暗号通貨やブロックチェーンを何らかの方法で調べたことがあれば、おそらくレイヤー1やレイヤー2のプロトコルなどの用語に出くわしたことでしょう。これらのレイヤーとは何か、なぜそれらが存在するのかについて興味がありますか？この記事では、ブロックチェーンレイヤーアーキテクチャについて説明します。
ブロックチェーンテクノロジーは、暗号通貨、ゲーム理論など、いくつかの現在のテクノロジーと、暗号通貨などの幅広いアプリケーションを組み合わせたユニークなテクノロジーです。データのエンコードとデコードは、暗号化と呼ばれる数学的および計算上の分野です。合理的な意思決定者間の戦略的相互作用の数学的モデルの研究は、ゲーム理論として知られています。ブロックチェーンは、透明性とセキュリティをもたらすことにより、仲介者を排除し、コストを削減し、効率を向上させます。
分散型台帳テクノロジー（DLT）は、中央当局の監視なしに、所定のネットワークプロトコルを通じて合意したユーザーグループ間で暗号化によって情報を検証し続けます。これらのテクノロジーを組み合わせることで、他の方法ではそうする動機がない人々や当事者間の信頼が育まれます。これにより、ブロックチェーンネットワークがユーザー間で価値とデータを安全に交換できるようになります。
一元化された権限がないため、ブロックチェーンは非常に安全である必要があります。また、増加するユーザー、トランザクション、その他のデータを処理するには、非常にスケーラブルである必要があります。レイヤーは、一流のセキュリティの維持と同時にスケーラビリティの要件から生まれました。
ブロックチェーンテクノロジーの「スケーリング」というフレーズは、1秒あたりのトランザクション数で測定されるシステムスループット率の向上を意味します。日常生活で暗号通貨が広く採用されるようになり、ネットワークセキュリティ、記録管理、その他の機能を向上させるために、ブロックチェーンレイヤーが必要になりました。
1秒あたりにシステムによって処理されるトランザクションの数は、「スループット」と呼ばれます。 VisaのVisaNet電子決済ネットワークは1秒あたり20,000を超えるトランザクションを処理できますが、ビットコイン（BTC）のメインチェーンは1秒あたり7を超えるトランザクションを処理できません。
ブロックチェーンは、分散型エコシステムの最初のレイヤーです。レイヤー2は、ノードの数を増やし、その結果、システムのスループットを向上させるためにレイヤー1と組み合わせて使用されるサードパーティの統合です。現在、多くのレイヤー2ブロックチェーンテクノロジーが実装されています。スマートコントラクトは、トランザクションを自動化するためにこれらのソリューションで使用されます。
ビットコインが商業の世界でより重要な力になるにつれて、ブロックチェーン開発者はブロックチェーン管理の範囲を広げようとしています。彼らは、ブロックチェーンレイヤーを開発し、レイヤー2のスケーラビリティを最適化することで、処理時間を短縮し、TPSを向上させることを望んでいます。
ブロックチェーンのトリレンマとは、分散化、セキュリティ、スケーラビリティの観点から、分散型ネットワークは常に3つのメリットのうち2つしか提供できないという一般的な概念を指します。
コンピューター科学者は、1980年代に一貫性、可用性、およびパーティション許容度（CAP）の定理を考案して、これらの困難の中でおそらく最も重要なものを表現しました。 CAP定理によると、ブロックチェーンなどの分散型データストレージは、上記の3つの保証のうち2つしか同時に満たすことができません。
この定理は、現在の分散ネットワークのコンテキストでブロックチェーンのトリレンマに進化しました。広く受け入れられている概念は、パブリックブロックチェーンインフラストラクチャは、セキュリティ、分散化、またはスケーラビリティを犠牲にする必要があるというものです。
結果として、ブロックチェーンテクノロジーの聖杯は、インターネット規模のトランザクションスループットを処理しながら、広く分散化されたネットワーク上で侵入不可能なセキュリティを備えたネットワークを作成することです。
