチェーンはスケーラビリティ・セキュリティ・分散化を同時に完全には達成できない」という考え方です。これらの性質のどれかを改善しようとすると、別の性質を犠牲にする必要が生じがちです。
サイドチェーンと支払いチャネルの違いは？サイドチェーンは、メインチェーンの横で動作する別のブロックチェーンです。独自のバリデータとコンセンサスルールを持ちます。支払いチャネルは、別のブロックチェーンを必要とせず、スマートコントラクトで残高を追跡する、2者間のオフチェーン契約です。
ライトニング・ネットワークは安全に使えますか？ライトニング・ネットワークは暗号技術によるコントラクトを使って、不正のリスクを減らします。古いチャネル状態をブロードキャストしようとする参加者は、相手方によってペナルティを受け得ます。とはいえ、ユーザーは自分のノードをオンラインのままにしておくか、ウォッチタワーサービスを使ってチャネルを監視するべきです。どの技術でもそうですが、使う前にリスクを理解しておく価値があります。
ロールアップとは何で、サイドチェーンとどう違うのですか？ロールアップはメインチェーン外で取引を実行しますが、圧縮された取引データをメインチェーンに投稿します。基盤レイヤーのセキュリティを継承する点が特徴です。これに対してサイドチェーンは、独立した独自のセキュリティモデルで動作します。つまりサイドチェーンは、メインチェーンのセキュリティ保証ではなく、自分たちのバリデータに依存します。そのため、サイドチェーンはより高速かつ柔軟になり得ますが、信頼の置き方は別になります。
最後にサイドチェーンと支払いチャネルは、ブロックチェーンのスケーラビリティに対処するための初期のアプローチの一つです。どちらも取引をメインチェーンから移すことを目指し、混雑と手数料を減らしつつ、決済のためにベースレイヤーへのアクセスを維持します。
さらに読むビットコインのレイヤー2ネットワークとは？
オプティミスティック・ロールアップ vs ゼロ知識（ZK）ロールアップ：違いは？
ZKロールアップとは？レイヤー2スケーラビリティ手法
イーサリアムとは何か、どのように機能するのか？
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）を解説
免責事項：本コンテンツは一般情報および教育目的のために「現状のまま」の形で提供されています。いかなる表明または保証もありません。これを、金融・法律・その他の専門的助言として解釈したり、特定の製品やサービスの購入を推奨する意図はありません。適切な専門家からご自身で助言を得てください。本コンテンツが第三者提供者によって寄稿された場合、そこに含まれる見解は当該第三者提供者のものであり、必ずしもBinance Academyの見解を反映するものではありません。デジタル資産の価格は変動することがあります。投資した金額の価値は下がる場合も上がる場合もあり、投資額をそのまま回収できるとは限りません。投資判断はすべてご自身の責任で行っていただきます。Binance Academyは、発生し得るいかなる損失についても責任を負いません。詳細は、利用規約、リスクに関する警告、およびBinance Academyの利用規約をご確認ください。