# 《オフチェーン拡張デプス解析》著者:研究チーム## 1. スケーラビリティの必要性ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです: それは、分散型、安全性、スケーラビリティを兼ね備えています。しかし、通常、ブロックチェーンはこのうちの2つしか実現できず、これら3つの要件を同時に満たすことは「ブロックチェーンの不可能三角問題」と呼ばれています。長年にわたり、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。分散型と安全性を保証しつつ、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させる、つまりスケーラビリティの問題を解決することは、現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットトピックの一つです。まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティを大まかに定義しましょう:* 非中央集権:誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できる。ノードの数が多いほど、非中央集権の度合いが高まり、ネットワークが少数の大規模な中央集権的参加者の支配を受けないことを保証する。* セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかかるコストが高いほど、セキュリティは高くなり、したがって、チェーンは参加者の攻撃に対してより高い割合で抵抗できる。* スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。ビットコインネットワークの最初の重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題に起因しています。ビットコインのユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBの各ブロックの上限を持つビットコインネットワークは混雑問題に直面し始めました。2015年から、ビットコインコミュニティではスケーラビリティの問題に対する意見の相違があり、一方はBitcoin ABCを代表するブロック拡大を支持する派、もう一方はBitcoin Coreを代表する小さなブロック派で、隔離証明Segwit案を用いてメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えています。2017年8月1日、Bitcoin ABCは8MBのクライアントシステムを独自に開発し運用を開始し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生しました。また、その結果、新しい仮想通貨BCHが誕生しました。同様に、イーサリアムネットワークも一部のスケーラビリティを犠牲にして、ネットワークの安全性と分散化を保障しています。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限することで取引量を制約しているわけではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設ける形に変わっていますが、目的はトラストレスコンセンサスを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(制限を解除するか引き上げるかにかかわらず、帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小さなノードは多く排除されることになります)。2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオフチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場はスループットの需要が増大しています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり15〜45件の取引(TPS)しか処理できず、その結果、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsは運営コストを負担できなくなっています。このため、全体のネットワークはユーザーにとって遅くて高価になり、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決される必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、分散化とセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの取引速度(を可能な限り向上させ、ファイナリティ時間)を短縮し、取引スループット(を高めることです。! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-7d930821d982f99c43cf5400e4db2175(## 2. スケーリングソリューションの種類私たちは「メインネットのレイヤーを変更するかどうか」を基準として、スケーリングソリューションをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大きなカテゴリーに分けています。) 2.1 チェーン上のスケーリングコアコンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することによってスケーラビリティを達成するソリューションであり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。チェーン上のスケーリングにはさまざまなソリューションがあり、この記事では詳細を展開しませんが、以下に2つのソリューションを簡単に列挙します:* プラン1はブロックスペースを拡大することであり、つまり各ブロックにパッケージ化されるトランザクションの数を増やすことですが、これは高性能ノードデバイスに対する要求を高め、ノードの参加のハードルを上げ、"分散化"の程度を低下させます。* 方案二はシャーディングであり、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割し、すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、つまり異なるノードが異なる記帳を担当します。並列計算により、複数の取引を同時に処理できます。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルが下がり、取引処理速度と分散化の程度が向上します。しかし、これは全ネットワークの計算力が分散されることを意味し、全体としてネットワークの「安全性」が低下します。主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずかなセキュリティの脆弱性がネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすからです。ネットワークはフォークを強いられたり、修正のために中断されたりする可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件：ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されたもので、2018年にエンジニアがその基盤となるコードに重大な脆弱性があることを発見しました。