ブロックチェーンは、安全で透過的なデータ交換を可能にする革新的なテクノロジーです。一連のレベルを使用して、レベル 0 ～ 3 と呼ばれる情報を格納および処理します。各レイヤーには独自の目的と機能があり、さまざまなトランザクションを処理できる完全なシステムを実現します。
ブロックチェーンは、2 つ以上の当事者間でのデジタル資産の安全で信頼性の高い交換を容易にする分散型台帳技術 (DLT) として定義されています。これは、複数のコンピューターに同時にデータを保存するためのオープンで分散型のネットワークとして機能する独自のシステムです。
レイヤー1
トランザクションを検証してファイナライズするために、レイヤー 1 は基本的なブロックチェーンであり、その上に他の複数のレイヤーを構築できます。それらは他のブロックチェーンから独立して動作できます。
Layer1 は、次の 3 つのセグメントに分割できます。
- データ層: ネットワーク内のすべてのトランザクション データを格納する責任があります。これには、取引履歴、残高、住所などが含まれます。このレベルは、暗号化アルゴリズム (ハッシュ) を使用して各トランザクションを検証し、正確さとセキュリティを確保するのにも役立ちます。
- ネットワーク層: ブロックチェーン ネットワーク上のユーザー間の通信の管理を担当します。ネットワークを介してトランザクションやその他のメッセージを送信し、それらのメッセージの正確性と正当性を検証する責任があります。
- コンセンサスレイヤー: ブロックチェーンは、取引時にすべてのユーザーが従わなければならない一連のルールについて合意に達することができます。プルーフ オブ ワーク、プルーフ オブ ステーク、ビザンチン フォールト トレランスなどのコンセンサス アルゴリズムを使用して、すべてのトランザクションが有効で最新であることを保証します。
- アプリケーション/スマート コントラクト レイヤーは、ほとんどの機能がブロックチェーン ネットワーク内で実行される場所です。このレイヤーには、ブロックチェーン エコシステムで実行されるアプリケーションの構築に使用できるコード (またはスマート コントラクト) が含まれています。これらのアプリケーションは、安全で分散された方法でデータを処理および保存できます。すべてのレイヤー 1 プロトコルにスマート コントラクト機能があるわけではありません。
このようなネットワークの例としては、ビットコイン、ソラナ、イーサリアム、カルダノがあり、それぞれ独自のネイティブ トークンを持っています。このトークンは取引手数料の代わりに使用され、ネットワーク参加者がネットワークに参加するインセンティブとして機能します。
これらのコインは、基礎となる設計に基づいて異なる額面を持っていますが、その目的は同じままです: ブロックチェーンの機能に経済的なバックストップメカニズムを提供することです.
ブロックチェーンはネットワークが要求するトランザクション数を処理するのに苦労するため、レイヤー 1 ネットワークにはスケーリングの問題があります。これにより、取引手数料が大幅に増加します。
ブロックチェーンのトリレンマ (Vitalik Buterin によって造られた用語) は、この問題に対する潜在的な解決策について議論する際によく引き合いに出されます。基本的に、分散化、セキュリティ、およびスケーラビリティのバランスを取る必要があります。
これらのアプローチの多くにはトレードオフがあります。スーパーノードへの資金提供など、スケーラビリティを向上させながら本質的に集中化されたブロックチェーンを作成するために、スーパーコンピューターと大規模サーバーを購入します。
ブロックチェーンのトリレンマを解決するアプローチ:
ブロックサイズを大きくする
レイヤー 1 ネットワークのブロック サイズを大きくすると、より多くのトランザクションを効果的に処理できます。ただし、ブロックが大きくなると、データ要件が高くなり、分散化が少なくなるため、トランザクション速度が遅くなるため、無限に大きなブロックを維持することはできません。これは、ブロック サイズの増加によるスケーラビリティの制限として機能し、パフォーマンスの向上をセキュリティの低下による潜在的なコストに制限します。
