Hydraレイヤー2ソリューションをビットコインとイーサリアムで比べてみた
カルダノサミットでの大きな目玉の一つ『Hydra』
日本時間2021年9月13日カルダノは遂にアロンゾ・ハードフォークを完了し、スマートコントラクトを導入することに成功しました。
そして9月25日から26日にかけて開催される『カルダノ・サミット2021』は、新しい世界の到来を告げるさまざまな発表がなされることが徐々に明らかになっています。
カルダノ・サミット2021はカルダノ史上最大のイベントであり、メタヴァースをモチーフに（現実とか仮想空間を融合）展開され、世界7都市、20のローカルイベントが執り行われる一大イベントです。まだカルダノ・サミットに登録していない方はぜひ公式サイトから登録して、カルダノがもたらす新しい世界に参加してみてください。
公式：『カルダノ・サミット2021』
そして今回のアロンゾ・ハードフォークはカルダノ史上最大のマイルストーンとなる偉業であり、ブロックチェーン業界全体で見ても、ブロックチェーンが相互運用により、インターネット2へと進化していく流れに一層の拍車をかける有力なピースに加わったことになります。
また、カルダノ・ブロックチェーンの根幹となるアーキテクチャーおよび思想において、その独自性と優位性が徐々に現わになってきています。
ネットワークの安全性、高度なセキュリティ、安価なトランザクションコスト、開発コスト、分散性、持続可能性、柔軟性といったブロックチェーンの特性を十分に満たしていることで、今後のカルダノ・エコシステムは間違いなく拡大し、ブロックチェーン全体のエコシステムの拡大にも大きく貢献していくことになるでしょう。
その中で、カルダノ・ロードマップの次の時代となる『BASHO：芭蕉』は、”最適化、スケーラビリティの改良、そしてネットワークの相互運用性の開発期”として大変注目されており、そのなかでも『Hydra』ソリューションは、カルダノ・コミュニティの大きな注目の的の一つとなっています。
そこで、今回はこの『Hydraのレイヤー2ソリューション』についてご紹介していきます。
レイヤー２ソリューションの必要性
カルダノの開発会社であるIOGは最新のブログ記事『Hydra – Cardano’s solution for ultimate Layer 2 scalability』を発表しており、究極のレイヤー2スケーラビリティを実現するカルダノのソリューションHydraについて詳しく解説しています。
ブログ記事では”既存のレイヤー1ブロックチェーンの上に新しいプロトコルを重ねることで、カルダノのスケーラビリティをさらに向上させる重要なレイヤー2ソリューション”と説明されています。
なぜこれが必要なのでしょうか？ブログでは次のように説明されています。
カルダノも他のパーミッションレスのブロックチェーンと同様に、決済、ID、ゲーム、モバイルサービスなど、現実世界のアプリケーションをサポートするために必要なスループットを達成するためにスケールアップしようとすると、課題に直面します。結局のところ、ブロックチェーンはすべてのトランザクションについてグローバルなコンセンサスを得る必要があります。
つまり、ビットコイン、イーサリアムをはじめとするプラットフォームは、トランザクションの検証とブロックチェーンに記録するプロセスが必ず必要であり、このブロック生成時に生じるネットワークへの負荷とコストの問題が生じ、一度に多くのトランザクションの処理が困難で、スループットに限界が生じてしまうのです。
そこで『BASHO：芭蕉』プロジェクトはカルダノのパフォーマンス、強靭さ、そして柔軟性を誇るブロックチェーンプラットフォームへと成長させるためのプロジェクトとして期待されています。
そして、『Hydra』はレイヤー2のスケーラビリティソリューションであり、先程の懸念に対処し、スループット（データ処理能力やデータ転送速度）を最大化し、レイテンシー（要求されたリソースが目的地に到達するまでにかかるネットワーク時間）を最小化し、低コストまたはゼロコストで、ストレージ要件を大幅に削減することを目指しています。
Hydraは、トランザクションにかかる手数料を、ユーザーにとって問題にならない程度に低く設定するとともに、サービス拒否（DoS）攻撃を助長するような手数料の低さを防ぐことをもたらします。
IOGブログでは次にように述べています。
ブロックチェーンは、例えばDoS（Denial-of-Service）攻撃から保護する必要があります。DoS攻撃は、潜在的な攻撃者にとって非常に高価なものでなくてはなりません。また、取引履歴が増え続けるとストレージの問題が発生するため、ストレージも懸念されます。事実上、最も成功したブロックチェーン（どのブロックチェーンかわかりますか？）は、その成功の「犠牲者」になるリスクがあります。
このように安全性と低コスト、処理能力（パフォーマンス）、拡張性を総合的にもたらすことが可能なソリューションがHydraと言えます。