つまり、トークンが無限に発行できるというもので、チームは8か月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正されてからこの事件を公表しました。### 2.2 オフチェーン拡張**コアコンセプト:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更しないスケーリングソリューション。**オフチェーン拡張ソリューションは、Layer2 とその他のソリューションに細分化できます:! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析]###https://img-cdn.gateio.im/social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e(## 3. オフチェーン拡張の方案) 3.1 ステートチャネル#### 3.1.1 まとめステートチャネルは、チャネルが開かれている、閉じられている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しており、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことで、ユーザーの取引にかかる時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けないことを実現します。ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターン制アプリケーション"に適しており、例えば2人のチェスゲームなどです。各チャネルはメインネット上で動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理され、このコントラクトはチャネルに預けられた資産を制御し、ステート更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します###。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトをデプロイした後、資金を預けてロックし、双方が署名確認を行った後にチャネルが正式に開通します。チャネルは参加者間で無制限のオフチェーン無料取引(を可能にし、彼らの送金ネットワースが預けられたトークンの総額)を超えない限り、行うことができます。参加者は交互に相手にステート更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名確認を行うと、そのステート更新は完了と見なされます。通常、双方が合意したステート更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じたりチャネルを閉じたりする際にのみメインネットの確認が必要です。チャネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者はメインネットに取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員の一致した署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行され、スマートコントラクトはチャネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を分配します。もし他の参加者が署名承認を行わなかった場合、全員は"チャレンジ期間"の終了を待たなければ、残りの資金を受け取ることができません。以上のように、ステートチャネルのソリューションはメインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、取引コストを低下させることができます。(# 3.1.2 タイムライン* 2015/02、ジョセフ・プーンとサディウス・ドリヤがライトニングネットワークのホワイトペーパー草案を発表しました。* 2015/11、ジェフ・コールマンは初めてステートチャンネルの概念を体系的にまとめ、ビットコインのペイメントチャンネルはステートチャンネルの概念における一つのサブケースであると提案しました。* 2016/01、ジョセフ・プーンとタデウス・ドライジャが正式にホワイトペーパー《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》を発表し、ビットコインのライトニングネットワークのスケーラブルなデプスのソリューションであるPayment Channel)支払いチャネル###を提案しました。このソリューションは、ビットコインネットワーク上の送金支払いのみを処理するためのものです。* 2017年11月、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初の設計仕様であるSpritesが提案されました。* 2018/06年に、Counterfactualは、State Channelsに完全に関連する最初の設計であるGeneralized State Channelsの非常に詳細な設計を提案しました。* 2018年10月、Generalised State Channel Networksの記事では、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案されました。* 2019/02、ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそのアイデアに基づいて構築された最初のプロトコルです。* 2019/10、Pisaはすべての参加者が継続的にオンラインである必要がある問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。* 2020/03, HydraはFast Isomorphic Channelsを提案しています。(# 3.1.3 技術原則図1は、従来のチェーン上の作業フローを示しています: アリスとボブは、メインネットにデプロイされたスマートコントラクトと相互作用し、ユーザーはチェーン上に取引を送信することによってスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は、上で議論した時間とコストの問題をもたらすことです。! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5###図2は、ほとんどのステートチャネルプロトコルが従う一般的なワークフローを示しています:楽観的な場合、アリスとボブは以前と同じ操作を実行する必要がありますが、今回はオンチェーン契約と対話するのではなく、ステートチャネルを使用します。* 第一步、アリスとボブは、個人EOAから資金をオフチェーン契約アドレス(に入金することで、1,2)の相互作用を行います。これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じるまでユーザーに残高が返されることはありません。二人が署名確認を行うと、二人の間の状態チャネルが正式に開通します。* 第二ステップ、アリスとボブはこのチャンネルを通じて理論的にオフチェーンで無制限の取引を行うことができる(青い破線)。