Layer 1 ブロックチェーン

Layer 1 ブロックチェーンの仕組みと、その限界を理解しましょう。

はじめに

ブロックチェーンのネットワークを使いたい人が、そのネットワークの処理できる量を超えて増えると、問題が起こります。ブロックスペースへの大きな需要は、一時的なこともあれば、使いたい人が多いかぎり続くこともあります。需要が高いときは、トランザクションを早く処理してもらうために利用者どうしが競って入札し、手数料が上がって、資金の少ない人は締め出されてしまいます。

このレッスンでは、Ethereum をはじめとするブロックチェーンがブロックチェーンのトリレンマから逃れられない理由、それが上のような問題の根本原因である理由、そしてトリレンマが Ethereum の計画にどう影響するのかを見ていきます。いくつかのブロックチェーンがトリレンマにどう向き合ったのか、それが Academy のエクスプローラーにとって何を意味するのかも取り上げます。

ブロックチェーンのトリレンマ

「トリ（tri）レンマ」という言葉のとおり、ブロックチェーンには互いに競い合う 3 つの性質があり、3 つすべてを同時に最適化することはできません。

その 3 つとは、セキュリティ、スケーラビリティ、分散化です。

ブロックチェーンが世界規模の通貨システムの、偏りのない土台となるには、この 3 つすべてで優れている必要があります。通貨システムには、詐欺に強い安全性と、分散化による検閲者からの守り、そして 80 億人を超える人々の需要に応えるスケーラビリティが求められます。

理解度チェック 1

ブロックチェーンのトリレンマが表すのは、次のどれの関係でしょうか。

[ ] Ethereum、Bitcoin、アルトコイン
[ ] セキュリティ、検閲、詐欺
[ ] 分散化、スケーラビリティ、セキュリティ
[ ] セキュリティ、速さ、安い手数料

セキュリティとコンセンサス

セキュリティは、公開されたブロックチェーンにとってもっとも土台となる条件です。ネットワーク内のコンピューターが協力して動くには、どのトランザクションが本当に起きたのかについて意見を合わせなければなりません。この合意をコンセンサスと呼びます。攻撃者がこの合意を妨げられないとき、そのブロックチェーンは安全だといえます。コンセンサスアルゴリズムは、こうした攻撃に耐えるように設計されています。

Bitcoin のようにプルーフオブワークのコンセンサスを使うチェーンは、ブロックの生成を厳しい競争にすることで合意を守ります。生成者はそれぞれ数学の問題を解こうと競い、最初に解いた人が次のブロックを作る権利とブロック報酬を得ます。最近の履歴を書き換えるには膨大な計算資源とエネルギーが必要になるため、攻撃者は得られるものより多くを費やすことになります。

理解度チェック 2

暗号資産におけるブロックチェーンのコンセンサスとは何でしょうか。

[ ] ノードがオンチェーンで起きたことに合意する仕組み
[ ] 詐欺を防ぐため、そのチェーンの関係者すべてにとって重要なもの
[ ] 経済的なインセンティブによって守られているもの
[ ] 上記のすべて

セキュリティと攻撃

コンセンサスへの攻撃の 1 つが51%攻撃です。ネットワークのコンセンサスの力の過半数を握った攻撃者は、最近のトランザクションを取り消して同じコインを二重に使ったり、新しいトランザクションを検閲したりできます。署名を偽造したり、他人の資金を使ったりはできません。この過半数とは、プルーフオブワークでは計算能力の 51%、プルーフオブステークではステークの 51% を指し、どちらも巨額の資本が要ります。さらにプルーフオブステークでは、矛盾する 2 つのブロックに署名するなど証明できる不正を行うと、そのステークは破棄されます（スラッシング）。攻撃者は得るものより失うもののほうが大きくなります。

プルーフオブステークのコンセンサスでは、ブロックの生成者は競争ではなく、無作為に割り当てられます。プルーフオブワークと同じく、特定の 1 者が新しいブロックを作る権利を常に勝ち取り続けることはできません。

理解度チェック 3

51%攻撃の最終的な目的は何でしょうか。

[ ] マイニングの運用を妨げること
[ ] コインの二重支払い、またはトランザクションの検閲
[ ] 新しい暗号資産を作ること
[ ] 残りの 49% を排除すること

