レイヤー1とレイヤー2は何が違うのか？

ブロックチェーンのトリレンマとは？

ブロックチェーンのスケーラビリティのトリレンマとは、ブロックチェーンの3つの基本属性であるセキュリティ、分散性、スケーラビリティを同時に実現することが困難であるという根本的な課題を指します。この概念は、ブロックチェーン技術の発展において最も重要な理論的枠組みの一つとなっています。

トリレンマの定義によると、ブロックチェーンは3つの属性のうちの2つしか最適化することができず、3つすべてを同時に最大化することは技術的に極めて困難です。したがって、現在のブロックチェーン技術は、実用的な機能性を維持するために、常にその基本属性の1つを一定程度犠牲にする必要があります。この制約は、ブロックチェーンの設計思想における根本的なジレンマとして認識されています。

ビットコインは、トリレンマの典型的な例として広く知られています。ビットコインのブロックチェーンは、高度な分散性と強固なセキュリティを最適化していますが、その代償としてスケーラビリティは制限されています。具体的には、ビットコインは1秒あたり約7件の取引しか処理できず、これは従来の決済システムと比較すると大幅に低い処理能力です。

最も重要なことは、技術的な制約により、3つの機能をすべて最大限に実現できる暗号通貨は存在しないということです。つまり、各暗号通貨プロジェクトは、そのユースケースや目的に応じて、残りの1つを犠牲にして、2つまたは3つの属性を優先する設計選択を行っています。

多くの開発者が、ブロックチェーンのトリレンマを解決するために、スケーラビリティの問題を解決することを目的とした革新的な技術やアイデアをすでに実装しています。これらの概念や技術は、ブロックチェーンの実装レベルに応じて、レイヤー1またはレイヤー2のソリューションとして現れ、それぞれ異なるアプローチでトリレンマの克服を試みています。

さまざまな暗号通貨は、1秒あたり数千件の取引を処理できる高いスケーラビリティを実現していますが、その多くは分散性またはセキュリティを一定程度犠牲にしています。一方、ビットコインとイーサリアムは、最も安全で分散化されたデジタル通貨の2つとして評価されており、セキュリティと分散性を重視した設計となっています。Cardano、Avalanche、Solanaは、ビットコインとイーサリアムのスケーラビリティの問題を技術的に克服することで、市場の注目を集めているレイヤー1の暗号通貨プロジェクトです。

レイヤー1スケーリングソリューション

レイヤー1とレイヤー2のブロックチェーンのスケーリングの違いを理解するには、まずレイヤー1ブロックチェーンの定義から始める必要があります。その名が示すように、レイヤー1ブロックチェーンネットワークは、ブロックチェーンの基盤となる基本プロトコルを指します。これは、ビットコイン、イーサリアム、Cardanoなどのメインチェーンそのものを意味し、すべての取引が最終的に記録される基礎層となります。

レイヤー1のスケーリングソリューションは、ブロックチェーン層の基盤そのものを改善し、スケーラビリティの向上を促進する手法です。これにより、ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを増加させる多くの方法が提供されます。例えば、レイヤー1のソリューションは、取引容量や処理速度を増加させるためにプロトコルの基本的な規則を直接変更することが可能です。この変更は、ブロックチェーンの根幹に関わるため、慎重な設計と実装が求められます。

同様に、レイヤー1のスケーリングソリューションは、追加のデータやユーザーを収容するためのより大きな容量を提供することができます。これは、ブロックサイズの拡大や、ブロック生成時間の短縮などによって実現されます。

しかし、レイヤー1対レイヤー2のブロックチェーンの議論では、2つの最も重要なレイヤー1のスケーリングソリューションを考慮することになります。コンセンサスプロトコルの変更とシャーディングは、ブロックチェーンネットワークのレイヤー1でスケーリングを実現するための2つの基本的かつ効果的な変更手法として認識されています。

例えば、PoS（プルーフ・オブ・ステーク）のようなコンセンサスメカニズムは、ブロックチェーン層においてPoW（プルーフ・オブ・ワーク）より効率的といえます。PoSは、エネルギー消費を大幅に削減しながら、高い処理能力を実現することができます。一方、シャーディングは、ネットワークのワークロードを複数のデータセットやシャードに分散させることを促進し、並列処理による効率化を実現します。

