モジュラーブロックチェーン：プラグイン式のブロックチェーン性能ボトルネック解決

ブロックチェーン技術は誕生以来、可用性の課題に直面しています。単体ブロックチェーンはその包括性で知られ、データストレージから取引検証など、ネットワークのさまざまな側面を独立して担っています。しかし、この設計は性能のボトルネックももたらしました。モジュラーブロックチェーンは、ブロックチェーンの異なる機能を独立したモジュールに分離することで、特定の機能においてより良い性能サポートとユーザー体験を提供し、ある程度「不可能の三角」問題を解決しました。

イーサリアムは、最初のスマートコントラクトをサポートするブロックチェーンプラットフォームとして、モジュラー設計に肥沃な土壌を提供しました。技術の発展に伴い、ビットコインエコシステムもモジュール化の可能性を探り始め、新しいモジュールを追加することで、改善されたプライバシー保護、より効率的な取引処理、または強化されたスマートコントラクト機能など、より高度な機能を実現しています。

モジュラー技術は、より"柔軟な"プラグイン製品の考え方を代表しています。将来的には、より柔軟でカスタマイズ可能なブロックチェーンソリューションが登場する可能性があり、さまざまなサービスや機能をレゴブロックのように簡単に挿入したり取り外したりできるようになります。この柔軟性により、開発者は特定のアプリケーションシーンのニーズに応じて、迅速にブロックチェーンソリューションを構築および展開できるようになります。

単一ブロックチェーンとモジュラーブロックチェーン

モジュラーブロックチェーンについて考察する際には、まず単体ブロックチェーンという概念を理解する必要があります。単体チェーン、例えばビットコインやイーサリアムなどは、その包括性で知られ、データストレージから取引検証、さらにはスマートコントラクトの実行まで、ネットワークの各層面を独立して担っています。このプロセスにおいて、単体チェーンは多才な役割を果たし、すべての段階に関与しています。

イーサリアムを例にとると、成熟した単体ブロックチェーンは一般的に大きく四つのアーキテクチャに分けることができます:

• 実行レイヤー (Execution Layer)
• セトルメントレイヤー(セトルメントレイヤー)
• データ可用性レイヤー/DAレイヤー (Data可用性Layer)
• コンセンサス層 (コンセンサス層)

モジュラーブロックチェーンとは、ブロックチェーンシステムを複数の専門的なコンポーネントやレイヤーに分解する新しいアーキテクチャであり、各コンポーネントは合意、データの可用性、実行、決済などの特定のタスクを処理する責任を負います。

モジュラーブロックチェーンは、各自の分野に特化した専門家の集まりのように、深い掘り下げと技術革新に取り組んでいます。このような特化により、モジュラーブロックチェーンは特定の機能において卓越した性能とユーザー体験を提供できるようになり、例えば、より低コストでより速い取引処理速度を実現しています。

ノードアーキテクチャの観点から、モノリシックチェーンはフルノードに依存しており、これらのノードはブロックチェーンのデータコピー全体をダウンロードして処理する必要があります。これはストレージと計算リソースに対して高い要求を課し、ネットワークの拡張速度を制限します。これに対して、モジュラーブロックチェーンは軽ノード設計を採用しており、ブロックヘッダー情報のみを処理する必要があるため、取引速度とネットワーク効率が大幅に向上します。

モジュラーブロックチェーンの一つの顕著な利点は、その柔軟性と協調性です。コアでない機能を他の専門家にアウトソーシングできるため、シナジー効果を生み出し、全体的なパフォーマンスを大幅に向上させることができます。このデザイン哲学はレゴブロックに似ており、開発者はプロジェクトのニーズに応じて異なるモジュールを自由に組み合わせて、多様なソリューションを創造することができます。

モジュラーブロックチェーンはその高い柔軟性とカスタマイズ性で際立ち、新しいブロックチェーンの作成と最適化プロセスを簡素化します。

しかし、モジュラーブロックチェーンは独自の課題にも直面しています。その複雑なアーキテクチャは、開発者が設計、開発、保守において負担を増加させます。新興技術として、モジュラーブロックチェーンはまだ包括的なセキュリティテストや市場の変動の試練を経験しておらず、その長期的な安定性とセキュリティはさらなる検証が必要です。

