モジュラー化の深い解読：プラグイン可能なブロックチェーンの性能ボトルネック解決

単体ブロックチェーンは包括性で知られ、データストレージから取引検証まで、ネットワークのさまざまな側面を独立して担います。一方、モジュール型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パフォーマンスサポートとスムーズなユーザーエクスペリエンスを提供し、ある程度「不可能の三角」問題を解決しています。

イーサリアムは、最初に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、モジュール設計に肥沃な土壌を提供しました。ブロックチェーン技術の発展に伴い、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求し始め、新しいモジュールを追加することで、改良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。

モジュール化技術は、より"ソウル化"されたプラグイン製品の考え方を表しており、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でしょう。さまざまなサービスや機能は、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ナリオのニーズに応じて、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。

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単体ブロックチェーンとモジュール化ブロックチェーン

モジュール式ブロックチェーンを探求する際には、まず単一ブロックチェーン（Monolithic Blockchain）という概念を理解する必要があります。単一チェーンは、ビットコインやイーサリアムなどがその例であり、全体性で知られています。データストレージから取引の検証、スマートコントラクトの実行に至るまで、ネットワークのあらゆる側面を独立して担っています。この過程で、単一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挙げると、一つの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類できます：

*実行レイヤー (Execution Layer) ※SL (Settlement Layer)

• データ可用性層/ DA 層 (データアベイラビリティレイヤー)
• コンセンサスレイヤー (Consensus Layer)

この類推により、私たちはブロックチェーンの各アーキテクチャがどのように協力して機能するかをより明確に理解できます。モノリシックブロックチェーンは、すべての機能を同じチェーン上で集中して実行するのに対し、モジュラーブロックチェーンは新しいタイプのブロックチェーンアーキテクチャであり、ブロックチェーンシステムを特定のタスク、例えばコンセンサス、データの可用性、実行、決済を処理するための複数の専門コンポーネントまたはレイヤーに分解します。

モジュラー式ブロックチェーンは、各自の分野に特化した専門家（specialists）の集まりのようです。この集中は、モジュラー式ブロックチェーンが特定の機能において卓越したパフォーマンスとユーザー体験を提供できるようにします。例えば、より低コストでより速い取引処理速度を提供することができます。

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います。これらのノードは、ブロックチェーンのデータの完全なコピーをダウンロードして処理しなければなりません。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すだけでなく、ネットワークのスケーラビリティを制限します。それに対して、モジュラー ブロックチェーンはライト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。

モジュール化ブロックチェーンの顕著な利点は、その柔軟性と協調性にあります。非コア機能を他の専門家にアウトソーシングできるため、相乗効果が生まれ、全体的なパフォーマンスが著しく向上します。この設計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できます。

モノリシックチェーンはグローバルな制御、安全性、安定性の点で優れていますが、スケーラビリティ、アップグレードの難しさ、新しい要求への適応という課題にも直面しています。モジュラー型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のプロセスを簡素化します。

しかし、モジュール化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、設計、開発、保守において開発者の作業量を増加させます。新興技術として、モジュール化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安全性はさらなる検証が必要です。

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モジュラー型ブロックチェーンが"不可能な三角"をどのように解決するか

なぜモジュラー型ブロックチェーン技術が広く注目され、"未来のトレンド"と予言されているのでしょうか？これはブロックチェーン分野の著名な"不可能な三角形"理論と密接に関連しています。

ブロックチェーンの"不可能三角"は、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、そして可拡張性という3つのコア属性で最適な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トランザクションを処理する能力、及びユーザーとトランザクション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（毎秒トランザクション数）と遅延（トランザクション確認に要する時間）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体の51％以上の計算能力を掌握することを要求し、イーサリアムのPOSメカニズムは3分の1以上のノードが共謀する必要があります。
• 分散型は、ネットワークの運用が単一の中心ノードに依存せず、多くのノードに分散されていることを説明しています。ノードが多ければ多いほど、地理的分布が広ければ広いほど、ネットワークの分散度は高くなります。

「不可能な三角形」の核となる考え方は、ブロックチェーンシステムが3つの機能すべてを最適化するのは難しいということです。 たとえば、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、その広いノード分散と十分な数のノードにより、分散化とセキュリティの点で際立っています。