スケーラビリティ - 処理量

スケーラビリティとは、ブロックチェーンが多くのトランザクションを素早く処理する能力のことです。これは 2 つの要素で決まります。処理量とファイナリティです。

1）トランザクション処理量: 1 度にどれだけのトランザクションを処理できるか。ふつうは 1 秒あたりの件数（TPS）で測ります。

バス停に大勢の人が待っていて、毎分さらに増えていく様子を思い浮かべてください。全員が移動したいのですが、バスに乗れる人数には限りがあります。行列を早くさばくには、大きなバスを使う（人数を増やす）か、運行を増やす（間隔を縮める）しかありません。ブロックごとに限られたブロックスペースへ多くのトランザクションを詰め込むのも同じです。実際のデータの様子は https://txstreet.com/v/eth-btc で見られます。

理解度チェック 4

ブロックチェーンのトランザクションをバス停にたとえたとき、正しいのはどれでしょうか。

[ ] 人（トランザクション）はバス（ブロック）にまとめられる
[ ] 1 台のバス（ブロック）に乗れる人数には限りがある
[ ] 多くの人を運ぶには、大きなバスか多くの台数が要る
[ ] 上記のすべて

スケーラビリティ - ファイナリティ

ブロックチェーンのスケーラビリティを決める、もう 1 つの要素はこれです。

2）ファイナリティ: トランザクションがもう変更も取り消しもされないと、いつ十分に確信できるか。

Bitcoin のようなプルーフオブワークのチェーンでは、ファイナリティはブロック数で測ります。自分のトランザクションの後にブロックが積み重なるほど、取り消されないという確信は強くなります。安全なコンセンサスアルゴリズムでは過去のブロックの変更に大きな費用がかかり、さかのぼるほど費用は増えます。Bitcoin はおよそ 10 分ごとに新しいブロックを作るので、数回の承認を待つと 1 時間ほどかかります。Ethereum のプルーフオブステークは別の道を選びました。バリデーターが投票してブロックを確定させ、およそ 13 分（2 つのエポック分の投票）でトランザクションは確定します。

分散化は力を分け合う

分散化はブロックチェーンのトリレンマの最後の柱で、支配と意思決定を 1 つの主体から多くの参加者による分散したネットワークへ移すことです。分散化があるからこそ、ブロックチェーンはパーミッションレスで検閲耐性のあるものになります。誰でも使えて、誰でもその上にソフトウェアを作れます。

Facebook や Twitter のような中央集権型のプラットフォームは、いつでも誰のアカウントでも停止できます。Twitch や TikTok の影響力ある配信者が、理由もなく締め出されたこともあります。アカウントを取り戻せたとしても、長くつらい手続きになりがちです。分散化がなければ、ブロックチェーンの台帳は銀行のコンピューターにある表計算と変わらず、口座を作れる人を銀行員が決めることになります。パーミッションレスなネットワークとは権限が十分に分散していることであり、誰かのアクセスを取り上げる方法はありません。

理解度チェック 5

分散化について、正しくないものはどれでしょうか。

[ ] 分散化はブロックチェーンに検閲耐性をもたらす
[ ] 分散化はブロックチェーンをパーミッションレスにする
[ ] 分散化は権威主義的な力が支配を保つのを助ける
[ ] パーミッションレスな仕組みは誰でもどこでも使える

それは分散しているのか

分散しているかどうかは、はいかいいえで答えられるものではありません。支配する主体が 10 なら分散でしょうか。1000 ならどうでしょう。100 万なら。十分に分散しているといえる基準はないので、分散化は程度の幅として考えるのが自然です。白か黒かだけでなく、その間に多くの灰色があります。

つまり「中央集権か分散か」ではなく、「あれより分散している、していない」と言えます。中立な通貨システムが国家規模の検閲に耐えるには、高い分散度が必要です。新しいブロックチェーンはスケーラビリティのために分散化を手放すことが多いのですが、そのぶん、完全に中央集権的なプラットフォームと同じ社会や政府からの圧力に弱くなります。結果として、中央集権型の SNS で見られるのと同じ検閲を行うことにもなりかねません。