トリレンマのダイナミクスを掘り下げる前に、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化を一般的な用語で定義しましょう。
ブロックチェーンのスケーラビリティとは、大量のトランザクションを処理する能力を指します。
セキュリティとは、さまざまな種類の攻撃からブロックチェーン上のデータを保護する機能と、二重支払いに対するブロックチェーンの防御を指します。 -支出。
分散化は、ネットワークが少数のエンティティによって制御されないようにするネットワーク冗長性の一種です。
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トランザクションを決済するには、ネットワークは最初にその有効性について合意する必要があります。会員数が多い場合は、合意に時間がかかる場合があります。その結果、セキュリティパラメータが同一の場合、スケーラビリティは分散化に反比例することを示すことができます。
ここで、2つのプルーフオブワークブロックチェーンが同じ程度の分散化を持ち、セキュリティをブロックチェーンのハッシュレートと見なすと仮定します。ハッシュレートが上がると確認時間が短くなり、セキュリティが向上するとスケーラビリティが上がります。その結果、スケーラビリティとセキュリティは、絶え間ない分散化に比例します。
その結果、ブロックチェーンは3つの目的の機能すべてを同時に最適化できず、トレードオフを余儀なくされます。イーサリアムは、実際のトリレンマの最新の例です。イーサリアムプラットフォームは、この夏の分散型ファイナンス（DeFi）アプリケーションの成長により、使用が急増しています。イーサリアムは特定のポイントまでしか成長できません。
需要の増加により、取引手数料が上昇し、一部の人々はブロックチェーンに関与できなくなりました。イーサリアムはセキュリティや分散化を犠牲にすることなく拡張できなかったことがわかるため、イーサリアム料金の引き上げはトリレンマの一例です。
イーサリアムの焦点は分散化とセキュリティにあり、1秒あたりのトランザクション数は制限されていました（スケーラビリティ）。鉱夫が取引に優先順位を付けるように促すために、ユーザーはより高い料金を支払いました。同様に、分散化とセキュリティはビットコインのスケーラビリティよりも優先されています。
レイヤー1ブロックチェーンネットワークは、速度、セキュリティ、拡張性を考慮して設計されています。レイヤー2は、既存のブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを拡張するために利用できるテクノロジーの強化と製品を指します。 2つのレイヤーの完璧なバランスをとることは、ブロックチェーンの採用と分散型ネットワークの拡張にとって大きな変革をもたらす可能性があります。
開発者は、さまざまな観点からこの問題に取り組んでいます。ビットコインキャッシュ（BCH）のブロックサイズの増加は、ビットコインのスケーラビリティを向上させるための試みでした。しかし、それがより人気になっているという証拠はありません。
ビットコインは、既存のブロックチェーンレイヤーにレイヤーを追加することで問題に対処しようとしています。レイヤー2ソリューションは、多数のトランザクションをバンドルし、スケーリングソリューションの背後にある考え方に従って、ベースレイヤーブロックチェーンにたまにクエリを実行するだけです。イーサリアムはハイブリッドアプローチを採用しており、シャーディングはベースレイヤーのブロックチェーンをスケーリングし、コミュニティはスループットをさらに向上させるためにいくつかのレイヤー2ソリューションを期待しています。
ブロックチェーンアーキテクチャの分散ネットワークの場合、各ネットワーク参加者は新しいエントリを維持、承認、更新します。特定の順序でトランザクションを含むブロックのコレクションは、ブロックチェーンテクノロジーの構造を表します。これらのリストは、フラットファイル（txt形式）または単純なデータベースとして保存できます。ブロックチェーンアーキテクチャは、パブリック、プライベート、またはコンソーシアムの形式をとることができます。