ここでレイヤー２とは何かについて疑問に思った方もいるかもしれません。似たような概念にサイドチェーン、オンチェーン、オフチェーン、メインチェーンなどの言葉がありますが、これらはどう違うのでしょうか？
オンチェーンとオフチェーンの違い
まずレイヤー（1）とは、メインチェーンであり、オンチェーンとも呼ばれます。カルダノには、二つのレイヤーがあります。Cardano Settlement Layer（CSL：決済層）とCardano Computational Layer（CCL：計算層）の2つのレイヤーです。
レイヤー（1）がCSLの決済層で、レイヤー２がCCLの計算層です。
ここでいうCSL（決済）とはトランザクションの検証であり、それらをブロックチェーンに保存することを含む作業（グルーバル・コンセンサス）を担うオンチェーン（メインチェーン）です。
先程のIOGブログの”すべてのトランザクションについてグローバルなコンセンサスを得る必要”とある部分が、CSL（決済）となる部分です。
CCL（計算）はスマートコントラクトなどの処理や計算を行う場所で、オフチェーン、レイヤー２とも呼びます。
そして計算が行われる場所を（オフチェーンに）分けることで、レイヤー２が問題を起こしても、オンチェーンにある資産を安全に保護することができます。
CSLとCCLについて詳しくはこちらの記事後ご覧ください。
レイヤー２とサイドチェーンの違い
そして、一般的にレイヤー2とサイドチェーンについては明確に分けられているわけではありませんが、最近の流れ（傾向）では、次にように言われています。
レイヤー2はオフチェーンで負荷のかかる計算だけを行い、ブロックチェーン単体として機能することができません。レイヤー２には必ず、グローバルコンセンサスを必要とし、そのためにレイヤー１（メインチェーン）が必要になります。
一方サイドチェーンは、独自のブロックチェーンとして機能することができ、かつ他のブロックチェーンのオフチェーンとも機能することができます。例えば、イーサリアムをメインチェーンに使い、レイヤー２として振る舞うBinance Smart Chainなどはその例です。
そして現在成長著しいPolygon Networkは、レイヤー2とサイドチェーンの両方を使ったハイブリット型と呼ばれています。
このようにレイヤー２とサイドチェーンの違いは、レイヤー２はメインチェーンのグローバルコンセンサスを必要とし、サイドチェーンは独自でも機能するがレイヤー２のように振る舞うことがきるという考え方があるようです。これらの違いはさほど明確ではなく、現在ではこのように説明されることが多いというぐらいに認識しておいた方がいいかもしれません。
では、次にビットコインやイーサリアムなど代表的なレイヤー２について見てきましょう。
ビットコインのレイヤー２であるライトニング・ネットワーク
初めてレイヤー2ソリューションとして登場したのがビットコインのライトニングネットワーク（Lightning Network）です。現在エルサルバドルでの決済にライトニングネットワークは使われており、通常ビットコインのメインチェーンでのコストに比べれば、圧倒的な手数料の安さ、少額決済（マイクロペイメント）と決済時間の短縮などを実現している決済ソリューションです。
2016年1月14日にJoseph Poon氏とThaddeus Dryja氏による「The Bitcoin Lightning Network:Scalable Off-Chain Instant Payments」という論文が公開され、開発が進められてきました。
現在では、ビットコインのレイヤー２決済ソリューションとして、注目度とその利用頻度は上昇し続けています。
ライトニングネットワークは、WIKIでは次にように説明されています。
支払いチャネルネットワーク上でトラストレスな支払いを可能にするオフ-ブロックチェーンプロトコルの一種である。 ライトニングネットワークは参加ノード間の高速なトランザクション処理を可能にし、ビットコインのスケーラビリティ問題の解決策と謳われている。
WIKI
簡単にいうとライトニング・ネットワークは、オフチェーンで複数の双方向のペイメントチャンネルを作り、二者間で送金用のチャネルを開き、送金しあった（複数回）最後の結果をオンチェーン（メインチェーン）に記録する技術です。
このように結果だけをメインチェーンに記録することで、メインチェーンの負荷と手数料を削減しています。
イーサリアムのレイヤー２ソリューション
そして次に誕生したのでがイーサリアムのレイヤー２ソリューションです。2017年に、CryptoKittiesというdAppsが人気を博し、ユーザーやトランザクションの増加により、手数料が高騰しました。
これを解決するためのレイヤー２ソリューションとして、最初にState Channelが注目されました。State Channelはライトニング・ネットワークを応用したもので、スマートコントラクトを含んだ処理をオフチェーンで処理を行い、処理が終わった後にオンチェーンに記録をするというものです。
