イーサリアムのレイヤー 2 拡張への道: プラズマの衰退とロールアップの台頭

編集者注: この記事は以下から引用しましたチェーンニュース (ID:chainnewscom)、著者：アシュウィン・ラマチャンドラン氏とハシーブ・クレシ氏、前者はブロックチェーンベンチャーキャピタル機関であるドラゴンフライキャピタルのジュニアパートナー、後者はドラゴンフライキャピタルのマネージングパートナー、編集者：ザン・ファン、Odailyの許可を得て転載。

チェーンニュース (ID:chainnewscom)

チェーンニュース (ID:chainnewscom)

、著者：アシュウィン・ラマチャンドラン氏とハシーブ・クレシ氏、前者はブロックチェーンベンチャーキャピタル機関であるドラゴンフライキャピタルのジュニアパートナー、後者はドラゴンフライキャピタルのマネージングパートナー、編集者：ザン・ファン、Odailyの許可を得て転載。

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TechCrunchによるPlasmaの報道

再び 2020 年に早送りしましょう。イーサリアムは相変わらず遅いですが、いわゆる「イーサリアムキラー」をすべて打ち負かしています。イーサリアム 2.0 のリリース日は延期され続けており、多くの開発チームが死亡したため、プラズマは完全に消滅したようです。

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それで、プラズマを殺したのは誰ですか?

時間を 2017 年の初めに戻しましょう。イーサリアムは初めて主流となり、近い将来については際限のない楽観主義が広がっています。すべての価値のある資産は間もなくトークン化されるだろうと主張する人もいます。サンフランシスコのさまざまなミートアップには立ち見席があり、イーサリアムの話が出ると必ず人が集まります。しかし、イーサリアムはスケーラビリティを達成できませんでした。

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ヴィタリック・ブテリンとジョセフ・プーンがサンフランシスコのカンファレンスでプラズマを発表

しかし、プラズマとはいったい何なのでしょうか?なぜ最終的にその約束を果たせなかったのでしょうか?

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プラズマはどのように機能するのでしょうか?

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プラズマ「ブロックチェーンツリー」

MVP は、Plasma の簡易バージョン、つまりデータが利用できない場合にセキュリティを維持する単純な UTXO ベースのサイドチェーンを提案しています。しかし、サイドチェーンとは何でしょうか?データが利用できないとはどういう意味ですか?プラズマについて詳しく説明する前に、これらの用語の意味を見てみましょう。

サイドチェーンは、別のブロックチェーンに接続されたブロックチェーンです。サイドチェーンは、信頼できるサードパーティ、コンソーシアム、コンセンサス アルゴリズムなど、さまざまな方法で運用できます。たとえば、Blockstream は、Liquid と呼ばれるビットコイン ネットワーク上のコンソーシアム サイドチェーンに参加しています。 Liquid は信頼モデルでトレードオフを行うため、より高いトランザクション スループットを確保します。ユーザーは、共謀して資金を盗まないようにアライアンスを信頼する必要があります。この場合、ブロックチェーン オペレーターは、Blockstream などの Liquid コンソーシアムのさまざまなメンバーです。

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液体のペグインおよびペグアウト機構の可視化

サイドチェーンは、双方向ペグを介してより大きなブロックチェーン (ビットコインなど) に接続されます。ユーザーは、メインチェーン上の特定のアドレスまたはスマートコントラクトに資金を送信することで、サイドチェーンに資金を入金できます。これは「ペグイン」トランザクションとして知られています。資金を引き出すには、ユーザーはサイドチェーンで同じ操作を実行して、資金をメインチェーンに戻すことができます。これは「ペグアウト」トランザクションとして知られています。

しかし、これはプラズマと何の関係があるのでしょうか?

上記の例で見たように、サイドチェーンから資金を移動するには、重要な要素である信頼が必要です。ユーザーはサイドチェーン運営者が自分の資金を持ち逃げしないことを信頼する必要があります。

しかし、ブロックチェーンの主な機能はトラストフリーではないでしょうか?ユーザーが運営者を信頼せずにサイドチェーンと対話したい場合はどうすればよいでしょうか?

