イーサリアム（ETH）のトランザクション速度向上技術を紹介

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います。しかし、そのスケーラビリティ、特にトランザクション処理速度は、長年にわたり課題とされてきました。本稿では、イーサリアムのトランザクション速度を向上させるために開発されている様々な技術について、詳細に解説します。

1. イーサリアムのスケーラビリティ問題

イーサリアムのトランザクション速度が遅い主な原因は、その基盤となるブロックチェーンの構造にあります。イーサリアムは、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おり、ブロックの生成に時間がかかります。また、すべてのトランザクションがネットワーク上のすべてのノードによって検証されるため、処理能力に限界があります。この結果、トランザクションの遅延やガス代の高騰が発生し、DAppsのユーザーエクスペリエンスを損なうことがあります。

具体的には、イーサリアムのトランザクション処理速度は、1秒あたり約15トランザクション（TPS）程度とされています。これは、VisaやMastercardなどの従来の決済システムと比較すると、非常に低い数値です。この低速さが、イーサリアムの普及を阻害する要因の一つとなっています。

2. レイヤー2ソリューション

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、様々なレイヤー2ソリューションが開発されています。レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのメインチェーン（レイヤー1）の外でトランザクションを処理し、その結果をメインチェーンに記録することで、トランザクション速度を向上させる技術です。

2.1. 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。参加者は、メインチェーン上でチャネルを開設し、その中で複数のトランザクションを交換します。最後に、チャネルをクローズする際に、最終的な状態のみをメインチェーンに記録します。これにより、メインチェーンの負荷を軽減し、トランザクション速度を向上させることができます。代表的なステートチャネルの実装としては、Raiden NetworkやCeler Networkなどがあります。

2.2. 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技術です。これにより、メインチェーンの負荷を大幅に軽減し、トランザクション速度を向上させることができます。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。

2.2.1. Optimistic Rollup

Optimistic Rollupは、トランザクションが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、チャレンジメカニズムによって検証を行います。ArbitrumやOptimismなどが代表的なOptimistic Rollupの実装です。Optimistic Rollupは、比較的実装が容易であるという利点がありますが、不正なトランザクションの検証に時間がかかるという欠点があります。

2.2.2. ZK-Rollup

ZK-Rollupは、ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）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。これにより、不正なトランザクションの検証を高速に行うことができます。zkSyncやLoopringなどが代表的なZK-Rollupの実装です。ZK-Rollupは、高いセキュリティと高速なトランザクション処理速度を実現できますが、実装が複雑であるという欠点があります。

2.3. 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、独自のコンセンサスアルゴリズムを採用しています。サイドチェーンは、メインチェーンから資産を移動することで、オフチェーンでトランザクションを処理することができます。Polygon（旧Matic Network）などが代表的なサイドチェーンの実装です。サイドチェーンは、高いトランザクション処理速度を実現できますが、セキュリティがメインチェーンよりも低い場合があります。

3. イーサリアム2.0（The Merge）

イーサリアム2.0は、イーサリアムのスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させるための大規模なアップグレードです。その主要な要素の一つが、コンセンサスアルゴリズムのプルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行です。PoSは、PoWと比較して、エネルギー消費量が少なく、トランザクション処理速度が向上します。2022年9月15日に完了した「The Merge」により、イーサリアムはPoSに移行し、エネルギー効率が大幅に向上しました。

3.1. 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技術です。これにより、ネットワーク全体の処理能力を大幅に向上させることができます。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、トランザクション速度のさらなる向上が期待されています。

4. その他の技術

4.1. EIP-4844 (Proto-Danksharding)

EIP-4844は、シャーディングの導入に向けた前段階として提案された規格です。Blobトランザクションという新しいトランザクションタイプを導入し、データ可用性サンプリング（DAS）を可能にします。これにより、ロールアップのガス代を大幅に削減し、トランザクション速度を向上させることが期待されています。2024年3月にDencunアップグレードで実装されました。

4.2. Verkle Trees

Verkle Treesは、Merkle Treesを改良したデータ構造であり、ノードのサイズを削減し、検証時間を短縮することができます。Verkle Treesは、イーサリアムのステートサイズを削減し、トランザクション速度を向上させるために使用される可能性があります。

5. 各技術の比較

| 技術 | メリット | デメリット | 実装状況 |
|——————|—————————————-|—————————————-|————–|
| ステートチャネル | 高速なトランザクション処理、低コスト | 2者間のトランザクションに限定 | 実用段階 |
| Optimistic Rollup | 比較的実装が容易 | 不正なトランザクションの検証に時間がかかる | 実用段階 |
| ZK-Rollup | 高いセキュリティ、高速なトランザクション処理 | 実装が複雑 | 開発段階 |
| サイドチェーン | 高いトランザクション処理速度 | セキュリティが低い場合がある | 実用段階 |
| PoS | エネルギー効率が高い、トランザクション速度向上 | 新しいコンセンサスアルゴリズムへの移行が必要 | 実装済み |
| シャーディング | ネットワーク全体の処理能力を向上させる | 実装が複雑 | 開発段階 |
| EIP-4844 | ロールアップのガス代削減、トランザクション速度向上 | シャーディングの導入に向けた前段階 | 実装済み |
| Verkle Trees | ステートサイズの削減、トランザクション速度向上 | 実装が複雑 | 開発段階 |

6. まとめ

イーサリアムのトランザクション速度向上技術は、レイヤー2ソリューション、イーサリアム2.0、その他の技術など、多岐にわたります。これらの技術は、それぞれ異なるメリットとデメリットを持っており、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、相互に補完し合いながら開発が進められています。The MergeによるPoSへの移行とEIP-4844の実装は、すでに大きな進歩をもたらしており、今後のシャーディングの実装によって、イーサリアムはより高速で効率的なプラットフォームへと進化していくことが期待されます。これらの技術の進展は、DAppsの普及を促進し、Web3の実現に大きく貢献するでしょう。