楽観的ロールアップ vs. ZKロールアップ: イーサリアムのレイヤー2スケーリングを巡る戦い

イーサリアムネットワークがスケーラビリティの問題に直面している中で、レイヤー2スケーリング技術の最前線で注目される 2つの興味深いソリューションが浮上してきました: 楽観的ロールアップとゼロ知識（ZK）ロールアップです。これらの開発は、オフチェーンで処理することで手数料を軽減しスループットを向上させ、イーサリアムメインネットの混雑を緩和しようとしています。それらの影響はレイヤー2の分野では顕著であり、同じ問題に対して複数の解決策を提供し、投資家や開発者との間で議論を巻き起こしています。

分散型金融（DeFi）と非代替性トークン（NFT）の登場により、イーサリアムのネットワーク容量はかつてないほどの圧力にさらされています。 Etherscanのデータによると、需要が高まると平均ガス価格が急騰し、一般ユーザーが受け入れがたいレベルに達することがあります。これにより、合理的なスケーリングソリューションの緊急性が強調されています。

「ロールアップは現在、短期から中期、さらには長期にわたって、唯一の信頼のないイーサリアムのスケーリングソリューションとして位置付けられている」とイーサリアムの共同創設者ヴィタリック・ブテリンは、レイヤー2ソリューションに関するブログ投稿で強調しました。

この承認により、ロールアップは注目を浴び、イーサリアムのロードマップにおいて基本的な存在となっています。

楽観的ロールアップとZKロールアップは共に、複数のトランザクションを一つのバッチにまとめてイーサリアムメインネットへ送信します。しかし、それらがセキュリティと検証を達成する方法は全く異なります。イーサリアムエコシステムを構築または投資する利害関係者は、まずこれらの違いを理解しなければなりません。

この文書は、ロールアップのメカニズムを調査し、楽観的ロールアップと ZKロールアップの特定の特性を見て、その利点と欠点を比較し、現在と将来の応用を探ります。読者は、この技術についての深い理解を得て、最終的にイーサリアムの未来にどのように影響を与えるか理解するべきです。

ロールアップとは？

基本的に、ロールアップはオフチェーンでトランザクションを処理し、データの圧縮版をメインネットに提供することで、イーサリアムのようなブロックチェーンシステムのスループットを向上させることを目的としたレイヤー2スケーリングソリューションです。メインのブロックチェーンの計算とストレージの負荷を軽減することが主な目的であり、セキュリティを損なうことなくスケーラビリティを向上させます。

ロールアップは多数のトランザクションをまとめて一つのバッチに結合し、多くの値を集約または「ロールアップ」します。その後、このバッチはオフチェーンで実行され、結果の状態がメインネットにアップロードされます。理論的には、ロールアップはイーサリアムメインネット単独で可能なトランザクションスループットを何桁も上回ることができます。

Ethereum Improvement Proposal (EIP) 4844、別名Proto-Dankshardingは、データコストの削減を目指すため、ロールアップの効果を向上させるとして多くの注目を集めました。この提案などにより、ロールアップはイーサリアムのスケーリング戦略の重要な構成要素としての地位を固めています。

ロールアップはイーサリアムネットワークのセキュリティを利用しています。トランザクションデータや証拠をメインネットにポストすることは、たとえレイヤー2ソリューションがハッキングされても、ユーザーがイーサリアムの元来のセキュリティ保証に依存できることを保証します。この特徴は、サイドチェーンやその他のセキュリティメカニズムが少ない可能性があるレイヤー2ソリューションとロールアップを区別する決定的な要素です。

ConsenSysの分析では、ロールアップはイーサリアムのトランザクションスループットを約15トランザクション毎秒（TPS）から数千TPSに引き上げる可能性があるとされています。分散型取引所（DEXs）、ゲームプラットフォーム、高頻度取引システムなど、すなわち高いスケーラビリティが必要なアプリケーションにとって興味深いソリューションです。

また、ロールアップはイーサリアムのスマートコントラクト機能とシームレスに統合されています。レイヤー2ソリューションと連携するコントラクトは開発者がメインネットに負担を掛けずに複雑な機能を作成することを可能にします。ロールアップの採用は複数のアプリケーションで依存することになります。

しかし、ロールアップには困難もあります。データの可用性や現在のイーサリアムツールとの相互運用性に問題を引き起こす可能性があり、ユーザーや開発者に新しい技術を受け入れるよう要求します。ロールアップシステムで分散化を保証し、集中的な障害点を避けることも継続的な課題です。

楽観的ロールアップとは？

楽観的ロールアップはトランザクションが初めから妥当であると仮定するロールアップの一種であるため、トランザクションの妥当性を信じます。彼らは基本的に、詐欺証明が指定されたチャレンジ期間内に提出された場合のみ計算、特に検証を行います。詐欺が疑われなければ、各トランザクションの個別の検証を必要としないことから、この楽観的仮定はスケーラビリティを向上させています。

