なぜレイヤー1ブロックチェーンはスケーリングが必要なのか

EthereumやBitcoinなどのパブリックブロックチェーンは、すべてのノードが各ブロックを検証することを要求することで取引を保護します。この設計は信頼性の欠如（トラステルネス）を保証しますが、1秒あたりの取引数（TPS）を制限します。

需要が急増すると、限られたTPSによりネットワークの混雑、ガス代の上昇、確認の遅延が発生し、一般ユーザーや開発者を遠ざける可能性があります。

  • Ethereumの約15〜30 TPS vs. Visaの24,000 TPS以上
  • ピーク時の手数料上昇（例：DeFiの急増時）
  • ブロック時間の長さがユーザー体験に影響

レイヤー2ネットワークとは何か

レイヤー2（L2）ネットワークとは、レイヤー1（L1）ブロックチェーンの上に位置する独立したプロトコルです。オフチェーンで取引処理を行い、定期的にサマリーや証明をL1に送信して最終決済を行います。

大部分の処理がオフチェーンで行われるため、L2はより高いスループットと低い手数料を実現しつつ、基盤となるL1のセキュリティ保証を継承できます。

  • 独立して動作するが、最終性（ファイナリティ）にはL1に依存
  • パーミッションド（許可制）またはパーミッションレス（非許可制）のいずれも可能
  • 例：Optimism, Arbitrum, zkSync, Polygon

ロールアップ：最も人気のあるレイヤー2設計

ロールアップは、多数の取引を単一のバッチにまとめ（「ロールアップ」）、そのバッチを暗号学的証明とともにL1に投稿する特定のタイプのL2です。この証明は、含まれるすべての取引の正確性を検証します。

主なファミリーは2つあります：オプティミスティックロールアップとゼロノレッジ（zk）ロールアップ。どちらも同様のスケーラビリティ向上を実現しますが、正確性を証明する方法が異なります。

  • オプティミスティックロールアップは取引が有効であると仮定し、不正証明のためのチャレンジ期間を設けます。
  • zkロールアップは、有効性を数学的に保証する簡潔な証明（SNARK/STARK）を生成します。
  • 両方ともデータをL1に投稿し、検閲耐性を維持します。

オプティミスティックロールアップの仕組み

ユーザーがオプティミスティックロールアップに取引を送信すると、L2オペレーターはそれをバッチに記録し、ロールアップの状態を即座に更新します。その後、バッチはL1のスマートコントラクトに送信され、事前定義されたチャレンジウィンドウ（通常1〜2週間）を待機します。

無効な取引を検出した場合、誰でも不正証明を提出できます。コントラクトは証明を検証し、不正が確認された場合、問題のある取引は巻き戻され、挑戦者には報酬が支払われます。

  • 実装が簡単で、既存のEVMツールを使用可能
  • チャレンジ期間により、最終性（ファイナリティ）に遅延が生じる
  • OptimismやArbitrumなどのプロジェクトで広く採用

zkロールアップの仕組み

ゼロノレッジロールアップは、バッチ内のすべての取引の正確性を証明する暗号学的証明（SNARKまたはSTARK）を生成します。この証明は、最小限のデータとともにL1に投稿され、L1コントラクトは証明を即座に検証します。

有効性が数学的に保証されるため、チャレンジ期間は不要です。ユーザーは、L1で証明が受理された時点で取引が最終確定したとみなせます。

  • ほぼ即時の最終性（ファイナリティ）
  • 証明生成のための計算コストが高い
  • 例：zkSync, StarkNet, Loopring

ロールアップタイプと他のL2ソリューションの選択

開発者やユーザーはトレードオフを考慮すべきです。オプティミスティックロールアップは既存のスマートコントラクトとの統合が容易ですが、zkロールアップはより速い最終性と強力なプライバシー保証を提供する一方、より複雑なツールが必要です。

ステートチャネル、サイドチェーン、プラズマなどの他のL2アプローチは、ゲームや高頻度取引などの特定のユースケースに対応します。しかし、ロールアップは、汎用的なDeFiやNFTアプリケーションのスケーリングパスとして主導的な地位を確立しています。