メリット

• スケーラビリティの根本的向上：レイヤー1ブロックチェーンソリューションの最も明白な利点は、ブロックチェーンの基盤レベルでのスケーラビリティ向上です。レイヤー1ブロックチェーンソリューションは、プロトコルの根本的な変更を通じて、持続的なスケーラビリティの改善を実現します。

• バランスの取れたパフォーマンス：高いスケーラビリティと経済的な実現可能性を持ちながら、分散化とセキュリティを維持することができます。これにより、ブロックチェーンのトリレンマに対するバランスの取れたアプローチが可能になります。

• エコシステムの持続的発展：レイヤー1スケーリングソリューションは、新しいツール、技術の進歩、およびその他の革新的な変数をベースプロトコルに組み込むことができます。これにより、長期的なエコシステムの発展と成長が促進されます。

デメリット

レイヤー1ネットワークのスケーリング能力の制限は、一般的な課題として認識されています。ビットコインやその他の大規模なブロックチェーンは、需要が高まる時期にトランザクションを処理するのに苦労しています。特に、ネットワークの混雑時には取引手数料が高騰し、処理時間が大幅に延長されることがあります。

ビットコインで使用されているコンセンサスメカニズムであるPoWは、多大な計算リソースとエネルギーを必要とします。これは、環境への影響や運用コストの面で課題となっており、持続可能性の観点から改善が求められています。

レイヤー1の問題解決について

レイヤー1ネットワークのスケーリングを実現するには、ブロックチェーンに次のような基本的かつ構造的な更新が必要です。これらの更新は、ブロックチェーンの性能を根本的に改善し、より多くのユーザーと取引を処理できるようにします。

コンセンサスプロトコルの改善

コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーンネットワークの合意形成を担う中核的な仕組みです。この仕組みは、分散型ネットワークにおいて、取引の正当性を検証し、ブロックチェーンの整合性を維持する上で不可欠な役割を果たします。コンセンサスアルゴリズムには、PoW(プルーフ・オブ・ワーク)やPoS(プルーフ・オブ・ステーク)など、さまざまな種類があり、それぞれ異なる特性と利点を持っています。

PoWは、ビットコインをはじめとする多くのブロックチェーンで最も広く使用されているコンセンサスアルゴリズムですが、処理能力が低く、エネルギー消費が大きいという課題があります。マイナーは複雑な計算問題を解くために膨大な計算リソースを消費する必要があり、これがスケーラビリティの制約要因となっています。

一方、PoSは、処理能力がPoWよりも優れていると言われています。PoSでは、トークンを保有し、ステーキングすることでネットワークの検証者となることができます。PoSシステムでは、エンコードアルゴリズムを多くの計算能力を使って解決する必要なく、ネットワーク参加者が取引ブロックを処理・検証することになります。これにより、エネルギー効率が大幅に向上し、より高速な取引処理が可能になります。

イーサリアムは、ネットワーク容量を向上させ、同時に分散化を向上させつつネットワークセキュリティを維持する目的で、PoWからPoSコンセンサスアルゴリズムへの移行を完了しました。この移行により、イーサリアムのエネルギー消費は約99.95%削減され、環境への影響が大幅に改善されました。

シャーディング

分散データベースの概念から採用されたシャーディングは、最も革新的で人気のあるレイヤー1スケーリングソリューションの1つになりました。シャーディングは、全体のブロックチェーンネットワークの状態を「シャード」と呼ばれる別々のデータセットに分割するプロセスのことを指します。この技術により、ネットワークの処理能力を並列化し、大幅に向上させることが可能になります。

すべてのノードが全体のネットワークの処理を担当するよりも扱いやすいタスクに分割することで、ネットワークはこれらのシャードを並列に処理し、複数のトランザクションを順次ではなく同時に処理できるようにします。これにより、ネットワーク全体のスループットが大幅に向上します。

さらに、各ネットワークノードは、ブロックチェーンの完全なコピーを維持する代わりに、特定のシャードに割り当てられます。これにより、個々のノードのストレージ要件が削減され、より多くの参加者がネットワークに参加できるようになります。各シャードは、メインチェーンに証明を送信し、クロスシャード通信システムを使用して他のシャードとアドレス、一般的な状態、および残高を共有します。