ブロックチェーンのコンテンツは、この素敵な地球上のどこかにあるデータセンターのサーバーに保存されています。クライアントは、Webを閲覧しているとき、またはアプリを利用しているときに、アプリケーションサーバーにコンテンツまたはデータを要求します。これは、クライアントサーバーアーキテクチャと呼ばれます。
クライアントは、ピアクライアントと接続してデータを共有できるようになりました。ピアツーピア（P2P）ネットワークは、データを共有するコンピューターの大規模なグループです。ブロックチェーンは、共有元帳でトランザクションを整然と計算、検証、記録するコンピューターのピアツーピアネットワークです。その結果、分散データベースが作成され、すべてのデータ、トランザクション、およびその他の関連データが保存されます。ノードは、P2Pネットワーク内のコンピューターです。
ブロックチェーンのデータ構造は、トランザクションが順序付けられているブロックのリンクリストとして表されます。ブロックチェーンのデータ構造は、ポインターとリンクリストの2つの基本要素で構成されています。リンクリストは、前のブロックへのデータとポインタを含むチェーンブロックのリストです。
ポインターは別の変数の位置を参照する変数であり、リンクリストはデータと前のブロックへのポインターを含む連鎖ブロックのリストです。マークルツリーはハッシュの二分木です。各ブロックには、マークルツリーのルートハッシュと、前のブロックのハッシュ、タイムスタンプ、ナンス、ブロックバージョン番号、現在の難易度の目標などの情報が含まれています。
ブロックチェーンシステムの場合、マークルツリーはセキュリティ、整合性、および反駁できないものを提供します。ブロックチェーンシステムは、マークルツリー、暗号化、およびコンセンサスアルゴリズムに基づいて構築されています。これはチェーンの最初であるため、ジェネシスブロック、つまり最初のブロックにはポインターが含まれていません。
ブロックチェーンに含まれるデータのセキュリティと整合性を保護するために、トランザクションはデジタル署名されています。秘密鍵はトランザクションの署名に使用され、公開鍵を持っている人は誰でも署名者を確認できます。デジタル署名は情報操作を検出します。暗号化されたデータも署名されているため、デジタル署名によって統一性が確保されます。その結果、操作を行うと署名が無効になります。
データは暗号化されているため、検出できません。引っ掛かっても改ざんすることはできません。送信者または所有者のIDもデジタル署名によって保護されます。その結果、署名はその所有者に合法的にリンクされ、無視することはできません。
一般にP2P層と呼ばれるネットワーク層は、ノード間通信を担当します。検出、トランザクション、およびブロック伝播はすべてネットワーク層によって処理されます。伝播レイヤーは、このレイヤーの別名です。
このP2Pレイヤーは、ノードがお互いを見つけて相互作用し、広め、同期して、ブロックチェーンネットワークを正当な状態に保つことができるようにします。 P2Pネットワークは、ノードが分散され、ネットワークのワークロードを共有して共通の目的を達成するコンピューターネットワークです。ブロックチェーンのトランザクションはノードによって実行されます。
コンセンサスレイヤーは、ブロックチェーンプラットフォームが存在するために不可欠です。コンセンサスレイヤーは、イーサリアム、ハイパーレジャー、その他のブロックチェーンで最も必要かつ重要なレイヤーです。コンセンサスレイヤーは、ブロックの検証、ブロックの順序付け、および全員の同意の保証を担当します。
スマートコントラクト、チェーンコード、分散型アプリケーション（DApps）がアプリケーション層を構成します。アプリケーション層プロトコルは、アプリケーション層と実行層にさらに細分化されます。アプリケーション層は、エンドユーザーがブロックチェーンネットワークと通信するために利用するプログラムで構成されます。スクリプト、アプリケーションプログラミングインターフェイス（API）、ユーザーインターフェイス、フレームワークはすべてその一部です。
ブロックチェーンネットワークは、これらのアプリケーションのバックエンドテクノロジーとして機能し、APIを介して通信します。スマートコントラクト、基礎となるルール、チェーンコードはすべて実行レイヤーの一部です。
