ブロックチェーンのスケーラビリティ対策：レイヤー1とレイヤー2のアプローチ

ブロックチェーン技術が成熟し、一般への普及がますます近づくにつれ、その進化を左右し続ける課題が一つある。それは「スケーラビリティ」である。

ブロックチェーンのスケーラビリティとは、速度、コスト効率、セキュリティを損なうことなく、増加する取引量を処理するネットワークの能力を指します。Web3業界では、これに対応するため、主に2つのカテゴリーに分類される改善策が講じられています：

• レイヤー1（L1）ソリューションとは、ブロックチェーン自体を改善するためのブロックチェーンへの変更を指します。

• レイヤー2（L2）ソリューションは、既存のブロックチェーン上にスケーラブルなインフラを構築し、取引をオフチェーンで処理します。

こうした仕組みを理解することは重要である。なぜなら、それらがブロックチェーンが機関投資家レベルでの大規模な普及を支えられるかどうかに直接影響するからである。

この記事では、ブロックチェーンのスケーラビリティ課題について考察し、レイヤー1とレイヤー2のアプローチを検証するとともに、両者のトレードオフを比較し、スケーラブルなブロックチェーンインフラの将来像について概説する。

主なポイント

• ブロックチェーンのスケーラビリティの三難題により、ネットワークは分散性、セキュリティ、スループットのバランスをとらざるを得ません。ある要素を改善しようとすると、別の要素を犠牲にしなければならないことがよくあります。

• レイヤー1ソリューションは、シャーディング、ブロックサイズの拡大、コンセンサスメカニズムの改善といった手法を通じて、基盤となるプロトコルを改良します。

• レイヤー2ソリューションは、基盤となるブロックチェーンのセキュリティを継承しつつ、トランザクション処理をオフロードするものであり、イーサリアムにおいてはロールアップが主流のアプローチとなっている。

• 機関投資家による採用は、予測可能なコスト、信頼性の高い決済時間、そしてL1とL2の両方で運用可能な安全なカストディインフラに依存しています。

ブロックチェーンのスケーラビリティが本当に意味すること

ブロックチェーンのスケーラビリティは、単なるトランザクション処理能力だけにとどまりません。そこには、相互に関連し合う複数の要素が含まれています。具体的には、1秒あたりのトランザクション処理能力（TPS）、トランザクションの確定時間、ネットワーク負荷の変化に伴うコスト効率、そしてネットワークへの参加に必要なリソースなどが挙げられます。

パブリックブロックチェーンは、その分散型アーキテクチャゆえに、本質的な制約を抱えています。すべてのフルノードが全取引の検証と保存を行わなければならないため、パフォーマンスには必然的な限界が生じます。この設計はセキュリティと分散化を優先していますが、今日の伝統的な金融分野で一般的な集中型システムと比較すると、処理能力が制限されてしまいます。

組織での導入においてスケーラビリティが重要な理由

機関にとって、ブロックチェーンのスケーラビリティは、実運用レベルのブロックチェーン活用事例を大規模に展開できるかどうかに直接的な影響を及ぼします。予測可能な取引コストにより正確な財務計画が可能となり、信頼性の高い決済期間設定が財務業務を支え、スケーラブルなインフラストラクチャにより、統合アーキテクチャに根本的な変更を加えることなく成長に対応できます。

その実用的な応用範囲は多岐にわたります。リアルタイム決済が求められるトークン化された証券、安定したパフォーマンスが求められる国際決済システム、そしてTalosのような迅速な執行が求められる取引プラットフォームなどが挙げられます。安全なカストディソリューションは、機関が運用管理を維持しつつ、高スループットのネットワークと安全に連携できるようにする上で、極めて重要な役割を果たしています。

スケーラビリティは、コンプライアンスや監査の要件にも影響を及ぼします。パフォーマンスの低下を招くことなく大量のデータを処理できるネットワークは、規制当局への報告や内部統制に不可欠な、一貫性があり検証可能な取引記録を提供します。

ブロックチェーンの導入を検討している機関にとって、ネットワーク容量は業務効率だけでなく、リスクの程度にも影響を及ぼします。市場の変動時に輻輳（ふっそう）が生じやすいシステムは、従来のインフラでは許容されないような執行の不確実性を招くからです。このため、ブロックチェーンのスケーラビリティは、単なる技術的な検討事項ではなく、デューデリジェンスにおける優先事項となります。