参加者は暗号化された署名メッセージで相互に通信し(、ブロックチェーンネットワークとは通信しない)。両方のユーザーは、二重支払いの悪用を防ぐために各取引に署名する必要がある。これらのメッセージを通じて、彼らは自分のアカウントの状態更新を提案し、相手が提案した状態更新を受け入れる。* 第三步、もしアリスがボブとの間の取引を終了するためにチャンネルを閉じたい場合、アリスは契約に自分のアカウントの最終状態(を提出する必要があります。ボブが署名を承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を対応するユーザーに返還します)のインタラクション4,5(。ボブが署名に応答しない場合、契約はチャレンジ期間が終了した後にロックされた資金を対応するユーザーに返還します。! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709(図3は、悲観的な状況下でのステートチャネルのワークフローを示しています: 初めに、二人の参加者が資金)を預け入れ、インタラクション1、2(が行われ、その後、ステート更新)を交換し始めます。ある時点で、ボブがアリスから送られたステート更新署名(のインタラクション3に応答しない場合、アリスはコントラクトに自分の最後の有効なステートを提出することによって挑戦を開始できます)のインタラクション4。 この有効なステートには、ボブの以前の署名も含まれており、最後の取引がボブの承認を受けていることを証明し、最終ステートがボブの確認を受けていることを示しています。その後、コントラクトはボブが一定時間内に次のステートをコントラクトに提出して応答することを許可します; もしボブが応答すれば、二人はステートチャネル内で取引を続けることができます; もしボブがその期間内に応答しなければ、コントラクトは自動的にステートチャネルを閉じ、資金をアリスに返還します(のインタラクション5。! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa()#3.1.4長所と短所価値：- 取引の即時性が高く、高頻度の少額支払いに適している- 取引手数料が安い- プライバシーが強化され、オフチェーン取引は公開されません- スケーラビリティが高く、理論的には無限のTPS短所： - 資金をロックする必要があります- 通道が閉じている時はオンチェーンの確認が必要です- 参加者はオンラインのままでいる必要があります- 大口取引や低頻度取引には適していません- 資金窃盗のリスクがある(# 3.1.5 アプリケーション**ビットコイン・ライトニングネットワーク****概要：**ライトニングネットワークはビットコインネットワークの小額決済チャネルであり、その全体的な技術進化は次のようになります: 2/2 マルチシグで構築された片方向決済チャネル、RSMC)Revocable Sequence Maturity Contract(を追加することで双方向決済チャネルが構築可能になり、さらに追加します。
深度解析：オフチェーン拡張ソリューションはどのようにブロックチェーントリレンマを突破するか
《オフチェーン拡張デプス解析》
著者:研究チーム
1. スケーラビリティの必要性
ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです: それは、分散型、安全性、スケーラビリティを兼ね備えています。しかし、通常、ブロックチェーンはこのうちの2つしか実現できず、これら3つの要件を同時に満たすことは「ブロックチェーンの不可能三角問題」と呼ばれています。長年にわたり、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。分散型と安全性を保証しつつ、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させる、つまりスケーラビリティの問題を解決することは、現在のブロックチェーンの発展過程で議論されているホットトピックの一つです。
まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティを大まかに定義しましょう:
ビットコインネットワークの最初の重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題に起因しています。ビットコインのユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBの各ブロックの上限を持つビットコインネットワークは混雑問題に直面し始めました。2015年から、ビットコインコミュニティではスケーラビリティの問題に対する意見の相違があり、一方はBitcoin ABCを代表するブロック拡大を支持する派、もう一方はBitcoin Coreを代表する小さなブロック派で、隔離証明Segwit案を用いてメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えています。2017年8月1日、Bitcoin ABCは8MBのクライアントシステムを独自に開発し運用を開始し、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生しました。また、その結果、新しい仮想通貨BCHが誕生しました。
同様に、イーサリアムネットワークも一部のスケーラビリティを犠牲にして、ネットワークの安全性と分散化を保障しています。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限することで取引量を制約しているわけではなく、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設ける形に変わっていますが、目的はトラストレスコンセンサスを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(制限を解除するか引き上げるかにかかわらず、帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小さなノードは多く排除されることになります)。
2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、そしてその後のGameFiやNFTなどのオフチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場はスループットの需要が増大しています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、1秒あたり15〜45件の取引(TPS)しか処理できず、その結果、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsは運営コストを負担できなくなっています。このため、全体のネットワークはユーザーにとって遅くて高価になり、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題は早急に解決される必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、分散化とセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークの取引速度(を可能な限り向上させ、ファイナリティ時間)を短縮し、取引スループット(を高めることです。
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2. スケーリングソリューションの種類
