イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題の解決策まとめ

はじめに

イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築するための主要なプラットフォームとして、その地位を確立してきました。しかし、その普及と利用の拡大に伴い、スケーラビリティ問題が顕在化し、ネットワークの混雑と取引手数料の高騰を引き起こしています。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティ問題とその根本原因を詳細に分析し、現在提案されている、あるいは開発が進められている様々な解決策について、技術的な側面を含めて包括的に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは、ネットワークが処理できる取引量に限界があるという問題です。具体的には、1秒間に処理できる取引数（TPS）が限られており、需要が供給を上回ると、ネットワークが混雑し、取引の遅延や手数料の高騰が発生します。この問題は、イーサリアムの基盤技術であるブロックチェーンの特性に起因します。

ブロックチェーンは、取引データをブロックと呼ばれる単位にまとめ、それを鎖のように連結していくことで、データの改ざんを防止する仕組みです。この仕組みは、高いセキュリティと信頼性を実現する一方で、取引の検証とブロックの生成に時間がかかるというデメリットがあります。イーサリアムの現在のコンセンサスアルゴリズムであるProof-of-Work（PoW）は、特に計算コストが高く、スケーラビリティを阻害する要因となっています。

また、イーサリアムの仮想マシンであるEVM（Ethereum Virtual Machine）は、スマートコントラクトの実行に多くの計算リソースを必要とします。複雑なスマートコントラクトの実行は、ネットワーク全体の処理能力を低下させ、スケーラビリティ問題を悪化させる可能性があります。

スケーラビリティ問題の根本原因

イーサリアムのスケーラビリティ問題の根本原因は、以下の3点に集約されます。

• ブロックチェーンの構造：ブロックチェーンは、その分散性とセキュリティの高さの代償として、取引の検証とブロックの生成に時間がかかるという特性を持っています。
• コンセンサスアルゴリズム：イーサリアムの現在のコンセンサスアルゴリズムであるPoWは、計算コストが高く、スケーラビリティを阻害する要因となっています。
• EVMの計算リソース：EVMは、スマートコントラクトの実行に多くの計算リソースを必要とし、ネットワーク全体の処理能力を低下させる可能性があります。

これらの根本原因を解決するためには、ブロックチェーンの構造、コンセンサスアルゴリズム、EVMのいずれか、あるいは全てを改善する必要があります。

スケーラビリティ問題の解決策

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、様々な解決策が提案されています。これらの解決策は、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、イーサリアムの基盤となるブロックチェーン自体を改善するものです。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：PoSは、PoWと比較して計算コストが低く、スケーラビリティを向上させることができます。イーサリアムは、The Mergeと呼ばれるアップグレードを通じて、PoSへの移行を完了しました。これにより、ネットワークのエネルギー消費量を大幅に削減し、スケーラビリティを改善することが期待されています。
• 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、各シャードが並行して取引を処理することで、ネットワーク全体の処理能力を向上させる技術です。イーサリアム2.0では、シャーディングが実装される予定であり、TPSを大幅に向上させることが期待されています。
• EVMの改善：EVMの計算効率を向上させることで、スマートコントラクトの実行コストを削減し、ネットワーク全体の処理能力を向上させることができます。EVMの改善は、継続的に行われており、より効率的なEVMの開発が進められています。

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、イーサリアムのブロックチェーン上に構築される、別のネットワークを利用して取引を処理するものです。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。

• ロールアップ：ロールアップは、複数の取引をまとめて1つの取引としてイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、ネットワークの混雑を緩和し、取引手数料を削減する技術です。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2種類があります。
• サイドチェーン：サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのブロックチェーンと相互運用することができます。サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、特定のアプリケーションに特化したネットワークを構築することができます。
• ステートチャネル：ステートチャネルは、2者間の取引をオフチェーンで行い、最終的な結果のみをイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、ネットワークの混雑を緩和し、取引手数料を削減する技術です。

各解決策の詳細な解説

Proof-of-Stake（PoS）

PoSは、取引の検証者を「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。バリデーターは、取引を検証し、ブロックを生成することで報酬を得ることができます。PoSは、PoWと比較して計算コストが低く、エネルギー効率が高いため、スケーラビリティを向上させることができます。また、PoSは、PoWよりもセキュリティが高いとされています。

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、各シャードが並行して取引を処理することで、ネットワーク全体の処理能力を向上させる技術です。各シャードは、独立したブロックチェーンとして機能し、それぞれが独自の取引履歴と状態を保持します。シャーディングは、ネットワークの混雑を緩和し、取引手数料を削減することができます。しかし、シャーディングは、セキュリティ上の課題も抱えており、シャード間の相互運用性を確保する必要があります。

ロールアップ

ロールアップは、複数の取引をまとめて1つの取引としてイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、ネットワークの混雑を緩和し、取引手数料を削減する技術です。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2種類があります。

• Optimistic Rollup：Optimistic Rollupは、取引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、不正な取引を検出する仕組みです。Optimistic Rollupは、実装が比較的容易ですが、異議申し立て期間中に資金がロックされるというデメリットがあります。
• ZK-Rollup：ZK-Rollupは、ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を用いて、取引の有効性を証明する仕組みです。ZK-Rollupは、異議申し立て期間を設ける必要がなく、資金がロックされることもありませんが、実装が複雑であるというデメリットがあります。

サイドチェーン

サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのブロックチェーンと相互運用することができます。サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、特定のアプリケーションに特化したネットワークを構築することができます。サイドチェーンは、独自のコンセンサスアルゴリズムとブロックチェーンの構造を持つことができます。

ステートチャネル

ステートチャネルは、2者間の取引をオフチェーンで行い、最終的な結果のみをイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、ネットワークの混雑を緩和し、取引手数料を削減する技術です。ステートチャネルは、頻繁に取引を行う2者間の取引に適しています。

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決策は、まだ発展途上にあります。PoSへの移行は完了しましたが、シャーディングの実装にはまだ時間がかかります。また、レイヤー2ソリューションも、それぞれにメリットとデメリットがあり、最適なソリューションは、アプリケーションの要件によって異なります。

今後、イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決に向けて、様々な技術が開発され、改善されていくことが予想されます。これらの技術が成熟し、普及することで、イーサリアムは、より多くのユーザーに利用される、よりスケーラブルなプラットフォームへと進化していくでしょう。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、ネットワークの普及と利用の拡大に伴い、顕在化してきた重要な課題です。本稿では、スケーラビリティ問題の根本原因を分析し、現在提案されている様々な解決策について、技術的な側面を含めて包括的に解説しました。レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションは、それぞれ異なるアプローチでスケーラビリティ問題を解決しようとしており、今後の開発と普及が期待されます。イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決は、分散型アプリケーションの普及とWeb3の実現にとって不可欠であり、今後の動向に注目していく必要があります。