ブロックチェーンのスケーラビリティ課題

ブロックチェーンのスケーラビリティ向上が困難な理由を理解するには、「ブロックチェーンのトリレンマ」という概念を理解する必要があります。これは、イーサリアムの共同創設者ヴィタリック・ブテリンが提唱した枠組みであり、分散性、安全性、スケーラビリティの3つの要素の間でトレードオフのバランスを取ることの難しさを説明するものです。この概念によれば、ブロックチェーンシステムはこれら3つの特性のうち2つを最適化することはできますが、残りの1つについては妥協せざるを得ないということです。

ビットコインやイーサリアムは、分散化とセキュリティを意図的に優先しているため、需要が高まる時期にはネットワークの混雑により手数料が上昇し、確認時間が長くなります。こうした状況はすべて、信頼性が高く予測可能なパフォーマンスを求める機関にとって不確実性をもたらします。

残念ながら、その影響は単なる不便にとどまりません。手数料の値上げにより、少額の取引は経済的に非現実的となり、確認時間の長期化は、時間的制約のある取引を困難にしています。

こうした制約は、市場の緊張が高まる局面、つまり確実な取引執行が最も重要となる局面において、特に顕著になります。2017年の「CryptoKitties」の急騰から、過去のNFTミントやミームコインのブームに至るまでの過去のネットワーク混雑事例は、需要が急増した際にネットワークがいかに急速に機能不全に陥るかを示しています。

処理能力が保証され、遅延も予測可能な従来の金融インフラに慣れている機関にとって、こうしたネットワークパフォーマンスの変動は課題となり得る。オンデマンドで追加容量を確保できる集中型システムとは異なり、分散型ネットワークでは、コミュニティの合意形成を通じてアップグレードを進める必要があり、そのプロセスは数時間ではなく、数ヶ月から数年単位で進められる。例えば、イーサリアムは2015年のリリース以来、わずか23回のアップグレードしか実施していない。

ブロックチェーン技術が主流の機関投資家による採用を実現するためには、今日のWeb3を特徴づけるセキュリティと分散化を損なうことなく、これらの課題に対処しなければならない。

レイヤー1のスケーラビリティソリューション：基盤プロトコルの改善

レイヤー1ソリューションは、ブロックチェーンの基本的なアーキテクチャを変更することでスケーラビリティの問題に対処します。こうした変更にはネットワーク全体の合意形成が必要であり、技術的にも非常に複雑ですが、プロトコルレベルでのトランザクション処理能力と実行能力を向上させます。

より大きなブロックとより高いスループット設定

最も単純な方法は、ブロックサイズを拡大するか、ブロック生成時間を短縮することで、単位時間あたりのトランザクション数を増やすことです。しかし、ブロックが大きくなると、より多くのストレージ容量と帯域幅が必要となり、リソースが限られている参加者が排除される可能性があります。

シャーディングと並列トランザクション処理

シャーディングとは、ブロックチェーンを「シャード」と呼ばれる小さなセグメントに分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理できるようにする技術です。この並列処理アーキテクチャにより、個々のノードがすべてのトランザクションを処理する必要がなくなり、ネットワークの処理能力を飛躍的に向上させることができます。

イーサリアムのロードマップでは、ロールアップのデータ可用性の向上に重点を置いた「ダンクシャーディング」アプローチを通じて、シャーディングが組み込まれています。デンクン（Dencun）アップグレード後、手数料が大幅に低下したことを受け、イーサリアムのレイヤー2ネットワークにおける総ロック済み価値（TVL）は510億ドル以上に急増しました。

コンセンサスメカニズムの改善

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）のコンセンサスメカニズムは、高いセキュリティを誇る一方で、膨大な計算リソースを必要とし、スループットを制限します。一方、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）とその派生形は、計算作業ではなく経済的インセンティブを通じてセキュリティを維持しつつ、ブロック生成時間の短縮とTPSの向上を実現します。2022年にイーサリアムがプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへ移行した際（「The Merge」として知られるイベント）、そのエネルギー消費量は99.95%減少しました。

データの可用性とストレージの最適化

スケーラビリティは、ブロックチェーンがデータをどれだけ効率的に保存・アクセスできるかにも左右されます。データ可用性サンプリングにより、ノードはブロック全体をダウンロードすることなく、ブロックデータが存在することを検証できます。イーサリアムのProto-Dankshardingでは、「blobs」と呼ばれる一時的なデータ添付機能が導入されました。これにより、ベースチェーンを恒久的に肥大化させることなく、レイヤー2ロールアップ向けに低コストなストレージを提供しています。

レイヤー2のスケーラビリティソリューション：セキュリティを維持しつつ処理負荷を軽減する

レイヤー2ソリューションは、既存のブロックチェーン上にスケーラブルなインフラを構築し、基盤となるネットワークのセキュリティを継承しつつ、取引をオフチェーンで処理します。このアプローチにより、ベースプロトコルを変更することなく、より迅速な導入が可能になります。

