イーサリアム（ETH）でスケーラビリティ問題を克服する方法

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、スケーラビリティ問題が顕在化し、トランザクション処理速度の低下やガス代の高騰といった課題が生じています。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティ問題を克服するための様々なアプローチについて、技術的な詳細を含めて詳細に解説します。

1. 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は、主に以下の要因によって引き起こされます。

• ブロック生成間隔の制限: イーサリアムのブロック生成間隔は約12秒と定められており、これはビットコインの約10分と比較して短いものの、トランザクションの処理能力には限界があります。
• ブロックサイズの制限: 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制約があります。
• すべてのノードがトランザクションを検証: イーサリアムのネットワークでは、すべてのノードがすべてのトランザクションを検証する必要があり、これが処理能力のボトルネックとなっています。
• スマートコントラクトの複雑性: スマートコントラクトの実行には計算資源が必要であり、複雑なコントラクトはより多くのガスを消費し、ネットワークの混雑を招きます。

2. レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションは、イーサリアムの基盤となる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。

2.1 シャーディング

シャーディングは、ネットワークを複数のシャード（断片）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、並列処理能力を高める技術です。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、シャーディングが主要なスケーラビリティソリューションとして採用されています。シャーディングの実装には、データの整合性やセキュリティを確保するための複雑な技術が必要です。

2.2 コンセンサスアルゴリズムの変更

イーサリアムは現在、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すが、PoWは計算資源を大量に消費し、スケーラビリティのボトルネックとなっています。プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、PoWの代替となるコンセンサスアルゴリズムであり、計算資源の消費を抑え、より高速なトランザクション処理を可能にします。イーサリアム2.0では、PoSへの移行が計画されています。PoSは、バリデーターと呼ばれるノードが、ETHを預けることでトランザクションの検証に参加する仕組みです。

2.3 eWASM

eWASM (Ethereum flavored WebAssembly) は、イーサリアムの仮想マシン (EVM) を置き換えることを目指す技術です。WASMは、Webブラウザで高速に実行できるバイナリ形式であり、EVMよりも効率的なスマートコントラクトの実行を可能にします。eWASMの導入により、スマートコントラクトの実行速度が向上し、ガス代が削減される可能性があります。

3. レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムの基盤となるプロトコルを変更せずに、その上に構築された別のレイヤー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アプローチです。

3.1 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技術です。これにより、メインチェーンの混雑を緩和し、トランザクション処理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があります。

3.2 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する仕組みです。
• ZK-Rollup: ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を用いて、トランザクションの有効性を証明することで、不正なトランザクションを検出する仕組みです。

ロールアップは、ステートチャネルよりも複雑ですが、より高いスケーラビリティを実現することができます。代表的なロールアップの実装としては、Arbitrum、Optimism、zkSyncがあります。

3.3 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、イーサリアムのセキュリティを共有しながら、独自のコンセンサスアルゴリズムやブロックサイズを採用することができます。サイドチェーンは、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するのに適しています。代表的なサイドチェーンの実装としては、Polygon (Matic) があります。

3.4 Validium

Validiumは、ZK-Rollupと同様にゼロ知識証明を使用しますが、トランザクションデータをオンチェーンではなくオフチェーンに保存します。これにより、ZK-Rollupよりもさらに高いスケーラビリティを実現することができますが、データの可用性に関する信頼性が課題となります。

4. その他のアプローチ

4.1 データ可用性サンプリング (DAS)

DASは、ブロックチェーンのデータを完全にダウンロードせずに、その可用性を検証する技術です。DASは、シャーディングのスケーラビリティを向上させるために重要な役割を果たします。

4.2 プログレッシブ・プルーフ・オブ・ステーク (PPOS)

PPOSは、PoSの改良版であり、バリデーターの選出方法や報酬メカニズムを最適化することで、ネットワークのセキュリティと効率性を向上させることを目指します。

4.3 フラグメント化

フラグメント化は、スマートコントラクトを複数の小さなフラグメントに分割し、並列に実行することで、スマートコントラクトの実行速度を向上させる技術です。

5. 各ソリューションの比較

| ソリューション | スケーラビリティ | セキュリティ | 複雑性 | 実装状況 |
|—|—|—|—|—|
| シャーディング | 高 | 高 | 非常に高い | 開発中 (イーサリアム2.0) |
| PoS | 中 | 高 | 中 | 移行中 (イーサリアム2.0) |
| eWASM | 中 | 中 | 高 | 研究段階 |
| ステートチャネル | 中 | 中 | 中 | 実装済み (Raiden Network) |
| Optimistic Rollup | 高 | 中 | 中 | 実装済み (Arbitrum, Optimism) |
| ZK-Rollup | 高 | 高 | 非常に高い | 実装済み (zkSync) |
| サイドチェーン | 中 | 低 | 低 | 実装済み (Polygon) |
| Validium | 高 | 中 | 高 | 実装済み |

6. まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、単一の解決策で克服できるものではなく、様々なアプローチを組み合わせることで、徐々に解決していく必要があります。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、それぞれ異なる特徴を持っており、互いに補完し合う関係にあります。イーサリアム2.0の完成と、様々なレイヤー2ソリューションの普及により、イーサリアムはよりスケーラブルで、より多くのユーザーが利用できる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。今後の技術開発とコミュニティの協力が、イーサリアムのスケーラビリティ問題の克服を加速させる鍵となるでしょう。