イーサリアムのスケーラビリティ問題と解決案

はじめに

イーサリアムは、2015年にVitalik Buterinによって提唱された、分散型アプリケーション（DApps）を構築するためのプラットフォームです。その革新的なスマートコントラクト機能により、金融、サプライチェーン管理、投票システムなど、様々な分野での応用が期待されています。しかし、イーサリアムの普及を阻む大きな課題として、スケーラビリティ問題が挙げられます。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティ問題の詳細、その原因、そして現在検討・開発されている解決案について、技術的な側面を中心に詳細に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは

スケーラビリティ問題とは、システムが処理できるトランザクション数（TPS: Transactions Per Second）が、需要の増加に追いつかない状態を指します。イーサリアムは、その設計思想である分散性とセキュリティを重視するあまり、トランザクション処理能力が低いという問題を抱えています。具体的には、イーサリアムの現在のTPSは、およそ15件程度と言われています。これは、VisaやMastercardなどの既存の決済システムと比較すると、著しく低い数値です。この低いTPSが、トランザクションの遅延やガス代の高騰を引き起こし、ユーザーエクスペリエンスを低下させる原因となっています。

スケーラビリティ問題の原因

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、主に以下の要因によって引き起こされます。

• ブロックサイズ制限：イーサリアムのブロックサイズは、技術的な制約とネットワークの安定性を考慮して制限されています。ブロックサイズが小さいと、一度に処理できるトランザクション数が制限され、TPSが低下します。
• ブロック生成時間：イーサリアムのブロック生成時間は、平均して約12秒です。このブロック生成時間が、トランザクションの確定を遅らせ、スケーラビリティを阻害する要因となっています。
• コンセンサスアルゴリズム：イーサリアムは、Proof-of-Work（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWは、高いセキュリティを確保できる一方で、計算資源を大量に消費し、トランザクション処理に時間がかかるというデメリットがあります。
• EVM（Ethereum Virtual Machine）の制約：イーサリアムのスマートコントラクトを実行するEVMは、その設計上、複雑な計算処理に時間がかかる場合があります。

スケーラビリティ問題を解決するためのアプローチ

イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するために、様々なアプローチが検討・開発されています。大きく分けて、レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの2つに分類できます。

レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションとは、イーサリアムのプロトコル自体を改良することでスケーラビリティを向上させるアプローチです。主なレイヤー1ソリューションとしては、以下のものが挙げられます。

• Proof-of-Stake（PoS）への移行：イーサリアムは、2022年にコンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSへと移行しました。PoSは、PoWと比較して計算資源の消費量が少なく、トランザクション処理速度が向上する可能性があります。
• シャーディング：シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャード（断片）に分割し、各シャードで並行してトランザクションを処理することで、スケーラビリティを向上させる技術です。イーサリアム2.0では、シャーディングの導入が計画されています。
• ブロックサイズの最適化：ブロックサイズを動的に調整したり、ブロックの構造を改良したりすることで、ブロックサイズ制限によるスケーラビリティのボトルネックを解消しようとする試みです。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのプロトコル上に構築される追加のレイヤーで、トランザクション処理をオフチェーンで行うことでスケーラビリティを向上させるアプローチです。主なレイヤー2ソリューションとしては、以下のものが挙げられます。

• State Channels：State Channelsは、当事者間で直接トランザクションを交換し、最終的な結果のみをイーサリアムのメインチェーンに記録することで、トランザクション処理の負荷を軽減する技術です。
• Plasma：Plasmaは、メインチェーンから独立した子チェーンを作成し、子チェーンでトランザクションを処理することで、スケーラビリティを向上させる技術です。
• Rollups：Rollupsは、複数のトランザクションをまとめて1つのトランザクションとしてメインチェーンに記録することで、トランザクション処理の負荷を軽減する技術です。Optimistic RollupsとZero-Knowledge Rollupsの2つの種類があります。
• Validium：Validiumは、Rollupsと同様にトランザクションをまとめてメインチェーンに記録しますが、データの可用性をオフチェーンで管理することで、さらにスケーラビリティを向上させる技術です。

各解決案の詳細

Proof-of-Stake（PoS）

PoSは、トランザクションの検証者を「バリデーター」と呼び、バリデーターはイーサリアムを保有している量に応じて選出されます。PoWと比較して、PoSは計算資源の消費量が少なく、エネルギー効率が高いというメリットがあります。また、PoSは、PoWよりもトランザクション処理速度が向上する可能性があります。

シャーディング

シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャードに分割し、各シャードで並行してトランザクションを処理することで、スケーラビリティを向上させる技術です。各シャードは、独立してトランザクションを処理するため、全体の処理能力が向上します。シャーディングの導入は、イーサリアム2.0の重要な目標の一つです。

Rollups

Rollupsは、複数のトランザクションをまとめて1つのトランザクションとしてメインチェーンに記録することで、トランザクション処理の負荷を軽減する技術です。Optimistic Rollupsは、トランザクションが有効であると仮定し、異議申し立て期間を設けることで、不正なトランザクションを検出します。Zero-Knowledge Rollupsは、暗号学的な証明を用いてトランザクションの有効性を検証するため、異議申し立て期間を設ける必要がありません。

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、依然として解決すべき課題が多く残されています。しかし、PoSへの移行、シャーディング、Rollupsなどの技術開発が進められており、今後のスケーラビリティ向上に期待が寄せられています。これらの技術が成熟し、広く採用されることで、イーサリアムはより多くのユーザーに利用されるようになり、分散型アプリケーションの普及を加速させることが期待されます。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及を阻む大きな課題です。本稿では、スケーラビリティ問題の原因、そして現在検討・開発されている解決案について詳細に解説しました。レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの両方のアプローチが、スケーラビリティ向上に貢献すると考えられます。今後の技術開発の進展により、イーサリアムがよりスケーラブルで使いやすいプラットフォームになることを期待します。