決済チャネルとステートチャネル

ステートチャネルを利用することで、当事者はオフチェーン上で複数の取引を行い、メインのブロックチェーン上では最終的な状態のみを決済することができます。ビットコインのライトニングネットワークはこのアプローチの一例であり、チャネルを確立した参加者間でほぼ瞬時の決済を可能にしています。

ロールアップ：楽観的アプローチとゼロ知識証明

ロールアップは、イーサリアムにおける主要なレイヤー2スケーリング手法として台頭してきました。ロールアップは取引をオフチェーンで実行し、圧縮された取引データをメインチェーンに投稿することで、メインチェーンのセキュリティを継承しつつ、スループットを劇的に向上させます。

オプティミスティック・ロールアップは、異議申し立て期間中に不正防止メカニズムを用いることで、異議が申し立てられない限り取引は有効であると仮定します。ZK-ロールアップは、メインチェーンに記録する前に、暗号学的有効性証明を用いて取引を数学的に検証します。

いずれのアプローチにも一長一短があります。2024年時点で、オプティミスティック・ロールアップの採用が進んでおり、ブリッジされた総額は約1,864億ドルに達しているのに対し、ZKロールアップは約208億ドルにとどまっています。しかし、ZKロールアップは、オプティミスティック・システム特有の7日間の出金遅延がなく、即時の確定性を提供します。

サイドチェーンと特定用途向けチェーン

サイドチェーンは、独自のコンセンサスメカニズムを持つ独立したブロックチェーンとして機能し、ブリッジを介してメインチェーンと接続されています。これらは特定のユースケースに対して柔軟性を提供しますが、メインチェーンと同等のセキュリティ保証は備えていません。

Validium、Plasma、およびハイブリッドL2モデル

ロールアップ以外にも、さまざまなレイヤー2アーキテクチャが存在し、それぞれ異なるトレードオフを伴います。Validiumは、トランザクションデータをオフチェーンに保存しつつ、有効性証明をイーサリアムに投稿することで、データの可用性保証を低下させる代わりに、より高いスループットを実現しています。Plasmaチェーンは、メインチェーンに定期的にコミットする子チェーンの階層構造を形成しますが、複雑な出口メカニズムが導入の妨げとなっています。ハイブリッドモデルは複数のアプローチの要素を組み合わせたもので、機関はそれぞれのスループット、コスト、セキュリティ要件に合ったインフラストラクチャを選択できるようになります。

レイヤー1とレイヤー2のスケーリング戦略の比較

レイヤー1とレイヤー2のアプローチのどちらを選ぶかは、具体的な要件や許容リスクによって異なります。

レイヤー1ソリューションはベースネットワーク上でトランザクション処理を行うため、トランザクションはメインチェーン上で直接決済され、コンセンサスプロトコルが提供する最高水準のセキュリティ保証の恩恵を受けることができます。しかし、ベースレイヤープロトコルの大規模なアップグレードや変更については、ネットワーク参加者の幅広い合意が必要であり、多くの場合、設計、テスト、コミュニティとの調整といったプロセスを経るため、その展開は緩やかなものとなり、数年を要することもあります。

レイヤー2ソリューションは導入が迅速で、特定の用途に合わせてカスタマイズ可能です。Arbitrumのような主要な実装例では、イーサリアムに比べてトランザクション処理速度が最大10倍高速化され、ガス代も最大90%削減されるなど、大幅なパフォーマンス向上が確認されています。

セキュリティと分散化を基盤となるブロックチェーンに依存しているため、適切に設計されたレイヤー2ネットワークは、他の特性を損なうことなくスケーラビリティの問題に対処します。

しかし、レイヤー2の導入に伴い、機関投資家にとっては新たな考慮事項が生じます。ブリッジのセキュリティは依然として懸念材料です。クロスチェーン・ブリッジはこれまで悪用される標的となってきました。そのため、レイヤー1とレイヤー2の間で資産を移動させる際には、ブリッジのアーキテクチャや運営者の評判を慎重に評価する必要があります。

出金のタイミングも様々であり、楽観的なロールアップでは通常、資金をメインチェーンに戻す前に7日間の検証期間が必要となるため、流動性計画に影響を与える可能性があります。機関投資家は、スケーリングインフラを選択する際、こうした運用上の要因と純粋なパフォーマンス指標を併せて検討する必要があります。

エコシステムが複数のレイヤー2ネットワークに分散するにつれ、シームレスなユーザー体験を維持し、効率的な資本配分を行うことが難しくなっています。機関投資家は、個々のソリューションだけでなく、それらがより広範なインフラとどのように連携するかを評価する必要があります。