Zilliqa、Qtum、Tezosとともに、イーサリアム2.0(現在はイーサリアムのコンセンサス層として統合)は、シャーディング技術を調査・実装している主要なブロックチェーンプロトコルです。これらのプロジェクトは、シャーディングを通じてスケーラビリティの大幅な向上を目指しています。

レイヤー2スケーリングソリューション

レイヤー2スケーリングの主な目的は、ブロックチェーンプロトコルの上位層に動作するネットワークまたは技術を使用することで、メインチェーンの負荷を軽減することです。オフチェーンプロトコルまたはネットワークの支援により、ブロックチェーンネットワークはスケーラビリティと効率性を大幅に向上させることができます。

レイヤー2スケーリングソリューションは、基本的には、ブロックチェーンプロトコルのトランザクション負荷をオフチェーンアーキテクチャに移行することを意味します。オフチェーンアーキテクチャは、転送されたトランザクションの処理を行い、最終結果のみをメインブロックチェーンに通知します。この仕組みにより、メインチェーンは最終的な決済と紛争解決に集中でき、日常的な取引処理の負担から解放されます。

レイヤー2スケーリングソリューションは、データ処理タスクをサポートアーキテクチャにより効率的かつ柔軟に委任することを容易にします。その結果、コアブロックチェーンプロトコルは混雑を経験せず、高いスケーラビリティが可能になります。これにより、取引手数料の削減と処理速度の向上が実現されます。

ビットコインのスケーリングソリューションであるLightning Networkは、レイヤー2スケーリングソリューションの最も一般的かつ成功した例の1つです。Lightning Networkは、ビットコインブロックチェーンの上に構築された決済チャネルネットワークで、瞬時かつ低コストの取引を可能にします。レイヤー1対レイヤー2ブロックチェーンの議論では、レイヤー2スケーリングをサポートする多くの他のソリューションも見つかります。

メリット

• レイヤー1のセキュリティや分散性を維持：レイヤー2スケーラビリティでは、取引の処理をレイヤー1の外で行うため、レイヤー1の高いセキュリティや分散性を維持したまま、スケーラビリティを向上させることが可能になります。最終的な決済はメインチェーンで行われるため、セキュリティは損なわれません。

• マイクロトランザクションの高速実行:レイヤー2スケーラビリティでは、取引の処理をオフチェーンで行うため、マイクロトランザクションの実行を大幅に高速化することができます。これにより、少額決済やゲーム内取引など、高頻度の取引が必要なユースケースに適しています。

• 低コストでの取引実現：オフチェーンでの処理により、取引手数料を大幅に削減できます。これは、日常的な決済や少額取引において特に重要な利点となります。

デメリット

• ブロックチェーンの接続性への影響：レイヤー2スケーラビリティでは、レイヤー2のユーザーは利用しているソリューションのプロトコルに制限されるため、異なるレイヤー2ソリューション間やブロックチェーン間の接続性が損なわれる可能性があります。これは、相互運用性の観点から課題となる場合があります。

• セキュリティやプライバシーの考慮事項：レイヤー2スケーラビリティでは、取引の処理をレイヤー1の外で行うため、セキュリティモデルやプライバシー保護の仕組みがレイヤー1とは異なる場合があります。各レイヤー2ソリューションは、独自のセキュリティ保証を提供する必要があり、ユーザーはこれらの特性を理解する必要があります。

• 流動性の分散：複数のレイヤー2ソリューションが存在することで、流動性が分散され、ユーザー体験に影響を与える可能性があります。

レイヤー2の問題解決について

レイヤー2の問題解決には、さまざまなアプローチが存在します。それぞれの手法は、異なる技術的特性と利点を持ち、特定のユースケースに適しています。

ネストされたブロックチェーン：親子関係で処理を分散

ネストされたブロックチェーンは、ブロックチェーンの中にさらに別のブロックチェーンが組み込まれた階層的な構造です。この構造は、処理の効率化と柔軟性の向上を実現します。メインチェーンと呼ばれる基盤のブロックチェーンと、その上に構築された複数の子チェーンで構成されます。