理解度チェック 6

ブロックチェーンごとに、分散化の度合いは異なります。

[ ] 正しい
[ ] 誤り

いくつかの例

ブロックチェーンにはそれぞれのトリレンマへの向き合い方があり、目的に合わせて何かを手放しています。Bitcoin と Ethereum はスケーラビリティよりセキュリティと分散化を優先しました。その結果、Bitcoin ではファイナリティ時間が長くなり、Ethereum ではブロックスペースが限られます。スマートコントラクトの需要、とくに DeFi の需要が急に高まると Ethereum の手数料は上がり、2021 年の需要のピークには 1 回のトランザクションに数十ドルかかることもありました。

手数料の上昇は、BNB Chain のような代替 Layer 1に道を開きました。これらはトランザクション処理量を増やして手数料を下げるため、分散化よりスケーラビリティを優先しています。Solana のような第 3 世代のチェーンは新しい方法でトリレンマに挑みますが、どのブロックチェーンもこの基本的な制約からは逃れられません。それぞれの選択が、そこから生まれる性質を通じてエコシステムの姿を決めます。

ではどうすればよいのか

Ethereum が高いセキュリティと分散化を優先したのなら、目指す世界規模の金融ネットワークとして、すべての利用者に応えるにはどう広げればよいのでしょうか。Ethereum のロードマップは 2 つの答えを検討しました。Layer 2 とブロックチェーンのシャーディングです。

Layer 2 は、トリレンマの他の 2 つを犠牲にせずに Ethereum のスケーラビリティを高めます。メインのブロックチェーンの上に重ねる層で、安全性はメインチェーンに任せつつ、利用者は安い手数料と速いトランザクションを得られます。詳しくは Layer 2 のレッスンで見ていきます。

シャーディングは、道路に車線を足すように、ブロックチェーンを並行する複数のチェーンに分ける案でした。Ethereum はこの計画を脇に置き、より単純な道を選びました。Layer 2 が使うブロックデータを安くし（2024 年に導入）、セキュリティと分散化を損なわずに容量を少しずつ増やしていく方法です。

理解度チェック 7

Layer 2 とはどのようなものでしょうか。

[ ] 自前のセキュリティを提供するもの
[ ] メインのブロックチェーンのスケーラビリティを高めるもの
[ ] 利用者の手数料を上げるもの
[ ] 利用者のファイナリティ時間を長くするもの

Ethereum のこれから

Ethereum のネットワークは、トリレンマの他の面を犠牲にせずスケーラビリティを高め続けています。2022 年の The Merge によるプルーフオブステークへの移行で、ネットワークのエネルギー使用量は 99% 以上減りました。Layer 2 向けの安いブロックデータは 2024 年に届きました。拡張は終わらない仕事です。アップグレードのたびに Ethereum は速く安くなり、セキュリティと分散化は中心的な原則であり続けます。 Ethereum Foundation には Ethereum のロードマップを紹介する優れたページがあります。

一方で、多くの Layer 2 のプロトコルが Ethereum の上に築かれ、Ethereum 本体を更新しなくても需要に応えられるようにしています。これらは分散したセキュリティを Layer 1 の Ethereum に頼りつつ、自らはスケーラビリティを提供します。Layer 2 が多様であること自体が、分散したエコシステムを作ります。代表的なロールアップには Arbitrum、OP Mainnet、Base があり、Polygon PoS は独自のセキュリティを持つ人気のサイドチェーンです。

理解度チェック 8

Ethereum のアップグレードに含まれるのはどれでしょうか。

[ ] Layer 2 と安いブロックデータでスケーラビリティを高めること
[ ] 分散化とセキュリティを中心的な原則として保つこと
[ ] プルーフオブステークでエネルギー使用量を減らすこと
[ ] 上記のすべて

エクスプローラーにとっての意味

技術を学んで試すには、参入の壁が低く、まちがえたときの費用も小さいことが大切です。旅を始めたばかりなら、なおさらです。Ethereum のブロックチェーンはまだ理想的ではありませんが、その価値観は、世界規模の金融コンピューターという夢をかなえる有力な候補にしています。エクスプローラーは、多額の手数料を払わずに Ethereum に触れて学べます。Layer 2 を使えば、Ethereum のセキュリティと分散化の恩恵を受けながら、高いスケーラビリティも得られます。

次のレッスンでは Layer 2 の解決策と、その始め方を説明します。さあ、進みましょう。