トランザクションはアプリケーション層から実行層に移動しますが、セマンティック層で検証および実行されます。アプリケーションは実行レイヤーに命令を出します。実行レイヤーはトランザクションを実行し、ブロックチェーンの決定論的性質を保証します。
ブロックチェーンレイヤーゼロは、ブロックチェーンを実現するのに役立つコンポーネントで構成されています。これは、ビットコイン、イーサリアム、およびその他のブロックチェーンネットワークが機能することを可能にするテクノロジーです。レイヤー0コンポーネントには、レイヤー1をスムーズに実行できるようにするインターネット、ハードウェア、接続が含まれます。
これは基盤レイヤーであり、そのセキュリティはその不変性に基づいています。イーサリアムネットワーク、またはレイヤー1は、人々がイーサリアムと言うときにほのめかしているものです。この層は、コンセンサスプロセス、プログラミング言語、ブロック時間、紛争解決、およびブロックチェーンネットワークの基本機能を維持するルールとパラメーターを担当します。実装層とも呼ばれます。ビットコインは、レイヤー1ブロックチェーンの例です。
これらのスケーリングソリューションは、一緒に使用するとネットワークのスループットを向上させます。ただし、ブロックチェーンユーザーの数が増えるにつれ、レイヤー1は不足しているように見えます。古風で不器用なプルーフオブワークコンセンサスプロセスは、レイヤー1ブロックチェーンでまだ使用されています。
このアプローチは他のアプローチよりも安全ですが、速度によって制限されます。鉱夫は、計算能力を使用して暗号化アルゴリズムを解決する必要があります。その結果、長期的にはより多くの計算能力と時間が必要になります。また、ユーザー数の増加に伴い、レイヤー1ブロックチェーンのワークロードが増加しています。その結果、処理速度と処理能力が低下しました。
プルーフ・オブ・ステークは、イーサリアム2.0が採用する代替コンセンサスです。このコンセンサスアプローチは、ネットワーク参加者の担保に基づいて新しいトランザクションデータブロックを認証し、より効率的な手順を実現します。
シャーディングは、レイヤー1のブロックチェーン問題の負担に対するスケーリングソリューションです。簡単に言うと、シャーディングは、トランザクションの検証と認証のタスクを、より小さく、管理しやすいチャンクに分割します。その結果、ワークロードをネットワーク全体に分散して、より多くのノードのコンピューティング機能を使用できます。ネットワークはこれらのシャードを並行して処理するため、複数のトランザクションを順次かつ同時に処理できます。
ベースレイヤーの上にある重複するネットワークは、L2ソリューションと呼ばれます。プロトコルはレイヤー2を利用して、ベースレイヤーから一部の相互作用を削除することでスケーラビリティを向上させます。その結果、プライマリブロックチェーンプロトコルのスマートコントラクトは、預金と引き出しのみを処理し、オフチェーントランザクションが規制に従うことを保証します。ビットコインのライトニングネットワークは、レイヤー2ブロックチェーンの例です。
では、レイヤー1とレイヤー2のブロックチェーンの違いは何ですか？ブロックチェーンは、分散型エコシステムの最初のレイヤーです。レイヤー2は、ノードの数を増やし、その結果、システムのスループットを向上させるためにレイヤー1と組み合わせて使用されるサードパーティの統合です。現在、多くのレイヤー2ブロックチェーンテクノロジーが実装されています。
近年、レイヤー2プロトコルの人気が爆発的に高まっており、特にPoWネットワークのスケーリングの問題を解決するための最も効果的なアプローチであることが証明されています。以下のセクションでは、さまざまなレイヤー2スケーリングソリューションについて説明します。
ネストされたレイヤー2つのブロックチェーンは、別のブロックチェーンの上に実行されます。本質的に、レイヤー1が設定を確立し、レイヤー2が手順を実行します。単一のメインチェーンには、複数のブロックチェーン層が存在する場合があります。それを典型的なビジネス構造と考えてください。