メインチェーンは、ネットワーク全体のルールやパラメータを設定し、最終的なセキュリティを保証する役割を担います。一方、子チェーンは個別の処理を担当し、特定のアプリケーションやユースケースに最適化された環境を提供します。親子関係で処理を分散することで、メインチェーンの負荷を大幅に軽減し、スケーラビリティを向上させることができます。

OMG Plasmaプロジェクトは、イーサリアムブロックチェーン上に構築されたレイヤー2のネストされたブロックチェーンインフラの代表的な例です。Plasmaは、子チェーンで大量の取引を処理し、定期的にメインチェーンに状態を報告することで、高いスループットを実現します。

ステートチャネル：オフチェーンで高速処理

ステートチャネルは、ブロックチェーンとオフチェーン(ブロックチェーン外)のトランザクションチャネルを繋ぎ、双方向の通信を可能にする革新的な技術です。ステートチャネルは、メインチェーンのネットワークノードによる検証を必要としないため、取引処理を劇的に高速化することができます。

ステートチャネルでは、参加者間でチャネルを開設し、オフチェーンで複数の取引を実行します。取引が完了すると、最終的な状態(ステート)と変更点のみがメインチェーンに記録されます。これにより、中間的な取引はブロックチェーンに記録されず、手数料と処理時間が大幅に削減されます。

Liquid Network、イーサリアムのRaiden Network、Celer、Bitcoin Lightningなどがステートチャネルの代表的な実装例です。これらのソリューションは、特に決済や少額取引において高い効率性を発揮します。ただし、ステートチャネルはスケーラビリティを優先するために、一定程度の分散化を犠牲にしている点に注意が必要です。

サイドチェーン：並行して動く独立チェーン

サイドチェーンは、メインのブロックチェーンに隣接して存在する、独立したトランザクションチェーンです。サイドチェーンは、メインチェーンとは異なるコンセンサスメカニズムや設計思想を採用することができ、速度やスケーラビリティを重視した柔軟な設計が可能です。

メインチェーンの役割は、全体のセキュリティを維持し、一括処理された取引記録の最終的な検証や、紛争解決を行うことです。サイドチェーンは、メインチェーンとは独立して動作しながら、必要に応じてメインチェーンと資産や情報をやり取りすることができます。

サイドチェーンはステートチャネルと異なり、取引が公開される点、セキュリティ侵害がメインチェーンに直接影響を与えない点などの重要な違いがあります。これにより、より高い透明性とセキュリティの分離が実現されます。ただし、サイドチェーンの構築には、ゼロからインフラを整備する必要があり、開発に要する労力やコストがかかる場合があります。

レイヤー1とレイヤー2の主な違い

定義

レイヤー1は、ブロックチェーンの基盤となるプロトコル層を改良することで、処理速度や処理量の向上を実現する手法です。具体的には、ブロックサイズの増加、コンセンサスアルゴリズムの変更、シャーディングの実装などが挙げられます。レイヤー1の改善は、ブロックチェーンの根幹に関わる変更であり、ネットワーク全体に影響を与えます。

レイヤー2は、メインのブロックチェーンプロトコルの上位層で処理を実行することで、負荷を軽減するオフチェーンソリューションです。特定の情報処理や取引処理タスクをレイヤー2のプロトコル、ネットワーク、またはアプリケーションに委任し、その最終結果のみをメインのブロックチェーンに報告します。これにより、メインチェーンの負荷を軽減しながら、高いスループットを実現します。

動作方法

レイヤー1のブロックチェーンネットワークでは、スケーリング方法はコアプロトコルの変更に重点を置いています。レイヤー1のスケーリングソリューションでは、ブロックチェーンプロトコル自体を変更する必要があり、これにはネットワーク参加者の合意とハードフォークが必要になる場合があります。そのため、一度実装された変更は、取引量が大幅に減少した場合でも、すぐに元に戻すことはできません。

一方、レイヤー2のスケーリングソリューションは、メインのブロックチェーンプロトコルから独立して動作するオフチェーンソリューションとして機能します。オフチェーンのプロトコル、ネットワーク、ソリューションは、取引の処理をメインチェーンの外で行い、最終的な結果のみをメインのブロックチェーンプロトコルに報告します。この柔軟性により、レイヤー2ソリューションは迅速に導入・更新することができます。