コンセンサスメカニズムを変更する
プルーフ オブ ワーク (POW) メカニズムはまだ存在しますが、プルーフ オブ プレイ (POS) に比べて持続可能性とスケーラビリティに劣ります。これが、イーサリアムが POW から POS に移行した理由です。その意図は、より優れたスケーラビリティの結果を生み出す、より安全で信頼性の高いコンセンサス アルゴリズムを提供することです。
断片化
シャーディングは、分散データベースのパフォーマンスをスケーリングするために使用されるデータベース パーティショニング技術です。ブロックチェーン台帳を複数のノードに分割して分散させることで、シャーディングはスケーラビリティを向上させ、複数のシャードがトランザクションを並行して処理できるため、トランザクションのスループットが向上します。これにより、従来のシリアル アプローチと比較して、パフォーマンスが向上し、処理時間が大幅に短縮されます。
スライスに分けられたケーキを食べるのと似ています。したがって、データ量が増加したりネットワークが混雑したりしても、参加しているすべてのノードがトランザクション処理で同期して動作するため、断片化されたネットワークははるかに効率的です。
レイヤー2
レイヤー 2 プロトコルは、レイヤー 1 ブロックチェーンの上に構築され、ベース レイヤーに過負荷をかけることなくスケーラビリティの問題に対処します。
これは、「オフ・ザ・チェーン」と呼ばれるセカンダリ フレームワークを作成することによって行われます。これにより、レイヤー 1 でサポートされているものよりも通信スループットが向上し、トランザクション時間が短縮されます。
レイヤー 2 プロトコルを使用することで、トランザクション速度が向上し、トランザクション スループットが向上します。つまり、定義された時間内により多くのトランザクションを同時に処理できます。これは、トランザクション手数料のコストを削減し、全体的なパフォーマンスを向上させるのに役立つため、コア ネットワークが混雑して速度が低下した場合に非常に有益です。
Layer2s がスケーラビリティのトリルを解決するいくつかの方法を次に示します。
チャンネル
チャネルは、ユーザーが複数のトランザクションをオフチェーンにしてからベース レイヤーに戻すことを可能にするレイヤー 2 ソリューションを提供します。これにより、より高速で効率的な取引が可能になります。チャネルには、支払いチャネルと状態チャネルの 2 種類があります。支払いチャネルでは支払いのみが許可されますが、州のチャネルでは、スマート コントラクトの管理など、ブロックチェーン上で通常行われるより広範なアクティビティが許可されます。
欠点は、参加しているユーザーがネットワークによって認識される必要があることです。そのため、オープンな参加は問題外です。さらに、すべてのユーザーは、チャネルとやり取りする前に、マルチシグ スマート コントラクトでトークンをロックする必要があります。
プラズマ
Joseph Poon と Vitalik Buterin によって作成された Plasma フレームワークは、スマート コントラクトとナンバー ツリーを使用して、元のブロックチェーンのコピーである「親チェーン」としても知られる「子チェーン」を作成します。
この方法により、トランザクションをプライマリ チェーンからセカンダリ チェーンに転送できるため、トランザクション速度が向上し、トランザクション手数料が削減され、デジタル ウォレットなどの特定のケースでうまく機能します。
Plasma の開発者は、特定の待機期間が経過する前にユーザーがトランザクションを実行できないように特別に設計しました。
ただし、このシステムを使用して、一般的なスマート コントラクトをスケーリングすることはできません。
サイドチェーン
メインまたはレイヤー 1 ブロックチェーンと並行して動作するブロックチェーンであるサイドチェーンには、従来のブロックチェーンとは異なるいくつかの特徴があります。サイドチェーンには独自の独立したブロックチェーンが付属しており、多くの場合、異なるコンセンサス メカニズムを使用し、レイヤー 1 とは異なるブロック サイズ要件を備えています。