これはまさにプラズマが解決しようとしている問題です。

Plasma は、サイドチェーン オペレーターに対する信頼要件を最小限に抑えるように設計されています。つまり、Plasma は、たとえオペレーター (または大多数の意見) が不正行為をしたとしても、資金が盗まれるのを防ぎます。

しかし、たとえ運営者が資金を直接盗むことができなかったとしても、サイドチェーンには別の問題があります。サイドチェーンオペレーターがブロックヘッダーを公開しても、基礎となるトランザクションデータの公開を拒否した場合はどうなるでしょうか?これにより、誰もサイドチェーンの正確性を検証できなくなります。

この概念は、データの利用不能性と呼ばれます。 Plasma は、オペレーターが取引データの提供を拒否した場合でもユーザーの安全を確保しようとします。オペレーターがデータの公開を拒否した場合でも、すべてのユーザーは資金を取り戻してサイドチェーンから抜け出すことができます。

プラズマは、セキュリティと拡張性という大きな約束により、人々に希望を与えてきました。したがって、2017 年の強気相場では、プラズマがイーサリアムのスケーラビリティの問題を解決できると広く信じられていたのも不思議ではありません。しかし、2018 年に市場が目覚め、ブロックチェーンの誇大広告が崩壊すると、プラズマのより現実的な姿が見え始めました。

最初の問題は、悪意のあるオペレーターの動作を検出して時間内に終了するために、各ユーザーが Plasma MVP チェーン上のすべてのトランザクションを監視および検証する必要があることです。ただし、トランザクションの検証にはコストがかかり、監視が必要なため、プラズマ チェーンに参加する際に大幅なオーバーヘッドが追加されます。

研究者らはまた、ユーザーがプラズマ チェーンから抜け出すことが難しいことにも気づきました。ユーザーが Plasma MVP チェーンから資金を出金しようとすると、トランザクション終了リクエストを送信して、一定期間待機する必要があります。いわゆるチャレンジ期間です。チャレンジ期間中はいつでも、どのユーザーも、出金が無効である(例: 偽のトークンを鋳造している、または他人のトークンを盗んでいる) という証拠を提示することで、別のユーザーの出金に異議を唱えることができます。したがって、すべての出金はチャレンジ期間の終了後にのみ処理でき、一部の期間は 1 週間かかる場合があります。

しかし事態はさらに悪化した。

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イーサリアムストレージの成長

最悪の場合、すべてのユーザーがプラズマ チェーンを終了する必要がある場合、チェーンの有効な状態全体をチャレンジ期間内にイーサリアム メインネットに公開する必要があります。プラズマ チェーンが任意に成長する可能性があり、イーサリアム ブロックがすでにその容量に近づいていることを考慮すると、プラズマ チェーン全体をイーサリアム メインネットにダンプすることはほぼ不可能です。したがって、多数の退出者がイーサリアムを締め出すことはほぼ確実です。これはいわゆるバッチ終了問題です。

2018 年に価格が急落し始めると、イーサリアムの信奉者は、Plasma MVP が彼らが期待していた万能のスケーラビリティ ソリューションではないことに気づき始めました。その弱点を克服する方法はまったくありません。プラズマMVPは行き止まりです。イーサリアムはトランザクション負荷の下で依然として苦戦するだろうし、イーサリアム 2.0 の実現にはまだ何年もかかるだろう。

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• 次世代プラズマ

• 2018 年半ば、価格が下落し続ける中、イーサリアムの研究コミュニティはプラズマ MVP の設計を繰り返し研究し、プラズマの改善に努め続けました。彼らの新しいバージョンは Plasma Cash と呼ばれます。

• 主任設計者のヴィタリック・ブテリン氏によると、Plasma Cash は 1 秒あたりのトランザクション量を任意に増やすことができ、前任者を悩ませていた問題を解決します。新しい設計では 1 秒あたり数十万のトランザクションに到達できると主張する人もいます。

