イーサリアムのスケーラビリティ改善策まとめ

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、その普及に伴い、トランザクション処理能力の限界、すなわちスケーラビリティ問題が顕在化してきました。この問題は、ネットワークの混雑によるガス代の高騰、トランザクションの遅延、そしてDAppsのユーザーエクスペリエンスの低下を引き起こします。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティを改善するための様々な策について、技術的な詳細を含めて解説します。

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、そのアーキテクチャにあります。イーサリアムは、すべてのトランザクションをネットワーク上のすべてのノードが検証する完全な分散型システムを採用しています。この仕組みは、セキュリティと信頼性を確保する上で不可欠ですが、トランザクション処理能力を制限する要因となります。具体的には、以下の点が挙げられます。

• ブロックサイズ制限：イーサリアムのブロックサイズは制限されており、一度に処理できるトランザクションの数に上限があります。
• ブロック生成間隔：ブロックの生成間隔は平均して約12秒であり、これがトランザクションの処理速度を制限します。
• 状態の肥大化：イーサリアムの状態（アカウント残高、スマートコントラクトの状態など）は時間とともに肥大化し、ノードが状態を保存および処理するのに必要なリソースが増加します。

スケーラビリティ改善策の分類

イーサリアムのスケーラビリティ改善策は、大きく分けて以下の3つのカテゴリに分類できます。

• レイヤー1ソリューション：イーサリアムの基盤となるプロトコル自体を改良するものです。
• レイヤー2ソリューション：イーサリアムの基盤プロトコル上に構築され、トランザクションをオフチェーンで処理することで、スケーラビリティを向上させるものです。
• シャーディング：ネットワークを複数のシャードに分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理することで、並列処理能力を向上させるものです。

レイヤー1ソリューション

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行

イーサリアムは、当初プルーフ・オブ・ワーク（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、トランザクションを検証するために大量の計算リソースを必要とするため、エネルギー消費が大きく、スケーラビリティにも限界がありました。そこで、イーサリアムはプルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行を進めています。PoSでは、トランザクションの検証者は、暗号資産を預け入れることで選ばれます。PoSは、PoWに比べてエネルギー効率が高く、スケーラビリティも向上すると期待されています。

EIP-1559

EIP-1559は、イーサリアムのトランザクション手数料の仕組みを改善するための提案です。従来の仕組みでは、トランザクション手数料は、ネットワークの混雑状況に応じて変動し、予測が困難でした。EIP-1559では、トランザクション手数料をベースフィーとプライオリティフィーに分割し、ベースフィーは自動的に調整されるようにしました。これにより、トランザクション手数料の予測可能性が向上し、ユーザーエクスペリエンスが改善されると期待されています。

レイヤー2ソリューション

ステートチャネル

ステートチャネルは、2者間のトランザクションをオフチェーンで処理するための技術です。ステートチャネルを使用すると、頻繁に行われるトランザクションをイーサリアムのメインチェーンに記録することなく、高速かつ低コストで処理できます。ステートチャネルは、主にマイクロペイメントやゲームなどのアプリケーションに適しています。

ロールアップ

ロールアップは、複数のトランザクションをまとめてオフチェーンで処理し、その結果をイーサリアムのメインチェーンに記録する技術です。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの主要なタイプがあります。

• Optimistic Rollup：トランザクションはデフォルトで有効であると仮定し、不正なトランザクションがあった場合に、異議申し立て期間を設けて検証を行います。
• ZK-Rollup：ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を使用して、トランザクションの有効性を証明します。ZK-Rollupは、Optimistic Rollupよりもセキュリティが高いとされていますが、実装が複雑です。

サイドチェーン

サイドチェーンは、イーサリアムのメインチェーンとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのメインチェーンと双方向通信が可能です。サイドチェーンを使用すると、イーサリアムのメイン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ブロックチェーンを構築できます。サイドチェーンは、主にDAppsのテストや実験、または特定のユースケースに特化したアプリケーションの構築に適しています。

シャーディング

シャーディングは、イーサリアムのネットワークを複数のシャードに分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理することで、並列処理能力を向上させる技術です。シャーディングを導入することで、イーサリアムのスケーラビリティを大幅に向上させることが期待されています。シャーディングの実装は非常に複雑であり、セキュリティやデータ可用性などの課題を解決する必要があります。

各ソリューションの比較

| ソリューション | メリット | デメリット | 適用分野 |
|—|—|—|—|
| PoS | エネルギー効率が高い、スケーラビリティ向上 | 実装の複雑さ、セキュリティリスク | 基盤プロトコル |
| EIP-1559 | 手数料の予測可能性向上、ユーザーエクスペリエンス改善 | ガス代の変動 | 基盤プロトコル |
| ステートチャネル | 高速、低コスト | 2者間のトランザクションに限定 | マイクロペイメント、ゲーム |
| Optimistic Rollup | 比較的実装が容易 | 異議申し立て期間が必要 | 一般的なDApps |
| ZK-Rollup | 高いセキュリティ | 実装が複雑 | 高いセキュリティが求められるDApps |
| サイドチェーン | 特定のアプリケーションに特化 | セキュリティリスク | DAppsのテスト、特定のユースケース |
| シャーディング | 大幅なスケーラビリティ向上 | 実装が非常に複雑 | 全てのDApps |

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ改善策は、現在も活発に開発が進められています。PoSへの移行は完了し、EIP-1559も実装されました。レイヤー2ソリューションは、Optimistic RollupやZK-Rollupが急速に普及しており、多くのDAppsで採用されています。シャーディングは、まだ開発段階ですが、イーサリアムのスケーラビリティを飛躍的に向上させる可能性を秘めています。これらの改善策が組み合わさることで、イーサリアムは、より多くのユーザーとDAppsをサポートできる、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、その普及を阻害する大きな課題です。しかし、レイヤー1ソリューション、レイヤー2ソリューション、シャーディングなど、様々な改善策が開発されており、これらの策が段階的に導入されることで、イーサリアムのスケーラビリティは着実に向上していくと期待されます。これらの技術の進歩は、分散型金融（DeFi）、非代替性トークン（NFT）、そしてWeb3の未来を形作る上で、重要な役割を果たすでしょう。