ビットコインのライトニング・ネットワークとの大きな違いは、イーサリアムではスマートコントラクト処理を含む要望があり、それを実現するためのハードルが高く、現在実現と普及には至っていません。
その後State Channelの限界が認識され、Plasmaが発表されましたが、これも取引や資産データの保存における分散性の問題に解決の糸を導き出せず、成果を出すことが出来ませんでした。
Optimistic Rollupとzk Rollup
そして今年2021年になってPlasmaの派生として生まれたのRollupという技術が、イーサリアムのレイヤー2ソリューションとして主流になりつつあります。これは二つの技術に分かれており、Optimistic Rollupとzk Rollupがあります。
2020年10月にVitalik氏が『A rollup-centric ethereum roadmap』という新しい提案を行い、Rollup技術を前提に、今後のイーサリアムの開発をすすめようというものでした。
現在イーサリアムコミュニティはレイヤー2の方向性としてRollupに期待する流れとなっています。
Optimistic Rollupについてイーサリアム財団のサイトでは次のように説明しています。
楽観的なRollupは、レイヤー2のメインのEthereumチェーンと並行して配置されます。楽観的Rollupは、デフォルトでは計算を行わないため、スケーラビリティを向上させることができます。その代わり、トランザクションの後に、新しい状態をメインネットに提案したり、トランザクションを「公証」したりします。
Optimistic Rollupでは、トランザクションはcalldataとしてイーサリアムのメインチェーンに書き込まれ、ガスコスト（取引手数料）を削減することでさらに最適化されます。
イーサリアムを利用する上で、計算は時間とコストがかかる部分であるため、Optimistic Rollupsは、トランザクションに応じて最大で10～100倍のスケーラビリティの向上を実現します。この数字は、シャードチェーンの導入でさらに増加します。これは、トランザクションが紛争になった場合に利用できるデータが増えるためです。
Optimistic Rollupは、データモデルとしてアカウントモデルとUTXOモデルの両方を利用しており、イーサリアムのスマートコントラクトを現在のEVMからOVM（Optimistic Virtual Machine：EVM互換も含む）というバーチャルマシンに移行しようとするものです。レイヤー２のオペレーションコストやEVM互換の仕組みを使うことで、イーサリアムのスマートコントラクトやDappsを再利用することで、開発コストを低く抑えられます。
しかし現在のことろOptimistic Rollupはレイヤー２として処理を確定するまでに7日間の時間が必要となることが、ボトルネックになっています。
Optimistic Rollupを利用したものには、有名なものでは、Uniswap v3などがあります。
次にzk Rollup（Zero knowledge rollups）は、イーサリアム財団のホームページでは次のように説明されています。
zk-Rollupとも呼ばれるゼロナレッジロールアップは、オフチェーンの何百もの送金を束ねて「ロールアップ」し、SNARK（succinct non-interactive argument of knowledge）と呼ばれる暗号証明を生成します。これは有効性の証明として知られており、レイヤー1に掲載されます。
ZK-rollupスマートコントラクトは、レイヤー2にすべての転送の状態を維持し、この状態は有効性の証明がないと更新できません。つまり、ZK-rollupが必要とするのは、すべての取引データではなく、有効性証明だけなのです。ZK-rollupでは、含まれるデータが少ないため、ブロックの検証はより早く、より安くなります。
ZK-rollupでは、レイヤー2からレイヤー1に資金を移動する際に、ZK-rollupのコントラクトが受け入れた有効性証明がすでに資金を検証しているため、遅延が発生しません。
ZK-rollupはレイヤー2にあるため、取引サイズをさらに小さくするための最適化が可能です。例えば、アカウントはアドレスではなくインデックスで表されるため、トランザクションは32バイトからわずか4バイトになります。また、取引はEthereumにcalldataとして書き込まれ、ガスを削減します。
オンチェーンでの検証に、オフチェーンで決済したデーターを全部使用せずに、暗号化された一部分を使用し、検証を行います。これによってファイナリティは数分で済むことができます。しかしこれにはEVM互換を使うことができず、イーサリアムからアプリの移植が簡単にできません。開発を一から行うことが必要で、開発コストやオペレーションの運用コストが高くなってしまいます。