モジュラーブロックチェーンが"不可能三角"を解決する

ブロックチェーンの"不可能三角"は、あるブロックチェーンネットワークが同時に安全性、去中心化性、そして可用性という3つのコア属性の最適状態を達成することが難しいことを指します。

• スケーラビリティは、ネットワークが大量の取引を処理する能力、及びユーザーや取引量の増加時に効率的で低コストで運営される能力に関心を持っています。通常、TPS（毎秒取引量）と遅延（取引確認に必要な時間）で測定されます。

• セキュリティは、ブロックチェーンネットワークを攻撃から保護するためのコストと難易度に関わっています。例えば、ビットコインのPOWメカニズムは、攻撃者が全ネットワークの51％以上のハッシュレートを掌握することを要求し、イーサリアムのPOSメカニズムでは、3分の1以上のノードが共謀する必要があります。

• 去中心化性は、ネットワークの運作が単一の中心ノードに依存せず、多くのノードに分散していることを示しています。ノードが多いほど、地理的分布が広いほど、ネットワークの去中心化の程度は高くなります。

"不可能三角"の核心的な見解は、あるブロックチェーンシステムがこの三つの特性のすべてを最適化することが難しいという点にあります。例えば、多くのパブリックチェーンの中で、ビットコインとイーサリアムは、その広範なノードの分布と十分なノードの数により、非中央集権性と安全性の面で際立っています。

しかし、それらは一定のスケーラビリティを犠牲にしており、取引速度が遅く、取引手数料が高くなっています。ビットコインのブロック生成時間は約10分で、イーサリアムのTPSは約13です。取引量が急増した際には、イーサリアムの取引手数料が数百ドルに達することがあります。

正是在这样的背景下,モジュラーブロックチェーン技術が応用され、異なる機能を専門のモジュールに分配することで、従来のパブリックブロックチェーンのスケーラビリティと取引コストに関する課題を解決します。例えば、ビットコインのライトニングネットワークとイーサリアムのRollup技術は、モジュラーの考え方の具体化です。

モジュラーブロックチェーンの利点は、その階層アーキテクチャにあり、各層が特定のニーズに対して最適化されることを許可します。データ層はデータの保存と検証に集中でき、実行層はスマートコントラクトのロジックを処理できます。この分離は性能と効率を向上させるだけでなく、異なるブロックチェーン間の相互運用性を促進し、オープンで相互接続されたエコシステムを構築するための基盤を提供します。

以上のことから、モジュラーブロックチェーン技術は従来のパブリックチェーンの限界を解決する新しい方法を提供します。それは、分散化と安全性を維持しながら、より高いスケーラビリティと低い取引コストを実現し、ブロックチェーン技術の広範な利用と長期的な発展に深遠な意義を持っています。

モジュラーブロックチェーンのタイプ

モジュラーブロックチェーンは、そのアーキテクチャの特性に基づいて、異なるタイプに分類することができます。これらのタイプの中で、データ可用性層とコンセンサス層は、その密接な相互依存性のために、しばしば統一された全体として設計されます。これは、ノードが取引データを受信した際に、通常は取引の順序も同時に決定されるためであり、これはブロックチェーンのセキュリティと改ざん防止の核心です。

この設計原則に基づいて、私たちは実行層、データ可用性層、コンセンサス層、および決済層の3つの側面からモジュラーブロックチェーンの異なるプロジェクトをそれぞれ理解することができます。

Execution Layer:レイヤー2テクノロジー

レイヤー2技術は、ブロックチェーンアーキテクチャにおける実行層の延長として、モジュラーブロックチェーンの概念の一形態です。これは、基盤となるブロックチェーンの上に構築されたオフチェーンネットワーク、システム、または技術を通じて、メインチェーンのスケーラビリティを向上させることを目指しています。

Layer 2 ソリューションは、より迅速でコスト効率の高い取引処理を可能にし、同時に基盤となるブロックチェーンのセキュリティと非中央集権的な特性を維持します。データダッシュボードによると、イーサリアムエコシステム上で Layer 2 の検証と清算にかかるガスの割合は平均で 10% 未満であり、ユーザーの取引コストを大幅に節約しています。

