レイヤー2とスケーラビリティ問題

ブロックチェーンネットワークは暗号資産（仮想通貨）を利用するたびにトランザクションデータを保存している為、あまりにも多くのトランザクションが同時に発生するとネットワークが遅延し、ユーザーはトランザクションの渋滞が解消するまで待たされることになります。

この問題を解決するために登場したのがレイヤー2です。
レイヤー2はブロックチェーン上に構築された第2のフレームワークであり、トランザクションを高い能力で処理することができます。
レイヤー2の仕組みを理解するためには、まずレイヤー1の問題を理解する必要があります。

この記事ではブロックチェーンのスケーラビリティの問題とレイヤー2のソリューションについて解説します。

レイヤー1とは

レイヤー1はブロックチェーンネットワークのベースレイヤー、つまり全てのトランザクションの基盤です。（Bitcoin、Ethereum、Litecoinはレイヤー1のブロックチェーンです。）
レイヤー1はノードと呼ばれる多数のプライベートネットワークに広がっています。

このノードは、各コンピューティングリソースを使用して暗号資産（仮想通貨）のトランザクションを検証していますが、処理能力の異なるさまざまなノードを利用しているため、ブロックチェーンは大量のリクエストを同時に処理することができません。

レイヤー1のソリューションとして、ネットワーク全体の処理能力を高めたり、各ブロックが保持できるデータ量を増加させることでこの問題を解決することができます。

コンセンサスについて

PoW (Proof of Stake)は、レイヤー1プロトコルの代表的な例の1つです。
これはノードに複雑な数学的問題を解かせて取引を検証するアルゴリズムです。
この方法は他の方法よりも安全ですが最も時間がかかります。

Ethereum 2.0のような最新のブロックチェーンではPoS (Proof of Stake)を使用しています。
PoSも同様に分散型ネットワークで動作しますが、複雑な問題を解決する必要がないため、PoWと比べてはるかに高速です。
また、ネットワークの参加者は取引を検証する権利を得るために、自身の暗号資産（仮想通貨）をステークとして預ける必要があります。

PoWもPoSもレイヤー1のブロックチェーンを支えるコンセンサスメカニズムと考えられています。

シャーディングについて

レイヤー1の各ノードは、全てのトランザクションの全てのデータを処理する必要があり、その中には公開鍵、インプット、アウトプットなどが含まれます。

シャーディングはそれらのデータを小さく分割します。
各ノードは少量のデータを処理することが可能になり、その結果ブロックチェーン全体のスループットが向上します。
これは開発者がレイヤー1の問題を解決しようと試みた施策の一つです。
しかしシャーディングはスケーラビリティの問題を完全に解決したとは言えませんでした。

問題点はスピードだけではなく、もっと深いところにありブロックチェーントリレンマと呼ばれています。

ブロックチェーントリレンマとは

トリレンマとは、望む結果を得るためには3つの概念が必要だが、2つの概念を重視すると残りの概念が犠牲になる事象のことです。
ブロックチェーンの場合、関係する3つの概念とは、「分散化」、「セキュリティ」、「スケーラビリティ」です。

ブロックチェーンの初期段階では、「分散化」が重要視されていました。
銀行などの金融仲介者を経由せず個々のネットワークが集まることで、彼らが働いた分だけ報酬を得られる仕組みです。

セキュリティも重要なポイントです。
各ノードが全ての取引のコピーを持っていれば、それを改ざんすることは非常に困難です。
また、ネットワークのノード数が多ければ多いほど51%攻撃を受ける可能性は低くなります。

ブロックチェーンは分散性とセキュリティ性の両方に優れているため、スケーラビリティが問題となります。

ビットコインのブロックチェーンは、1秒間に最大7トランザクション（TPS）を処理できますが、当時はユーザー数が少なかったため、大きな問題にはなりませんでした。
今では、VISAのスピードが約1,700TPSであることと比較すると、その差は歴然です。

レイヤー2とは

レイヤー2はレイヤー1の上位に位置するプロトコルや技術のことです。
レイヤー1とは独立して動作しますが全体ネットワークの一部であることに変わりはありません。
例えばセキュリティ上の問題が発生した場合、ユーザーはいつでもレイヤー1に戻ってデータを再確認することができるのです。
別のネットワーク上で動作することからレイヤー2はオフチェーンと呼ばれることもあります。

レイヤー2はレイヤー1と比べてはるかに高い容量と処理速度で構築され、そのほとんどはレイヤー1からの検証を必要としません。
例えば、「State Channel」、イーサリアムプラズマ、ライトニングネットワークなどが挙げられます。

「State Channel」

このネットワークは、ベースレイヤーの上に複数のオフチェーンチャンネルを持つことができます。
「State channel」は特定の参加者間でチャンネルを開き、オフチェーンで状態遷移を行い、ある特定の時点でオンチェーンに記録をするというものです。

「Plasma」

Plasmaはネスト型ブロックチェーンの一種で「State Channel」と似たような働きをします。
違いの1つとして各チャネルが独自のルールを持つことができます。Ethereumでは全ての取引にスマートコントラクトを使用しているため、このチェーンにも同じことが適用できます。

「ライトニングネットワーク」

ライトニングネットワークはこちらの記事で詳しく解説しておりますので、
ぜひご覧ください：https://blog.liquid.com/ja/20210205-bitcoin-lightning

まとめ

ここまでレイヤー1の概要とスケーラビリティについて、さらにいくつかのレイヤー2のソリューションをご紹介しました。

レイヤー2は、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題を解決する可能性のある重要な技術の1つです。

トリレンマは完全には解決できないかもしれませんが、（チャンネル数が増えれば、親チェーンの数も増え、最終的にはある程度の中央集権化が進むことになるでしょう。）
ブロックチェーンの抱える問題がどのように解決されていくのか、今後もレイヤー2の情報から目が離せません。