ただし、サイドチェーンには独自の独立したチェーンがあるにもかかわらず、共有仮想マシンを使用してレイヤー 1 に接続します。これは、レイヤー 1 ネットワークで使用できるコントラクトまたはトランザクションがサイドチェーンでも使用できることを意味し、2 種類のチェーン間に大規模な相互運用性インフラストラクチャを作成します。
ロールアップ
ロールアップは、サイドチェーンの複数のトランザクションをベース レイヤーの 1 つのトランザクションにまとめ、暗号化の証拠として SNARK (簡潔で非対話的な知識トピック) を使用することで、スケーリングを行います。
ロールアップには、ZK ロールアップと楽観的ロールアップの 2 種類がありますが、違いはレベル間を移動する能力にあります。
オプティミスティック ロールアップは、レイヤー 1 からレイヤー 2 への移行を容易にする仮想マシンを使用しますが、ZK ロールアップは、効率と速度を向上させるためにこの機能を使用しません。
レイヤー0
レイヤ 0 プロトコルは、リソースの移動を可能にし、ユーザー エクスペリエンスを改善し、クロスチェーンの相互運用性に関連する障壁を軽減する上で重要な役割を果たします。これらのプロトコルは、レイヤー 1 ブロックチェーン プロジェクトに、レイヤー 1 エコシステム間の移動の難しさなどの主要な問題に対処するための効率的なソリューションを提供します。
Layer0 プロトコルのセットに対して単一の設計はありません。異なるコンセンサスメカニズムとブロッキングパラメーターを差別化の目的で採用できます。一部の Layer0 トークンは、ユーザーが関連するエコシステムにアクセスする前にこれらのトークンをステークする必要があるため、効果的なスパム フィルターとして機能します。
Cosmos はレイヤ 0 プロトコルであり、Tendermint、Cosmos SDK、および IBC で構成されるオープン ソース ツール スイートで有名です。これらのオファリングにより、開発者は相互運用可能な環境内でブロックチェーン ソリューションをシームレスに構築できます。相利共生アーキテクチャにより、コンポーネントは相互に自由に対話できます。この仮想世界の共同ビジョンは、献身的な支持者によって愛情を込めて造られた Cosmoshood で実現し、ブロックチェーン ネットワークが集合的に存在しながら独立して繁栄することを可能にし、「ブロックチェーンのインターネット」を象徴しています。
もう 1 つの一般的な例は、ポルカドットです。
レイヤー3
レイヤー 3 は、ブロックチェーン ベースのソリューションを強化するプロトコルです。通常「アプリケーション レイヤー」と呼ばれ、レイヤー 1 プロトコルを処理するための指示を提供します.これにより、ブロックチェーン プラットフォーム上に構築された dapps、ゲーム、分散ストレージ、およびその他のアプリケーションが適切に機能します。
これらのアプリケーションがなければ、レイヤ 1 プロトコルだけでは実用性がかなり制限されます。レベル 3 は、彼らの力を解き放つために不可欠です。
レベル4?
レイヤ 4 は存在しません。ここで説明するレイヤは、ブロックチェーンの 4 つのレイヤと呼ばれますが、プログラミングの世界では 0 から数え始めるためです。
結論
ブロックチェーン ネットワークのスケーラビリティは、アーキテクチャと採用するテクノロジ スタックに大きく依存します。ネットワークの各レイヤーは、スループットの向上と他のブロックチェーンとの相互運用性を実現するという重要な目的を果たします。レイヤー 1 プロトコルはベース レイヤーまたはメイン ブロックチェーンを形成し、サイドチェーン、ロールアップ、およびレイヤー 0 プロトコルはスケーリングの追加サポートを提供します。
レイヤー 3 プロトコルは、ユーザーがシステム全体に構築されたアプリケーションにアクセスできるようにする命令を提供します。これらの要素はすべて、大規模なトランザクションを安全に処理できる強力で信頼性の高いインフラストラクチャに貢献します。