1人の人（マネージャーなど）にすべての作業を行わせるのではなく、マネージャーは部下にタスクを委任し、部下は作業が終了したときに部下に報告しました。その結果、スケーラビリティが向上する一方で、マネージャの作業負荷が軽減されます。たとえば、OMGプラズマプロジェクトは、イーサリアムのレベル1プロトコルのレベル2ブロックチェーンとして機能し、より安価で高速なトランザクションを可能にします。
状態チャネルは、さまざまなアプローチを介してブロックチェーンとオフチェーンのトランザクションチャネル間の双方向通信を容易にすることにより、トランザクションの総容量と速度を向上させます。州のチャネルを介してトランザクションを検証するために、マイナーがすぐに関与する必要はありません。
代わりに、マルチシグニチャまたはスマートコントラクトメカニズムによって保護されるネットワーク隣接リソースです。 「チャネル」の最終的な「状態」とそのすべての固有の遷移は、トランザクションまたはトランザクションのバッチが状態チャネルで完了すると、基礎となるブロックチェーンに通知されます。
州のチャネルの例には、ビットコインライトニングとイーサリアムの雷電ネットワークが含まれます。トリレンマのトレードオフでは、州のチャネルはスケーラビリティの向上と引き換えに地方分権化を放棄します。
サイドチェーンは、ブロックチェーンと並行して実行されるトランザクションチェーンであり、大規模なバルクトランザクションに使用されます。サイドチェーンには、速度とスケーラビリティを調整できるコンセンサス方式があり、ユーティリティトークンは、サイドチェーンとメインチェーン間のデータ転送メカニズムの一部として頻繁に使用されます。メインチェーンの主な機能は、一般的なセキュリティと紛争解決を提供することです。
いくつかの重要な点で、サイドチェーンはステートチャネルとは異なります。そもそも、サイドチェーントランザクションは参加者間でプライベートではありません。代わりに、元帳に公開されます。さらに、サイドチェーンのセキュリティ違反は、メインチェーンや他のサイドチェーンに影響を与えません。サイドチェーンをゼロから構築するには、かなりの時間と作業が必要です。
ロールアップは、レイヤー1ネットワークの外部でトランザクションを実行し、トランザクションからレイヤー2ブロックチェーンにデータをアップロードするレイヤー2ブロックチェーンスケーリングソリューションです。レイヤー1は、データがベースレイヤーにあるため、ロールアップを安全に保つことができます。
ユーザーは、トランザクションスループットの向上、オープンな参加、ガスコストの削減に役立つため、ロールアップの恩恵を受けます。
アプリケーション層は、多くの場合、層3またはL3と呼ばれます。 L3プロジェクトは、通信チャネルの技術的側面をマスクしながら、ユーザーインターフェイスとして機能します。 L3アプリケーションは、ブロックチェーンアーキテクチャの階層構造で説明されているように、ブロックチェーンに実際の適用性を与えるものです。
ブロックチェーンが発生した分散データストレージが直面する問題は、ブロックチェーンに受け継がれました。これらの困難と関連する問題をよりよく理解するために、「ブロックチェーンのトリレンマ」という用語がそれらをグループ化するために造られました。
「トリレンマ」という言葉は残っていますが、ブロックチェーンのトリレンマは単なる推測にすぎません。この仮説は初期のデータに基づいて正確であると疑われていますが、証明も反証もされていません。レイヤー1とレイヤー2のソリューションはすでにある程度の成功を収めていますが、さらに調査を行う必要があります。
レイヤー1は、分散型システムの基盤として機能するため、非常に重要です。基になるブロックチェーンのスケーラビリティの問題は、レイヤー2プロトコルを介して対処されます。残念ながら、ほとんどのレイヤー3プロトコル（DApp）は現在、レイヤー1でのみ実行され、レイヤー2をバイパスします。これらのシステムが期待どおりに機能していないのは当然のことです。
レイヤー3アプリケーションは、ブロックチェーンの実際のユースケースの開発に役立つため、不可欠です。ただし、レガシーネットワークとは対照的に、基盤となるブロックチェーンほど多くの価値を獲得することはできません。