ブロックチェーンのスケーラビリティの未来

今後最も有望な道筋は、レイヤー1の改善とレイヤー2のイノベーションを組み合わせることにあるかもしれません。イーサリアムのロードマップは、シャーディングによるベースレイヤーの処理能力の向上こそが、ロールアップがさらに高いスループットを実現するための基盤となることを示しています。

研究者らは、この複合的なアプローチにより、最終的には10万TPS以上を実現できると予測しており、これにより分散型アプリケーションの可能性が根本的に変わるだろう。一方、最適化されたレイヤー2ネットワークにおける取引コストは数セントの何分の一にまで低下しており、ブロックチェーンがはるかに幅広いユースケースで実用化されるようになった。

モジュール型ブロックチェーンアーキテクチャもまた、新たなトレンドとして台頭しています。このアーキテクチャでは、実行、コンセンサス、データの可用性を、それぞれ独立して最適化可能な専門化されたレイヤーに分離します。Celestiaのようなプロジェクトがこのアプローチの先駆けとなっており、スケーラブルなネットワークの設計や展開において、さらに高い柔軟性を実現する可能性があります。

スケーラビリティは、単なる技術的な課題ではありません。複雑なネットワークのアップグレードを管理するためにはガバナンスの枠組みを進化させる必要があり、規制の明確さがどのアプローチが業界で受け入れられるかに影響を与え、ユーザー体験が、スケーラブルなインフラが実際に普及するかどうかを左右することになります。

拡張性のあるエコシステムを構築するには、強固な基盤が必要である

スケーラビリティは、安全で信頼性の高いインフラによって支えられて初めて価値を発揮します。金融機関にとって、これは、資産の分離、ポリシー管理、および規制要件への準拠を維持しつつ、レイヤー1とレイヤー2の両方の環境で運用可能な、適切なカストディソリューションを意味します。

ブロックチェーンが世界の金融インフラにおいてますます重要な役割を担うようになるにつれ、どのネットワークが機関投資家レベルでの採用を成功させるかについては、スケーラビリティが大きな鍵を握ることになるでしょう。

BitGoの規制に準拠したカストディインフラは、機関投資家が拡張性の高いブロックチェーンネットワークに安心して参入するために必要な運用上の安全策を提供することを目的としています。ベースレイヤーのプロトコルと連携する場合でも、新たなレイヤー2ソリューションを利用する場合でも、デジタル資産市場への参入を目指す機関投資家にとって、安全なカストディは依然として不可欠な要素です。

よくある質問

ブロックチェーンのスケーラビリティを制限する要因は何ですか？

主な制約としては、ブロックサイズの制限、コンセンサスメカニズムのオーバーヘッド、およびすべてのノードがすべてのトランザクションを処理しなければならないという要件が挙げられる。分散型ネットワークでは、スループット、セキュリティ、分散性の間で本質的なトレードオフが生じる。

レイヤー2ソリューションは、どのようにしてブロックチェーンのスケーラビリティを向上させるのでしょうか？

レイヤー2ソリューションは、メインチェーン外でトランザクションを処理することで、混雑とコストを軽減します。これらは集約されたトランザクションデータを定期的にベースレイヤーに決済し、ベースレイヤーのセキュリティを継承しつつ、大幅に高いスループットを実現します。

シャーディングとは何ですか？また、それはブロックチェーンのスケーラビリティにどのような影響を与えるのでしょうか？

シャーディングとは、ブロックチェーンネットワークを複数の小さなセグメントに分割し、各セグメントでトランザクションを並行して処理する仕組みです。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のではなく、各シャーディングがネットワーク活動のサブセットを処理することで、全体的なセキュリティを維持しつつ処理能力を向上させます。

コンセンサスメカニズムはブロックチェーンのスケーラビリティにどのような影響を与えるのでしょうか？

コンセンサスメカニズムは、ネットワークが有効な取引について合意に至るまでの速度を決定します。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）システムはセキュリティを優先しますが、多大なリソースを必要とするため、スループットが制限されます。一方、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）方式では、計算処理ではなく経済的インセンティブを通じて、より迅速なファイナリティと高いTPSを実現します。

スケーラビリティ、分散化、セキュリティの間にはどのようなトレードオフが存在するのでしょうか？

スループットを向上させるには、多くの場合、検証処理を少数のノードに集中させるか、セキュリティの保証レベルを下げる必要があります。ブロックサイズを大きくすれば処理能力は向上しますが、リソースが限られている参加者は排除されてしまいます。成功しているスケーリングソリューションは、こうしたトレードオフを排除するのではなく、最小限に抑えることを目指しています。そのため、L1とL2のイノベーションを組み合わせた多層的なアプローチが主流となっているのです。