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？

金融業界だけではなく、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、レイヤー1とレイヤー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重要な制約となっています。

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つしか同時に最適化することができず、3つすべてを最大限に実現することは技術的に難しいとされています。したがって、これまで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した。

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。一方で、イーサリアムも同様の課題に直面しており、高いセキュリティと分散性を保ちながら、取引処理速度の向上に取り組んでいます。

最も重要なことは、これまで、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ていないということです。つまり、各暗号通貨プロジェクトは、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を採用しています。

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プロジェクトは、1秒あたり数千件の取引を処理できる能力を持っていますが、その多くは分散性またはセキュリティを一部犠牲にしています。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代表例です。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課題を解決することに焦点を当て、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。これは、ブロックチェーンの基盤となるアーキテクチャであり、すべての取引が最終的に記録される場所です。

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とレイヤー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つの基本的なアプローチです。

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PoW（プルーフ・オブ・ワーク）より効率的といえます。PoSは、計算資源の消費を大幅に削減しながら、ネットワークのセキュリティを維持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、並列処理を可能にします。

メリット

• スケーラビリティの向上：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、基本プロトコルの変更を通じて、ネットワーク全体の処理能力を向上させることができます。

• 高いセキュリティと分散性の維持：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提供します。これにより、ネットワークの信頼性と安全性が確保されます。

• エコシステムの発展促進：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、およびその他の革新的な要素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、ブロックチェーンエコシステム全体の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欠如は一般的な課題です。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。特に、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、エネルギー消費も大きいという問題があります。

また、レイヤー1の変更は基本プロトコルに影響を与えるため、実装には慎重な検討とコミュニティの合意が必要です。変更を実施した後に問題が発生した場合、元に戻すことが困難であるという課題もあります。

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な更新が必要です。これらのアプローチは、ネットワークの基盤レベルでの改善を目指しています。

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重要な仕組みです。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、それぞれに特徴と利点があります。

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。マイナーは複雑な数学的問題を解く必要があり、これには膨大な計算リソースが必要です。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、暗号化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保有する暗号資産の量に基づいて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、エネルギー消費を大幅に削減しながら、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、PoSコンセンサスアルゴリズムへの移行を完了しました。

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、近年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を指します。

すべてのノードが全体のネットワーク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。これにより、個々のノードの負荷が軽減され、ネットワーク全体の効率が向上します。

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。この仕組みにより、シャード間の連携が保たれ、ネットワーク全体の一貫性が維持されます。Zilliqa、Qtum、Tezosとともに、イーサリアム2.0は近年、シャーディング技術を積極的に研究・実装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、処理された取引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な例の1つです。Lightning Networkは、ビットコインブロックチェーンの外で取引を処理し、最終的な結果のみをメインチェーンに記録することで、高速かつ低コストの取引を実現しています。レイヤー1とレイヤー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ります。メインチェーンは最終的な決済層として機能し、その信頼性と安全性が保たれます。

• 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、少額決済やリアルタイム取引など、従来のブロックチェーンでは困難だった用途が実現可能になります。

• 取引コストの削減：オフチェーンでの処理により、メインチェーンの混雑が緩和され、取引手数料を大幅に削減することができます。

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ります。異なるレイヤー2ソリューション間での相互運用性が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課題：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に関する新たな課題が生じる可能性があります。オフチェーンでの取引処理において、適切なセキュリティ対策が必要です。

• 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、流動性が分散し、ユーザーエクスペリエンス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の問題解決のために、さまざまな技術的アプローチが開発されています。以下では、主要なレイヤー2ソリューションについて詳しく解説します。

ネストされたブロックチェーン：親子関係で処理を分散

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。子チェーンは独自のコンセンサスメカニズムを持つことができ、特定の用途に最適化された設計が可能です。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、取引処理を大幅に高速化することができます。

参加者は、チャネルを開設する際に初期状態をメインチェーンに記録し、その後はオフチェーンで自由に取引を行います。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。この仕組みにより、中間の取引はメインチェーンに記録されず、最終結果のみが記録されるため、効率的な処理が実現されます。

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です。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。これにより、サイドチェーンは独立した運用が可能であり、メインチェーンへのリスクを最小限に抑えることができます。

