オフチェーン拡張全解析：ステートチャネルからサイドチェーンの技術進化と応用比較

2025-07-09 07:29:42

万字デプス研報:全面解析オフチェーン拡容

著者:エレイン・シュー、ヘッティ・ジャン、ジュン・ワン、ワロン・リン、イリウ・リン

1. スケーリングの必要性

ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです: 去中心化、安全性、拡張性。しかし、通常ブロックチェーンはそのうちの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。何年もの間、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。去中心化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な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:

分散型: 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、ノードの数が多いほど分散化の度合いが高まり、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します。
セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御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より多くの参加者による攻撃に耐えることができます。
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初めての重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題から生じました。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、各ブロックの上限が1MBのビットコインネットワークは混雑の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はスケーラビリティの問題について意見が分かれました。一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡張派で、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小ブロック派で、隔離証明Segwitを使用してメインチェーン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は独自に開発した8MBのクライアントシステムを稼働させ、ビットコインの歴史上初の重大なハードフォークが発生しました。同時に、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ネットワークの安全性と分散化を保障するために、一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選択しています。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して取引量を制約しているわけではなく、むしろ単一のブロックが受け入れられる燃料費に上限を設定する形に変わっていますが、その目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです(。制限を撤廃するか引き上げるかに関わらず、多くの帯域幅、ストレージ、計算量が不足している小規模ノードが淘汰されるでしょう)。

2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、さらにその後のGameFiやNFTなどのオン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加していますが、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)しか処理できません。この結果、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappsが運営コストを負担できなくなり、ネットワーク全体がユーザーにとって遅くて高価になっています。ブロックチェーンのスケーリング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、非中央集権性と安全性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(の短縮されたファイナリティ時間)と取引スループット(の向上を実現することです。

! [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/webp-social/moments-7d930821d982f99c43cf5400e4db2175.webp(

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スケーリングとオフチェーンスケーリングの2つの大カテゴリーに分けています。

2.1 オンチェーンスケーリング

コアコンセプト:1層のメインネットプロトコルを変更することで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。

オンチェーンのスケーリングには様々なソリューションがありますが、本記事では詳細には触れず、以下に二つのソリューションを簡潔に挙げます:

方案一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される取引の数を増やすことですが、これにより高性能ノードデバイスへの要件が高まり、ノードの参加のハードルが上がり、「分散化」の程度が低下します。
プラン2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を行うのではなく、異なるシャード、すなわち異なるノードが異なる記帳を担当し、並列計算により複数の取引を同時に処理できるようにします。これにより、ノードの計算負荷と参加の敷居が下がり、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能力が分散されることを意味し、全体のネットワークの「安全性」を低下させることになります。

主ネットワークプロトコルのコードを変更すると、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。ネットワークは分岐を余儀なくされたり、修正アップグレードの中断を余儀なくされる可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレーション脆弱性事件：Zcashのコードはビットコイン0.11.2バージョンコードの修正に基づいています。2018年にあるエンジニアがその基盤となるコードに高危険度の脆弱性、すなわちトークンが無限に発行できることを発見し、チームは8ヶ月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性の修正後に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。

オフチェーンのスケーリングソリューションは、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/webp-social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e.webp(

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

ステートチャンネルでは、チャネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する時にのみ、ユーザーがメインネットとインタラクションする必要があり、ユーザー同士のインタラクションはオフチェーンで行われることにより、ユーザーの取引の時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けないことが実現される。

ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルで、「ターンベースのアプリケーション」に適しており、例えば、2人のチェスゲームなどがあります。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、状態更新を検証し、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、双方の署名確認が行われた後、チャネルは正式に開通します。チャネルは参加者間で、預けられたトークンの総額(を超えない限り、制限なしにオフチェーンで無料の取引を行うことを許可します)。参加者は交互に相手に状態更新を送り、相手の署名確認を待ちます。一度相手の署名確認が得られれば、その状態更新は完了と見なされます。通常、双方が合意した状態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場合にのみ、メインネットの確認に依存します。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要求を提出でき、退出要求が全員の合意によって承認されれば、オンチェーンですぐに実行され、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に従ってロックされた資金を分配します; もし他の参加者が署名を承認しなかった場合、全員が「チャレンジ期間」の終了を待つ必要があります才能、残りの資金を受け取ることができます。

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、取引コストを下げることができます。

3.1.2 タイムライン

2015/02、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライ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ネルはステートチャネルの概念の中の一つのサブケースであると提案しました。
2016/01、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャは、ビットコインの拡張ソリューションである「The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments」というホワイトペーパーを正式に発表し、ビットコインのライトニングネットワークの支払いチャネル(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常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はファスト同型チャネルを提案しました。

! [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-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5.webp(

3.1.3 技術原則

ステートチャネルの一般的なワークフロー:

アリスとボブは、個人EOAからオンチェーン契約アドレスに資金を入金することで、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ません; 二人が署名確認した後、二人の間のステートチャネルが正式に開通します。
アリスとボブは、このチャネルを通じて理論的にはオフチェーンで回数制限なく取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージ)を介して相互に通信し、ブロックチェーンネットワークとの通信(を行わない。両者のユーザーは、二重支払いを防ぐために、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、相手が提案する状態更新を受け入れる。
アリスがボブとの間のチャネルを終了させたい場合、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却します。ボブが署名に応答しなかった場合、契約はチャレンジ期間の終了後にロックされた資金を対応するユーザーに返却します。

! [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(

3.1.4 長所と短所

価値：

予約は即確定
低コスト
高いプライバシー性
第三者を信頼する必要はありません

短所：

オンラインで複数回必要
大規模な退出を処理できません
資金を事前にロックする必要があります
複雑なアプリケーションには適用できません

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、その全体的な技術の進化は次の通りです: 2/2 マルチシグによる一方向の決済チャネルの構築、RSMC )Revocable Sequence Maturity Contract(の追加により双方向決済チャネルを構築し、次にHTLC )Hash Time Lock Contract(を追加することで決済チャネルを拡張して複数人の決済を可能にし、最終的に決済ネットワークであるライトニングネットワークを構築します。オフチェーンの小額決済チャネルを通じて、中間者を利用して取引ネットワークを構成することで、ビットコインネットワークのスケーラビリティ問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は「預金)チャネルの構築(→ ライトニングネットワーク取引)チャネルの状態の更新(→ 返金 / 決済)チャネルの終了(」というプロセスに従っています; 理論的にはライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できます。

タイムライン: