イーサリアム（ETH）が抱えるスケーラビリティ問題の解決策

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・実行するためのプラットフォームとして、ブロックチェーン技術の可能性を広げてきました。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、ネットワークの処理能力の限界が課題となっています。本稿では、イーサリアムが抱えるスケーラビリティ問題の詳細を分析し、その解決策として提案されている様々なアプローチについて、技術的な側面を含めて詳細に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、主に以下の3つの要因によって引き起こされます。

• トランザクション処理能力の限界: イーサリアムのメインネットは、1秒あたり約15〜30トランザクション（TPS）しか処理できません。これは、VisaやMastercardなどの従来の決済システムと比較して非常に低い数値であり、DAppsの利用者が増加すると、トランザクションの遅延や手数料の高騰を引き起こします。
• ブロックサイズとブロック生成間隔: イーサリアムのブロックサイズは比較的小さく、ブロック生成間隔は約12秒です。これにより、1つのブロックに含めることができるトランザクションの数が制限され、ネットワーク全体の処理能力が低下します。
• Gasコストの変動: イーサリアム上でトランザクションを実行するには、Gasと呼ばれる手数料を支払う必要があります。ネットワークの混雑状況に応じてGas価格が変動するため、トランザクションの実行コストが予測不可能になり、DAppsの利用を妨げる要因となります。

これらの問題は、DAppsのユーザーエクスペリエンスを低下させ、イーサリアムの普及を阻害する可能性があります。そのため、スケーラビリティ問題の解決は、イーサリアムの持続的な発展にとって不可欠な課題です。

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、様々なアプローチが提案されています。これらのアプローチは、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。

• 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、各シャードが独立してトランザクションを処理することで、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、独自のトランザクション履歴と状態を保持し、異なるシャード間でトランザクションを検証するためのクロスシャード通信メカニズムが必要です。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。
• 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が、PoSへの移行を進めています。PoSは、PoWと比較してエネルギー消費量が少なく、トランザクションの検証速度が向上するため、スケーラビリティの改善に貢献します。
• ブロックサイズの増加: ブロックサイズを大きくすることで、1つのブロックに含めることができるトランザクションの数を増やすことができます。しかし、ブロックサイズを大きくすると、ノードのストレージ要件が増加し、ネットワークの分散性が低下する可能性があります。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのメインネット上に構築される追加のレイヤーで、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アプローチです。

• 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実行し、最終的な結果のみをメインネットに記録する技術です。これにより、トランザクションの遅延を削減し、手数料を低減することができます。Lightning NetworkやRaiden Networkなどがステートチャネルの代表的な例です。
• 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1つのトランザクションとしてメインネットに記録する技術です。これにより、メインネットの負荷を軽減し、スケーラビリティを向上させることができます。Optimistic RollupsとZK-Rollupsの2つの主要なタイプがあります。
• Optimistic Rollups: 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-Rollups: ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）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。
• 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ネット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とトランザクション処理能力を持っています。サイドチェーンは、メインネットと双方向通信が可能であり、メインネットの負荷を軽減することができます。Polygonなどがサイドチェーンの代表的な例です。

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 | 実装状況 |
|—|—|—|—|
| シャーディング | 高いスケーラビリティ、分散性の維持 | 実装の複雑さ、セキュリティリスク | イーサリアム2.0で開発中 |
| PoSへの移行 | エネルギー効率の向上、トランザクション速度の向上 | セキュリティリスク、ステーキングの集中化 | 移行完了 |
| ブロックサイズの増加 | 簡単な実装 | 分散性の低下、ネットワークの肥大化 | 議論中 |
| ステートチャネル | 高速なトランザクション、低い手数料 | 2者間のトランザクションに限定 | 実用化段階 |
| Optimistic Rollups | 比較的容易な実装 | 異議申し立て期間が必要 | 実用化段階 |
| ZK-Rollups | 高いセキュリティ、高速なトランザクション | 実装の複雑さ | 開発段階 |
| サイドチェーン | 柔軟なカスタマイズ、高いスケーラビリティ | セキュリティリスク、メインネットとの連携 | 実用化段階 |

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には、上記の様々なソリューションを組み合わせることが重要です。イーサリアム2.0のシャーディングとPoSへの移行は、長期的なスケーラビリティの向上に貢献すると期待されています。また、レイヤー2ソリューションは、短期的なスケーラビリティの改善に役立ち、DAppsの利用を促進することができます。

特に、ロールアップ技術は、その高いスケーラビリティとセキュリティから、今後のイーサリアムのスケーラビリティソリューションの中心的な役割を果たすと考えられています。Optimistic RollupsとZK-Rollupsは、それぞれ異なる特徴を持っており、DAppsの要件に応じて適切なロールアップを選択することが重要です。

さらに、サイドチェーンやステートチャネルなどの他のレイヤー2ソリューションも、特定のユースケースにおいて有効な選択肢となり得ます。これらのソリューションを組み合わせることで、イーサリアムは、より多くのトランザクションを処理し、より多くのユーザーをサポートできるようになるでしょう。

結論

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及と発展にとって重要な課題です。レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの組み合わせによって、この問題を解決し、イーサリアムをよりスケーラブルで使いやすいプラットフォームに進化させることが可能です。今後の技術開発とコミュニティの協力によって、イーサリアムは、分散型アプリケーションの未来を切り開いていくでしょう。