基本的なプロセスは、誰もがトランザクションの妥当性に対して詐欺の証拠を提供することで挑戦できるチャレンジ期間に依存しています。詐欺行為のトランザクションが発見された場合、システムはそれを巻き戻し、悪意ある行為者には罰金が課されるかもしれません。このシステムはゲーム理論の考え方に基づいてセキュリティを維持し、誠実さを促進しています。

Ethereum Virtual Machine (EVM)-との互換性を考慮して設計された楽観的ロールアップは、ほとんど変更を必要とせずにイーサリアムのスマートコントラクトを実行することができます。レイヤー2ソリューションに既存のアプリを導入しようとする開発者にとってこの互換性は移行の簡素化をもたらします。

Optimistic Rollupsの代表的な実装の一つは Optimismです。Optimismチームは、彼らのソリューションがイーサリアムメインネットと比べてガスコストを10～100倍削減できると主張しています。

Offchain Labsにより開発された Arbitrumは、その強力な特徴と開発者に優しい環境のために非常に関心を集めているもう一つの著名なプロジェクトです。

しかし、楽観的ロールアップにはいくつかの欠点があります。イーサリアムメインネットに資金を取り戻す際のチャレンジ期間（数時間から数週間続く可能性）がレイテンシーをもたらします。即時流動性を必要とする人々に対しては、この遅延は問題になる可能性があります。これを解決するために、迅速な移行システムや流動性プロバイダーなどのソリューションが開発されていますが、それらは複雑さを増加させます。

さらに、楽観的ロールアップのセキュリティは、必要であれば、少なくとも一人の誠実な参加者が詐欺の証拠を提供するという予測に依存しています。このモデルは強力ですが、完全ではありません。凝集または誠実な参加者がいない場合には、システムが脆弱になる可能性があります。

これらの課題にもかかわらず、楽観的ロールアップは比較的広範な受容を見ています。例えば、最大の分散型取引所の一つであるUniswapはOptimismに設置されており、低い手数料とより多くのスループットが主な利点であると述べています。この行動によりUniswapのユーザーは摩擦を感じることなく取引できるようになり、プラットフォームのアクセスが改善されました。

ゼロ知識ロールアップとは？

ゼロ知識ロールアップ（ZKロールアップ）は、トランザクションの検証に暗号証明を使用する異なるアプローチを取ります。特にトランザクションの正確さを追加情報なしで確認する非対話型のゼロ知識証明（SNARKsまたはSTARKs）を作成します。このシステムは各トランザクションが合法であることを保証し、チャレンジ期間の必要を排除します。

ZKロールアップのトランザクションはオフチェーンで処理され、続いて妥当性証明と共にイーサリアムメインネットに送信されます。メインネットのスマートコントラクトはこの証明を検証することで合法な状態遷移を保証します。資金を引き出す際には、このアプローチによりほぼ即時の確定性が得られ、これは楽観的ロールアップに対して大きな利点です。

ZKロールアップの主な利点の一つは、非常に強力なセキュリティ保証です。トランザクションの各バッチが妥当性の証明を伴い、詐欺を発見するためにゲーム理論の奨励や誠実な参加者が必要ではありません。この暗号的な保証により、 ZKロールアップは非常に安全です。

ZKロールアップの主要な実装としては、 Matter LabsのZKSyncや StarkWareのStarkExがあります。これらのプロジェクトのスケーラビリティと効率性は著しい進歩を見せています。例えば、zkSyncは高いセキュリティ基準を維持しながらガスコストを最大100倍削減すると約束しています。

しかし、ZKロールアップは計算の複雑さと格闘しなければなりません。ゼロ知識証明は資源を必要とし、任意のスマートコントラクトロジックをサポートすることが困難になる可能性があります。 ZKロールアップは現在、取引や転送のような簡単なトランザクションにより効率的ですが、より複雑な操作をサポートするためにより効果的になっています。

もう1つの制約は、完全なEVM互換性の不足です。イーサリアムのスマートコントラクトはゼロ知識証明と自然に連携するようには設計されていないため、開発者はコントラクトの書き換えを強いられたり、専門的なプログラミング言語を活用する必要があるかもしれません。 zkEVMのようなプロジェクトが EVM互換のZKロールアップを生産する努力をしています。

これらの困難にもかかわらず、 ZKロールアップの即座の確定性と暗号固定の強さは、速度とセキュリティが重要な用途において魅力的です。技術の成熟はより広範な機能を実現するはずです。

楽観的ロールアップとZKロールアップの比較

楽観的ロールアップと ZKロールアップの両方が、トランザクションをオフチェーンで処理することでイーサリアムをスケールさせることを目指していますが、その基礎となるメカニズムは異なったトレードオフを生み出します。

検証とセキュリティ

楽観的ロールアップは詐欺証明とチャレンジ期間を頼りにしてトランザクションの妥当性を確保します。これは無効なトランザクションが検出されて報告された場合のみ逆戻りすることができることを意味します。対照的に、ZKロールアップは妥当性証明を使用して、メインネットに送信された各トランザクションバッチの正確性を暗号的に保証します。