まず、Plasma MVP の問題を思い出してください。

オペレーターの不正な動作の場合、バッチ終了の問題が発生します。

ユーザーはお金を引き出す前に、チャレンジ期間全体が終了するまで待つ必要があります

• ユーザーはプラズマチェーン上のすべてのトランザクションを監視する必要があります

• MVP と比較して、Plasma Cash には 1 つの大きな利点があります。それは、Plasma Cash は異なるデータ モデルを使用することにより、バッチ終了の問題を完全に回避できることです。 Plasma Cash では、すべてのトークンは非代替トークン (NFT) として表現されるため、一連のトークンの所有権を証明することが容易になります。簡単に言えば、トークンを所有しているのは自分であり、他人ではないことを証明するのはユーザーの責任です。したがって、ユーザーはプラズマ チェーン全体ではなく、自分のトークンのみを監視する必要があります。

Plasma Cash は、オペレーターの不正行為が発生した場合にユーザーが簡単に資金を引き出すことができる、新しいインタラクティブなチャレンジ システムも提案しています。 「スパース マークル ツリー」として知られる新しいマークル ツリー構造を利用することで、ユーザーは、含まれている証明を使用してトークンの履歴と所有権を簡単に検証できます。オペレーターの不正行為の場合、ユーザーは現在所有しているトークンのオンチェーン証明 (最新の 2 つのトランザクションおよび対応する包含証明を含む) を発行するだけで済みます。

ただし、Plasma Cash は新たな問題をもたらします。

さらに、トークンの所有権を証明するために、ユーザーはそのトークンの履歴全体と、対応する包含/除外の証明を維持する必要があり、その結果、ストレージ要件が増え続けています。

2018年末までにETH価格は底を打ち、ユートピア的な楽観主義は消え去った。 Plasma Cash は MVP よりも改良されていますが、当時 Ethereum が約束していた Visa 規模のソリューションではなく、MapReduce の「ブロックチェーン ツリー」も今では単なる夢物語です。 Plasma Cash のクライアントを開発しているほとんどの企業は作業を保留しており、実装は中途半端です。

イーサリアムコミュニティは行き詰まりに陥っている。新しいプラズマ アーキテクチャが以前のアーキテクチャに比べて若干の改良を加えて登場し続けている一方で、イーサリアム コミュニティはいずれのアーキテクチャも支持することができませんでした。

プラズマは死んだようです。

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レイヤー 2 に対する信頼が底をつき始めたちょうどそのとき、Barry Whitehat という別名のユーザーが GitHub で「roll_up」と呼ばれる提案を公開しました。このレポートでは、新しいタイプのレイヤー 2 スケーリング ソリューションについて説明しています。これは、オペレーターの信頼に依存せずにトランザクションを「パッケージ化」するプラズマのようなアーキテクチャであり、パッケージの正確性は、SNARK のオンチェーン証拠を使用して検証できます。 。

この SNARK により、オペレーターが悪意のあるトランザクションや無効なトランザクションを発行することが不可能になり、すべてのサイドチェーン ブロックが有効であることが保証されます。

その後間もなく、Vitalik Buterin は Barry のスキームの改良版をリリースし、これを zk-Rollup と呼びました。 zk-Rollup は、イーサリアム フォーラムで最も閲覧されているスレッドの 1 つになりました。 Vitalik 氏は、Plasma を悩ませていたデータ可用性の問題を回避するためのソリューションの導入を提案しました。それは、イーサリアム ブロックチェーン上でサイドチェーン トランザクション データを公開することです。

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Vitalik の zk-Rollup 投稿

さらに、現在、zk-Rollup サイドチェーンに汎用スマート コントラクトをデプロイすることはできません。 zkVM や ZEXE などの特殊なゼロ知識仮想マシンが現在開発中ですが、それらを操作するには依然としてかなりの専門知識が必要です。ほとんどの場合、zk-Rollups は一般的なプログラム可能性を制限します。

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zk-Rollup 視覚化、マッピング by Georgios Konstantopoulos