Rollup技術は現在Layer 2で最も主流な解決策であり、その核心理念は「オフチェーン実行、オンチェーン検証」です。オフチェーンで計算などの作業を実行し、その後calldataデータをメインネットにアップロードします。

オフチェーン実行

Rollupモデルでは、取引はオフチェーンで実行され、基盤となるブロックチェーンはスマートコントラクト内の取引証明の検証および元の取引データの保存のみを担当します。この設計はメインチェーンの計算負担を大幅に軽減し、ストレージの必要性を減少させることで、より効率的な取引処理を可能にします。

コストをさらに削減するために、Rollupは取引パッケージ技術を採用しています。これは物流における貨物の集約に例えることができます。個別に貨物を送ると高額な運賃が発生しますが、Rollup技術は複数の取引をまとめてパッケージ化し、1回の「輸送」で済むため、各取引のコストを大幅に削減します。

オンチェーン検証

オンチェーン検証はLayer 2ネットワークの安全性の鍵です。Layer 2ネットワークは、基盤となるブロックチェーン上の潜在的な対立を解決するために、暗号証明を提供する必要があります。現在、主流の証明メカニズムは、エラー証明と有効性証明の2つであり、それぞれOptimistic RollupsとZK Rollupsを支えています。

オプティミスティックロールアップの誤り証明

オプティミスティック・ロールアップは、すべての取引が明示的な証拠がない限り有効であるという楽観的な仮定を採用しています。このモデルは、チャレンジ期間中の誤りの証明（詐欺証明）に依存しており、ネットワークの参加者は誰でもスマートコントラクトの状態に異議を唱える証明を提出でき、ネットワークの公正性と透明性が確保されます。

現在、Optimistic Rollups メカニズムを使用したレイヤー 2 レイヤーは合計 16 個あります (アービトラム、OP、ベース、ブラストなど)。

ZKロールアップの有効性の証明

Optimistic Rollupsとは異なり、ZK Rollupsはより慎重なアプローチを採用し、すべての取引が受け入れられる前に有効性証明を受ける必要があります。この証明メカニズムは検証プロセスに似ており、Layer 2ネットワーク内の各取引と計算が正確であることを保証します。

簡単に言えば、有効性証明はZK-Rollupsの基礎であり、各取引のバッチには対応する証明が添付されることが要求され、これにより基盤となるブロックチェーン上のスマートコントラクトが状態の変更を検証し承認できるようになります。検証ノードにとって、ZK Rollupsはエラーゼロの決済メカニズムを提供します。なぜなら、各取引は厳格な有効性検証を通過しなければならないからです。

現在、ZK Rollupsメカニズムを使用したレイヤー2レイヤーは、Linea、Starknet、zkSyncなど11個あります。

データ可用性層とコンセンサス層

セレスティア

Celestiaはモジュラーブロックチェーン分野の先駆者であり、その本質はデータの可用性層であり、dAppsやRollupの開発に対して堅固な基盤を提供します。Celestiaのデータ可用性層とコンセンサス層にデプロイすることにより、アプリケーション開発者は実行ロジックの最適化に集中でき、データの可用性とコンセンサスメカニズムの複雑さをCelestiaに処理させることができます。

Celestiaのアーキテクチャ設計はモジュラーブロックチェーンの拡張に多様なソリューションを提供しており、その体系構造は主に以下の三つのタイプを含んでいます:

• 主権Rollup: Celestiaはデータ可用性層と合意層を提供し、決済層と実行層はそれぞれの主権チェーンによって独立して実装されます。
• セトルメントロールアップ（例：Cevmosプロジェクト）：Celestiaが提供するDAおよびコンセンサス層を基に、Cevmosはセトルメント層サービスを提供し、アプリケーションチェーンが実行層の役割を担います。
• Celestium: データ可用性層は Celestia が担当し、コンセンサス層と決済層はイーサリアムの強力なネットワークに依存し、アプリケーションチェーンは実行層に引き続き焦点を当てます。