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。また、サイドチェーン独自のバリデーターセットが必要となるため、セキュリティモデルもメインチェーンとは異なります。

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のブロックチェーンスケーリングソリューションには、いくつかの重要な違いがあります。以下では、これらの違いを詳しく解説します。

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1のソリューションは、ブロックチェーンのコアプロトコル自体を変更することで、ネットワーク全体の性能を向上させます。

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。これにより、メインチェーンの負荷を軽減しながら、高速な取引処理を実現します。

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。プロトコルの変更には、コミュニティの合意形成とネットワーク全体のアップグレードが必要です。

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。これにより、メインチェーンの変更を必要とせず、柔軟にスケーリングを実現できます。

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。これらのアプローチは、ブロックチェーンの基本的な構造を変更することで、性能向上を図ります。

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。これにより、多様なユースケースに対応した柔軟なスケーリングが可能になります。

4：品質

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の変更は、ネットワーク全体に影響を与えるため、慎重な検討と実装が必要です。

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。レイヤー2は、メインチェーンのセキュリティを活用しながら、高速かつ低コストの取引を実現します。

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1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。

レイヤー1のソリューションは、ネットワークの基盤レベルでの改善を提供し、長期的な持続可能性を確保します。一方、レイヤー2のソリューションは、即座にスケーラビリティを向上させ、ユーザーエクスペリエンスを改善します。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の組み合わせになるでしょう。

近年、多くのブロックチェーンプロジェクトが、レイヤー1とレイヤー2の両方のアプローチを統合した包括的なスケーリング戦略を採用しています。例えば、イーサリアムは、レイヤー1でのシャーディング実装と、レイヤー2でのロールアップソリューションの両方を推進しています。

また、レイヤー0と呼ばれる新しい概念も登場しています。レイヤー0ブロックチェーンは、チェーン作成とクロスチェーンの相互運用性のための基礎となるインフラストラクチャを提供します。レイヤー0上に構築されたチェーンは、相互に通信したり、他の非ネイティブブロックチェーンと互換性を持つことができます。レイヤー0ブロックチェーンはレイヤー1ブロックチェーンの基礎を築きます。レイヤー0ブロックチェーンの例には、Cosmos、Polkadot、Avalancheなどがあります。Cosmosは主流ブロックチェーンプラットフォームの基盤として機能しています。

将来的には、レイヤー0、レイヤー1、レイヤー2が統合された多層的なブロックチェーンエコシステムが形成されることが予想されます。これにより、セキュリティ、分散性、スケーラビリティのトリレンマを解決し、真に大規模な採用に耐えうるブロックチェーンインフラが実現されるでしょう。

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の基盤層であり、レイヤー2はその上に構築されたオフチェーン技術です。レイヤー2はトランザクション処理をメインチェーン外で行うことで、スケーラビリティを大幅に向上させ、ガス代を削減します。

レイヤー2ソリューション（ライトニングネットワーク、ポリゴンなど）のメリットとデメリットは？

メリットは手数料大幅削減、トランザクション高速化、ユーザー体験向上です。デメリットはセキュリティと分散性のトレードオフ、L2間の分断、ユーザーにとっての複雑性があります。

レイヤー1とレイヤー2はどのような場面で使い分けられますか？

レイヤー1は高いセキュリティが必要な大口取引に、レイヤー2は小口頻繁取引のスピードと手数料削減に最適です。用途に応じて使い分けることで、効率的な取引が実現できます。

レイヤー2は本当に安全ですか？レイヤー1と比べてセキュリティリスクはありますか？

レイヤー2は基本的に安全ですが、レイヤー1よりもセキュリティ面で若干のリスクがあります。主にスマートコントラクトの監査状況やシーケンサーの集中化が課題です。ただし、大手プロトコルは継続的に改善しており、長期的には同等のセキュリティ水準に達すると予想されます。

ビットコインとイーサリアムのレイヤー2ソリューションにはどのような違いがありますか？

イーサリアムのL2はスマートコントラクト対応で複雑な取引を処理し、ビットコインのL2はシンプルな送金機能に特化しています。イーサリアムがセキュリティ継承に優れる一方、ビットコインはトランザクション効率を重視します。