Electric Capitalの報告によると、「ZKロールアップはゲーム理論的仮定に頼らないため、より強力なセキュリティ保証を提供します。」

引き出しレイテンシー

楽観的ロールアップにはチャレンジ期間のため重大な引き出し遅延があります。", Content: 出金は、有効性の証明が状態の正しさを保証するためです。

EVM Compatibility

Optimistic Rollups は一般的により EVM 互換性が高く、開発者が既存の Ethereum スマートコントラクトを最小限の変更でデプロイすることができます。ZK-Rollups は、複雑な操作の証明を生成する計算負荷が高いため、歴史的に EVM との互換性に苦労してきました。しかし、zkEVM のような進歩により、この差を埋めることが目指されています。

Performance and Scalability

ZK-Rollups は特に単純な取引でより高いスループットと低い手数料を提供できます。これは、有効性の証明がトランザクションデータをより効率的に圧縮するためです。Optimistic Rollups は、詐欺証明の必要性からオーバーヘッドが高くなる可能性があります。

Complexity and Development Effort

ZK-Rollups の実装は、高度な暗号技術を含むためより複雑です。これが開発を遅くし、バグの可能性を増やす可能性があります。Optimistic Rollups は比較的実装が簡単で、アプリケーションのより迅速な展開を可能にしています。

Ecosystem Adoption

両方のタイプのロールアップは大きな採用を見ています。現在、Optimistic Rollups はその EVM 互換性により、より多くの DeFi アプリケーションを持っています。ZK-Rollups も EVM 互換性のソリューションが成熟するにつれ追いついています。Dune Analytics によると、これら両方のソリューションにおける総ロック価値（TVL）は増加しており、信頼度と採用の成長を反映しています。

Regulatory Considerations

ZK-Rollups の暗号的性質は、より優れたプライバシー機能を提供する可能性があり、これは規制コンプライアンスの観点では諸刃の剣です。Optimistic Rollups はより透明性があり、規制上の期待に合致するかもしれません。

Use Cases for Optimistic Rollups and ZK-Rollups

Optimistic Rollups の EVM 互換性により、複雑なスマートコントラクトアプリケーションでの利用に最適です。これにより、DeFi プラットフォーム、NFT マーケットプレイス、およびその他の複雑なロジックを要するアプリケーションに最適です。例えば、合成流動性システムの Synthetix は、手数料を下げスケーラビリティを増やすために Optimism と提携しています。この統合のユーザーは、合成資産をより迅速かつ摩擦少なく取引することが可能でした。

トランザクション速度とセキュリティが非常に重要な場合、ZK-Rollups はその性能を発揮します。ZK-Rollups の即時ファイナリティと高いスループットは、決済アプリやスポット取引向け分散型取引所、ゲームプラットフォームに有用です。ZK-Rollups を使用して、Layer 2 プロトコルの Loopring は、迅速かつ安価な取引を提供する分散取引所を作成しています。Loopring のデータによると、ユーザーはメインネットコストの0.1%という低い手数料で取引することが可能であり、非常にアクセスしやすいです。

また、プライバシー意識の高いアプリケーションやアイデンティティ検証においても ZK-rollups の人気が高まっています。ゼロ知識証明により、ユーザーはプライベートな情報を開示することなく特性を証明することができ、コンプライアンスとユーザープライバシーに役立ちます。

zkSync などのプロジェクトは、ZK-Rollups 上でスマートコントラクトを実現し、Optimistic Rollups に基づく限られたユースケースを開くことを目指しています。これらの技術が発展するにつれ、その能力の境界が曖昧になり、開発者により多くの自由度を提供するかもしれません。

Final Thoughts

Optimistic Rollups と ZK-Rollups の競争は、Ethereum のスケーラビリティを追求する過程での健全な進歩を表しています。両技術ともに特別な利点があり、ネットワークが増加する需要に対応できるようにするために重要です。

EVM に適合し、実装が容易なことから、楽観的ロールアップが DeFi の分野で非常に人気となっています。より強力なセキュリティ保証と瞬時のファイナリティを提供する ZK-Rollups は、暗号技術の革新の限界を押し広げています。

Ethereum エコシステムが発展するにつれ、両方の選択肢は共存し、様々なニーズと目的に応えるでしょう。開発者や投資家、消費者は、これらの技術の進化が分散型アプリケーションの行方に大きな影響を与えるため、常に情報を得ておくべきです。

「短期的には、ロールアップは唯一の信頼のないスケーリングソリューションであり、長期的には、Ethereum エコシステムの重要な部分です」と、Vitalik Buterin はこの状況をうまく要約しました。

Optimistic と ZK-Rollups の発展はこのビジョンを強調しています：よりスケーラブルかつ効率的な Ethereum ネットワークが約束されています。