しかし、それらは一定のスケーラビリティを犠牲にし、取引速度が遅く、取引手数料が高くなります：ビットコインのブロック生成時間は約10分、イーサリアムのTPSは約13であり、取引量が急増すると、イーサリアムの取引手数料は数百ドルに達する可能性があります。

正にこのような背景の中で、モジュラーブロックチェーン技術が登場しました。これは、異なる機能を専門のモジュールに割り当てることで、従来のパブリックチェーンが抱えるスケーラビリティと取引コストの課題を解決します。例えば、ビットコインのライトニングネットワークやイーサリアムのロールアップ技術は、モジュラーの思想を具現化したものです。

モジュラー型ブロックチェーンの利点は、その階層構造にあり、各層が特定のニーズに応じて最適化できることです。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の構築の基盤を提供します。

以上のことから、モジュール化された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手段を提供します。それは、去中心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より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応用と長期的な発展に深遠な意義を持っています。

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モジュール化ブロックチェーンの分類

モジュラー型ブロックチェーンは、そのアーキテクチャの特徴に基づいて、異なるタイプに分類できます。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、その緊密な相互依存性のため、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、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安全性と不変性の核心です。

この設計原則に基づいて、実行層、データの可用性層、コンセンサス層、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さまざまなプロジェクトを理解することができます。

実行レイヤー

Layer 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、モジュール型ブロックチェーンの概念を体現しています。それは、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果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分散型特性を維持します。@0xning によって作成された dune ダッシュボードによると、イーサリアムエコシステムにおける Layer 2 の検証と清算にかかるガスの割合は平均して 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で最も主流のソリューションであり、その核心理念は「チェーン外での実行、チェーン上での検証」です。チェーン外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、取引はチェーン外で実行され、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を検証し、元の取引データを保存することだけを担当します。この設計は、マスター チェーンの計算負担を大幅に軽減し、ストレージ要件を減らすことで、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は取引パッケージング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、個別に貨物を送ると高額な運送料が発生します。一方、Rollup技術は複数の取引をまとめてパッケージ化することで、1回の"輸送"のみで済み、各取引のコストを大幅に削減します。

チェーン上の検証

オンチェーン検証は、Layer 2 ネットワークのセキュリティの鍵です。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不一致を解決するために、暗号的証明を提供する必要があります。現在、主流の2つの証明メカニズムは、誤り証明と有効性証明であり、それぞれが Optimistic Rollups と ZK Rollups を支えています。

Optimistic Rollups のエラーの証明

楽観的ロールアップは、すべての取引が有効であると仮定する楽観的な仮定を採用しており、明確な証拠が存在しない限り無効ではないとされています。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対して証明を提出し、ネットワークの公正性と透明性を確保します。

L2BEAT のデータによると、現在 Optimistic Rollups メカニズムを採用している Layer 2 は合計 16 あります。例としては、Arbitrum、OP、Base、Blast などがあります。

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ZKロールアップの有効性証明

Optimistic Rollupsとは異なり、ZK Rollupsはより慎重なアプローチを採用しており、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、各トランザクションバッチには対応する証明が付随する必要があり、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および承認できるようになります。検証ノードにとって、ZK Rollupsはゼロエラーの決済メカニズムを提供します。なぜなら、各トランザクションは厳格な有効性検証を通過する必要があるからです。

L2BEATのデータによれば、現在ZK Rollupsメカニズムを採用しているLayer 2は合計11つあり、例えば：Linea、Starknet、zkSyncなどです。

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データ可用性層とコンセンサス層

Celestiaはモジュラーなブロックチェーン分野の先駆者として、その本質はデータの可用性層であり、dAppsとRollupの開発に堅実な基盤を提供します。Celestiaのデータの可用性層とコンセンサス層にデプロイすることで、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に任せることができます。

Celestiaのアーキテクチャ設計はモジュール式の拡張に多様なソリューションを提供し、そのアーキテクチャ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コンセンサス層を提供し、決済層と実行層はそれぞれの主権によって行われます。