zk Rollupを利用したものには、Loopring DEX、Curve Financeなどがあります。
このようにイーサリアムのレイヤー２ソリューションは、実用に向けて準備を進めており、2017年頃から現在まで問題を解決するべく、レイヤー２ソリューションは重要な位置付けになっており、イーサリアム2.0の導入までの期間を短縮できる可能性があると期待されています。
参考
LAYER 2 ROLLUPS
The State of Layer 2 With Ethereum Scaling is at Stake
An Incomplete Guide to Rollups
カルダノのレイヤー２ソリューション『Hydra』
カルダノのレイヤー２ソリューションである『Hydra』は、カルダノのアーキテクチャの独自性から、イーサリアムとは違うアプローチとなっています。IOGのブログでは次のように説明しています。
では、どのようにしてこれを実現するのでしょうか。Hydraは、メインチェーンの台帳を安全な決済層として使用しながら、一連のユーザーに対してオフチェーンでのトランザクション処理のより効率的な手段を提供することで、メインチェーンとの結合を維持しながらセキュリティを保証します。また、グローバルコンセンサスを必要としないため、幅広いアプリケーションに対応できます。例えば、Hydraでは、Txの手数料やUTXOの最小値を1～2Lovelacesと低く設定することができ、マイクロトランザクションやこれらの機能を実現するユースケースには欠かせません。
「Hydra – Cardano’s solution for ultimate Layer 2 scalability」
しかし最も重要なことは、Hydraが同型のステートチャンネルという概念を導入したことです。つまり、同じ台帳表現を再利用して、統一されたオフチェーンの”台帳兄弟”（ [hence the Hydra name, which references the mythological, multi-headed creature]：神話に登場する多頭身の生物）を生み出すことができるようになりました。具体的には、カルダノの場合、ネイティブアセット、NFT（Non-Fungible Tokens）、Plutusスクリプトが各Hydra ヘッド内で利用できることを意味しています。同型（＊Isomorphism）は、システムをボルトオンではなく、自然に拡張することを可能にします。
現在、メインチェーンやメインチェーン上で実行されているアプリケーションで処理されている取引の多くは、Hydraが同じ取引フォーマットや署名を理解するため、Hydraから直接利益を得ることができます。これにより、既存の顧客や潜在的な新規顧客にとって、Hydraへの参入障壁が大幅に低くなります。顧客は、レイヤー2システムと相互作用するウォレットやアプリケーションを構築するために、カルダノの試行錯誤されたインフラを再利用することができます。また、Hydraヘッドは、受け取り側の初期資金がなくても作成できるため、スムーズなユーザー体験が可能になります。
これは、イーサリアムがレイヤー２ソリューションとして利用しようとしている二つの『Rollup』技術の問題点の両方解決するものであることがお分かりでしょうか？
Hydraは、Optimistic Rollupのファイナリティにかかる7日間の問題と、zk-Rollupにおけるレイヤー２の運営、開発コストの問題が全く存在せずに、メインチェーンとレイター２の結合がスムーズに行われ、同期することが可能であることを意味しています。
また、Hydraは、”スループットを向上させ、セキュリティを維持しながら、コストを削減”し、ストレージが問題を解決するとし、ブログでは次にように説明しています。
ユーザーの摩擦を最小限に抑えながらメインチェーンの機能を再現しますが、レイヤー2では異なる料金／コスト構造やタイミングの制約を持つという柔軟性を備えています。成功するエコシステムは、すべてのユーザーのニーズのバランスをとっています。私たちは、このエコシステムが、個人消費者、企業、専門家、そして増え続けるDAppsとその開発者のニーズに応えられるようにしたいと考えています。
このようにHydraのレイヤ２ソリューションは、運営の柔軟性も取り入れながら、Hydraヘッド数を増やすことで、必要とあらば”100万TPS（transaction per second）”も可能です。無前回の記事「加速するカルダノのスパイラル成長」でもあったように、需要応じたスパイラルな成長が可能なのです。
来る9月25日～26日に開催される「Cardano Summit 2021」では、Hydraについて、これまでの進捗状況や今後の目標などを詳しく発表されるとのこと。
Hydraについてもっと知りたい方は、こちらの説明ビデオとIOGのブログ記事もご覧ください。
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