レイヤー1とレイヤー2は何が違うのか？

金融業だけではなく、各産業界でブロックチェーン技術の導入が拡大しています。同時にエコシステムにおけるスケーラビリティの重要性も高まっています。システムの処理能力を向上させることで、新たなアプリケーションや取引量の増加に対応することができます。ブロックチェーン層のスケーラビリティをめぐる議論では、Layer 1とLayer 2の議論がしばしば注目を集めます。

ネットワークのセキュリティと記録の保持を改善するために、ブロックチェーン層が作成されました。そこで本記事では、これらのシステムがどのように連携して、ブロックチェーン間の相互運用性を向上させることができるのかをご紹介します。

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不可能であるという問題です。

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つしか実現することはできず、3つすべてを実現することはできません。したがって、現在のブロックチェーン技術は、機能性を維持するために、常にその基本属性の1つを犠牲にする必要があります。

ビットコインは、トリレンマの典型的な例です。ビットコインのブロックチェーンは、分散性とセキュリティを最適化していますが、スケーラビリティは犠牲にしています。

最も重要なことは、現在、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、暗号通貨は、残りの1つを犠牲にして、2つまたは3つを優先しています。

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ますが、分散性またはセキュリティを犠牲にしています。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つです。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活用することで、注目を集めているレイヤー1の暗号通貨です。

レイヤ 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説明するには、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ネットワークの基本プロトコルを指します。

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を改善し、スケーラビリティの向上を促進します。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、取引容量や速度を増加させるためにプロトコルの規則を直接変更することが可能です。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。

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つの基本的な変更です。

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プPOW（ルーフ・オブ・ワーク）より効率的といえます。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ます。

メリット

• スケーラビリティは、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です。レイヤー1ブロックチェーンソリューションは、スケーラビリティを向上させるためにプロトコルの変更を必要とします。
  
• 高いスケーラビリティと経済的な実現可能性を持つ分散化とセキュリティを提供します。
  
• エコシステムの開発を促進します。言い換えると、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、およびその他の変数をベースプロトコルに組み込むことができます。

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欠如は一般的な問題です。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。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を必要とします。

レイヤー 1の問題解決について

レイヤ 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な更新が必要です。

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仕組みです。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ます。

PoWは、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、処理能力が低いという課題があります。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がなく、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。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、PoSコンセンサスアルゴリズムに移行しました。

シャーディング

分散データベースから採用されたシャーディングは、最も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。

すべてのノードが全体のネットワークを担当することよりも扱いやすいタスクで、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処理できるようにします。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。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は現在、シャードを調査している主要なブロックチェーンプロトコルです。

レイヤ 2 ースケーリング 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に動作するネットワークまたは技術を使用することです。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最終結果をメインブロックチェーンに通知します。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、スケーラビリティが可能になります。

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な例の1つです。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することができる：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のセキュリティや分散性を維持することが可能になる
  
• マイクロトランザクションの実行を高速化：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高速化することができる

デメリット

• ブロックチェーンの接続性を損なう可能性がある：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、ブロックチェーン間の接続性が損なわれる可能性がある
  
• セキュリティやプライバシーの問題がある：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、セキュリティやプライバシーの問題が生じる可能性があります。

レイヤ 2ーの問題解決について

レイヤ 2ーの問題解決を解説します。

ネストされたブロックチェーン：親子関係で処理を分散

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構造です。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、子チェーンは個別の処理を担当します。

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例です。

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、取引処理を高速化することができます。

取引が完了すると、最終的な状態（ステート）と変更点がメインチェーンに記録されます。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例です。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、分散化の一部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、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。メインチェーンとは異なるコンセンサスメカニズムを使用することができ、速度やスケーラビリティを重視した設計が可能です。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検証や、紛争解決を行うことです。

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影響を与えない点などの違いがあります。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、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

レイヤー1とレイヤー2の主な違いについて詳しく解説します。

1：定義

レイヤー1は、ブロックチェーンの基盤となるレイヤー1を改良することで、処理速度や処理量の向上を実現する方法です。具体的には、ブロックサイズの増加や、コンセンサスアルゴリズムの変更などが挙げられます。

レイヤー2は、メインのブロックチェーンプロトコルの外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、その結果をメインのブロックチェーンに報告します。

2：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ます。そのため、取引量が大幅に減少した場合でも、すぐに変更を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、メインのブロックチェーンプロトコルに必要な最終的な結果のみを報告します。

3：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、ブロックサイズやブロック生成速度の変更が含まれ、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。

4：品質

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重要な特徴です。

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要因の一つです。暗号通貨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。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の組み合わせになるでしょう。

ブロックチェーンのスケーリングに関する技術的な概念についてまだ理解ができていない場合は、BeInCryptoのTelegramグループにアクセスしてください。

よくある質問