2019 年半ばまでに、これらの新たな開発によりイーサリアムの研究コミュニティが再活性化されました。 zk-Rollup は、レイヤー 2 を悩ませている問題の多くを解決するようです。 Matter Labs (当社のポートフォリオ企業の 1 つ) や LoopRing などの企業は、zk-Rollup の開発を積極的に開始しており、現在はどちらも実装用のテストネットを備えています。 Matter Labs は、最適化を行うことで、ZK 同期ネットワーク上で 2,000 TPS に到達できると考えています。

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楽観主義は良い薬だ

しかし、誰もが zk-Rollup に希望を抱いているわけではありません。最初の zk-Rollup 仕様が公開されてから 1 年後、John Adler と Mikerah は Merged Consensus と呼ばれる設計を導入しました。 Merged Consensus により、派手なゼロ知識暗号化を必要とせずに、イーサリアム上で完全に検証可能なオフチェーン コンセンサス システムが可能になります。 Plasma チームはその後、統合されたコンセンサス設計の拡張バージョンを公開し、今ではやや悪名高い名前「Optimistic Rollup」を追加しました。

zk-Rollup は zk-SNARK に依存して各ブロックを検証して最終処理しますが、Optimistic Rollup は異なるアプローチを採用しています。なぜ各ブロックが有効であると仮定しないのですか?

これは、全員が正直である場合、ハッピー パスではうまく機能しますが、オペレーターが誤解する可能性があることはわかっています。それでは、オプティミスティックロールアップはオペレーターの間違った行動にどのように対処するのでしょうか?

「楽観的」な答えは、不正行為の証拠を使用することです。不正行為の証明とは、オペレーターが無効な操作を行ったことを計算的に証明するものです。オペレーターが無効な状態遷移を発行した場合、誰でもその遷移が無効であるという証拠を提出し、それらのトランザクションを元に戻すことができます (約 1 週間)。これらの証明は非対話型であるため、誰でも送信できます。ユーザーがトークンのセキュリティを監視する必要はありません。

Optimistic Rollup は、zk-Rollup とは非常に異なる一連のトレードオフを提供します。それらは安価ですが (詐欺の挑戦が非常にまれであると仮定して)、安全性は低くなります。言い換えれば、トランザクションが誤って適用され、後でそれを回復する可能性が常にあります。この安全期間は 1 週間ほどかかる場合があります。したがって、ユーザーはこの安全期間中に終了することはできません（そうでないと、他人の資金を持ち逃げする可能性があります）。

ただし、これらの出口の問題は流通市場を導入することで改善できます。ユーザーは、少額の手数料と引き換えに、エグジット権をサードパーティの流動性プロバイダーに売却できます。 (流動性プロバイダーは、1 週間非流動性が残っている場合に報酬が与えられます)。これにより、ユーザーはロールアップ チェーンをすぐに終了できるようになります。

zk-Rollup ではプログラマーが複雑な制約システムと高度な暗号化を理解する必要がありますが、Optimistic Rollup では汎用スマート コントラクトの展開 (Solidity など) が可能です。これは、Uniswap のようなスマート コントラクト ベースのプロトコルをオプティミスティック ロールアップ サイドチェーン上に構築できることを意味します。

Rollup ファミリのソリューションは、Plasma のデータ可用性の問題と出口の複雑さを解決するための同様のアプローチを提供しますが、いずれも Plasma の構造を大幅に拡張する可能性があります。たとえば、IDEX は独自のバージョンのオプティミスティック ロールアップを構築して展開し、この構造上で分散型取引所 (DEX) を実行しています。同様に、Fuel Labs は、UTXO スタイルの支払いと ERC-20 トークン スワップを可能にするバージョンの Optimistic Rollup を構築しました。 Plasma Group (現 Ethereum Optimism) は最近、Optimistic Rollup に焦点を当て、自社のプラットフォーム上で (Optimistic Virtual Machine ビルドを介して) 一般的なスマート コントラクトのパフォーマンスを提供することを目指していると発表しました。

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