ソリューションの種類

レイヤー1のブロックチェーンソリューションの場合、コンセンサスプロトコルの強化とシャーディングが2つの代表的なソリューションです。レイヤー1のスケーリングには、ブロックサイズの変更、ブロック生成速度の調整、コンセンサスメカニズムの変更などが含まれ、これらの変更によって目的の機能を実現します。

ブロックチェーンのレイヤー2スケーリングソリューションに関しては、実装可能なソリューションに事実上制限はありません。あらゆるプロトコル、ネットワーク、アプリケーションが、ブロックチェーンネットワークのオフチェーンにおけるレイヤー2ソリューションとして機能することができます。ステートチャネル、サイドチェーン、ロールアップ、プラズマなど、多様なアプローチが存在し、それぞれ異なる特性と利点を持っています。

品質と特性

レイヤー1は、情報の決定的なソースとして機能し、最終的な取引の決済を担います。ネイティブトークンを使用し、ネットワークの資源に直接アクセスします。コンセンサスメカニズムの設計における革新性が、レイヤー1の重要な特徴です。レイヤー1は、ブロックチェーンの基盤として、最高レベルのセキュリティと分散性を提供します。

レイヤー2は、レイヤー1と同様の機能を提供しながら、スループットやプログラム可能性を大幅に向上させ、取引コストを削減します。各レイヤー2ソリューションは、それぞれのレイヤー1に取引を再マッピングする独自の方法を持ち、異なるトレードオフと最適化を実現しています。レイヤー2は、レイヤー1のセキュリティを継承しながら、より高い効率性を実現することを目指しています。

スケーリングの未来

ブロックチェーンの普及において、スケーラビリティは広く受け入れられることを妨げる主要な要因の一つとして認識されています。暗号通貨やブロックチェーン技術の需要が高まるにつれて、ブロックチェーンプラットフォームのスケーリング要件も継続的に増加するでしょう。

レイヤー1とレイヤー2のスケーリングにはそれぞれ独自のコストと利点があります。レイヤー1は根本的な改善を提供し、レイヤー2は柔軟性と即時性を提供します。そのため、スケーリングの未来は、レイヤー1とレイヤー2の両方のソリューションを組み合わせた、ハイブリッドなアプローチになると考えられます。

具体的には、レイヤー1の継続的な改善により基盤の性能を向上させつつ、レイヤー2ソリューションを活用して特定のユースケースに最適化された環境を提供するという、多層的なアプローチが主流になるでしょう。この組み合わせにより、セキュリティ、分散性、スケーラビリティのバランスを最適化し、ブロックチェーンのトリレンマに対する実用的な解決策を提供することが期待されています。

FAQ

レイヤー1とレイヤー2の基本的な違いは何ですか？

レイヤー1はブロックチェーン自体を指し、レイヤー2はブロックチェーン外でトランザクションを処理するオフチェーン技術です。レイヤー2はスケーラビリティを向上させ、取引額を増やし、手数料を削減します。

レイヤー2を使用するメリットは何ですか？（手数料、速度など）

レイヤー2は取引速度を大幅に向上させ、ガス代などの手数料を90%以上削減します。また、スケーラビリティが向上し、より多くのユーザーが低コストで高速な取引体験を得られます。

レイヤー1とレイヤー2のセキュリティ面での違いは何ですか？

レイヤー1は基本的なブロックチェーンで、最高レベルのセキュリティを提供します。レイヤー2はオフチェーンで処理するため、速度は向上しますがセキュリティはレイヤー1に依存します。セキュリティ強度はレイヤー1が優れています。

ライトニングネットワークやポリゴンなどのレイヤー2ソリューションの種類は何ですか？

レイヤー2ソリューションには、ライトニングネットワーク（ビットコイン）、ポリゴン（イーサリアム）、アービトラム、オプティミズムなどがあります。これらはトランザクション速度を向上させ、手数料を削減するために設計されています。

どのような場合にレイヤー1を使い、どのような場合にレイヤー2を使うべきですか？

レイヤー1は高いセキュリティが必要な大型トランザクションや資産の保管に適しています。レイヤー2は日常的な取引や小口決済など、スピードと低コストが優先される場合に最適です。