モジュール化の深い解読：プラグイン可能なブロックチェーン性能ボトルネックの解決策

モジュラー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によって、特定の機能に対するパフォーマンスのサポートとスムーズなユーザー体験を提供し、ある程度「不可能な三角」の問題を解決します。

イーサリアムは、最初の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、ビットコインの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、改善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。

モジュラー技術は、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ーンのニーズに基づいて、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。

単体ブロックチェーンとモジュラー型ブロックチェーン

モジュラー ブロックチェーンを探求する際には、まずモノリシック 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。モノリシックチェーンは、ビットコインやイーサリアムなどのように、その包括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。このプロセスにおいて、モノリシックチェーンはすべての段階に関与するゼネラリストの役割を果たしています。

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けることができます：

*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)
• コンセンサス層 (コンセンサス層)

この類推を通じて、ブロックチェーンの各アーキテクチャがどのように協調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、すべての機能が同じチェーン上で実行されるのに対し、モジュラーブロックチェーン（Modular Blockchain）は、ブロックチェーンシステムを複数の専門コンポーネントや層に分解する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、各コンポーネントは合意、データの可用性、実行、および決済などの特定のタスクを処理することを担当します。

モジュラー型ブロックチェーンは、専門家（specialists）のグループのように、それぞれの分野における深い掘り下げと技術革新に集中しています。この集中は、モジュラー型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おり、これらのノードは全体のブロックチェーンのデータ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、ネットワークの拡張速度を制限します。これに対して、モジュラー型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。

モジュラー型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することができ、協同効果を生み出し、全体的なパフォーマンスを大幅に向上させることができます。この設計哲学はレゴブロックに似ており、開発者が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することを可能にします。

単一チェーンはグローバルな制御、安全性、安定性の面で利点がありますが、スケーラビリティ、アップグレードの難しさ、新しいニーズ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プロセスを簡素化します。

しかし、モジュラー型ブロックチェーンは特有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、開発者が設計、開発、保守において負担を増加させます。新興技術として、モジュラー型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に検証が必要です。

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モジュール化ブロックチェーンと「不可能な三角形」

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有名な"不可能の三角形"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に達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取引を処理する能力と、ユーザーおよび取引量の増加時に効率的かつ低コストで運営を維持する能力に関心を持っています。通常、TPS（毎秒取引量）と遅延（取引確認に必要な時間）によって測定されます。
• 安全性が関わるのは、ブロックチェーンネットワークを攻撃から守るためのコストと難易度です。例えば、ビットコインのPOWメカニズムは、攻撃者がネットワーク全体の51%以上の計算能力を握る必要がありますが、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。
• 非中央集権性は、ネットワークの運営が単一の中央ノードに依存せず、多くのノードに分散していることを示します。ノードが多く、地理的分布が広いほど、ネットワークの非中央集権性が高くなります。

"不可能三角"の核心的な見解は、あるブロックチェーンシステムがこの三つの特性をすべて最適化することが難しいということです。例えば、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、その広範なノード分布と十分なノード数により、分散化とセキュリティの面で優れたパフォーマンスを発揮しています。

しかし、彼らはある程度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、取引量が急増する際、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、モジュラー型ブロックチェーン技術が登場しました。それは、異なる機能を専用のモジュールに割り当てることによって、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体現しています。

モジュラーな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合わせ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。

以上のように、モジュラー型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アプローチを提供します。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応じて、異なるタイプに分類することができます。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する際に、通常は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改ざん防止の核心です。

この設計原則に基づいて、実行層、データ可用性層、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異なるプロジェクトを理解することができます。

実行レイヤー

レイヤー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、モジュラーブロックチェーンの概念を体現しています。これは、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。

レイヤー2ソリューションは、より迅速でコスト効率の高い取引処理を可能にしながら、基盤となるブロックチェーンのセキュリティと分散化の特性を維持します。@0xning が作成した 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レイヤー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削減しています。

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Rollup技術は現在Layer 2で最も主流な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」であり、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、トランザクション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トランザクション証明を検証し、元のトランザクションデータを保存することだけを担当します。この設計は、メインチェーンの計算負担を大幅に軽減し、ストレージの要求を減少させることで、より効率的なトランザクション処理を可能にします。

コストをさらに削減するために、Rollupはトランザクションパッケージ技術を採用しています。これは物流における貨物集装に例えることができ、各貨物を個別に送信すると高額な運送料が発生します。一方、Rollup技術は複数のトランザクションを一緒にパッケージ化することで、一度の「輸送」で済むため、各トランザクションのコストを大幅に削減します。

オンチェーン検証

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、暗号的な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、誤りの証明と有効性の証明であり、それぞれOptimistic RollupsとZK Rollupsを支えています。

オプティミスティックロールアップの誤り証明

オプティミスティックロールアップは、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います。明確な証拠がない限り、取引にエラーがあることを示すものです。このモデルは、チャレンジ期間中の誤り証明（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証明を提出してスマートコントラクトの状態に異議を唱えることができ、ネットワークの公平性と透明性を確保します。

L2BEATによると、現在、アービトラム、OP、ベース、ブラストなど、オプティミスティックロールアップメカニズムを使用したレイヤー2レイヤーは16個あります。

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ZKロールアップの有効性の証明

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経る必要があります。この証明メカニズムは、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する検証プロセスに似ています。

要するに、有効性証明はZK-Rollupsの基礎であり、各バッチの取引には対応する証明が添付されることが求められ、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変化を検証し承認できることが保証されます。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、各取引は厳格な有効性検証を通過しなければならないからです。

L2BEAT のデータによると、現在 ZK Rollups メカニズムを採用している Layer 2 は合計 11 種類あり、例えば Linea、Starknet、zkSync などがあります。

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データ可用性層とコンセンサス層

セレスティア

Celestiaはモジュラーブロックチェーン領域の先駆者として、その本質はデータ可用性層であり、dAppsとRollupの開発に堅固な基盤を提供します。Celestiaのデータ可用性層とコンセンサス層に展開することで、アプリケーション開発者は実行に集中できます。