私たちは「メインネットのレイヤーを変更するかどうか」を基準として、スケーリングソリューションをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大きなカテゴリーに分けています。
) 2.1 チェーン上のスケーリング
コアコンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することによってスケーラビリティを達成するソリューションであり、現在の主要なソリューションはシャーディングです。
チェーン上のスケーリングにはさまざまなソリューションがあり、この記事では詳細を展開しませんが、以下に2つのソリューションを簡単に列挙します:
主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるわずかなセキュリティの脆弱性がネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすからです。ネットワークはフォークを強いられたり、修正のために中断されたりする可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件：ZcashのコードはBitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されたもので、2018年にエンジニアがその基盤となるコードに重大な脆弱性があることを発見しました。つまり、トークンが無限に発行できるというもので、チームは8か月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正されてからこの事件を公表しました。
2.2 オフチェーン拡張
コアコンセプト:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更しないスケーリングソリューション。
オフチェーン拡張ソリューションは、Layer2 とその他のソリューションに細分化できます:
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3. オフチェーン拡張の方案
) 3.1 ステートチャネル
3.1.1 まとめ
ステートチャネルは、チャネルが開かれている、閉じられている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しており、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことで、ユーザーの取引にかかる時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けないことを実現します。
ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターン制アプリケーション"に適しており、例えば2人のチェスゲームなどです。各チャネルはメインネット上で動作するマルチシグスマートコントラクトによって管理され、このコントラクトはチャネルに預けられた資産を制御し、ステート更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します###。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトをデプロイした後、資金を預けてロックし、双方が署名確認を行った後にチャネルが正式に開通します。チャネルは参加者間で無制限のオフチェーン無料取引(を可能にし、彼らの送金ネットワースが預けられたトークンの総額)を超えない限り、行うことができます。参加者は交互に相手にステート更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名確認を行うと、そのステート更新は完了と見なされます。通常、双方が合意したステート更新はメインネットにアップロードされず、争いが生じたりチャネルを閉じたりする際にのみメインネットの確認が必要です。チャネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者はメインネットに取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員の一致した署名承認を得た場合、チェーン上で即座に実行され、スマートコントラクトはチャネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を分配します。もし他の参加者が署名承認を行わなかった場合、全員は"チャレンジ期間"の終了を待たなければ、残りの資金を受け取ることができません。
以上のように、ステートチャネルのソリューションはメインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、取引コストを低下させることができます。
(# 3.1.2 タイムライン
(# 3.1.3 技術原則
図1は、従来のチェーン上の作業フローを示しています: アリスとボブは、メインネットにデプロイされたスマートコントラクトと相互作用し、ユーザーはチェーン上に取引を送信することによってスマートコントラクトの状態を変更します。欠点は、上で議論した時間とコストの問題をもたらすことです。
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図2は、ほとんどのステートチャネルプロトコルが従う一般的なワークフローを示しています:楽観的な場合、アリスとボブは以前と同じ操作を実行する必要がありますが、今回はオンチェーン契約と対話するのではなく、ステートチャネルを使用します。
! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(
図3は、悲観的な状況下でのステートチャネルのワークフローを示しています: 初めに、二人の参加者が資金)を預け入れ、インタラクション1、2(が行われ、その後、ステート更新)を交換し始めます。ある時点で、ボブがアリスから送られたステート更新署名(のインタラクション3に応答しない場合、アリスはコントラクトに自分の最後の有効なステートを提出することによって挑戦を開始できます)のインタラクション4。 この有効なステートには、ボブの以前の署名も含まれており、最後の取引がボブの承認を受けていることを証明し、最終ステートがボブの確認を受けていることを示しています。その後、コントラクトはボブが一定時間内に次のステートをコントラクトに提出して応答することを許可します; もしボブが応答すれば、二人はステートチャネル内で取引を続けることができます; もしボブがその期間内に応答しなければ、コントラクトは自動的にステートチャネルを閉じ、資金をアリスに返還します(のインタラクション5。
! [10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(
)#3.1.4長所と短所
価値：
短所：
(# 3.1.5 アプリケーション
ビットコイン・ライトニングネットワーク
概要：
ライトニングネットワークはビットコインネットワークの小額決済チャネルであり、その全体的な技術進化は次のようになります: 2/2 マルチシグで構築された片方向決済チャネル、RSMC)Revocable Sequence Maturity Contract(を追加することで双方向決済チャネルが構築可能になり、さらに追加します。