ブロックチェーンアーキテクチャの理解: レイヤー0、1、2の完全ガイド

ブロックチェーン技術は玉ねぎに似ています—どちらも特定の目的を持つ独特の層を持っています。ブロックチェーンの層状アーキテクチャを探求し、この革命的なエコシステム内で各コンポーネントがどのように機能するかを理解しましょう。

基盤: レイヤー1 ブロックチェーン

Layer 1は、独自のインフラストラクチャを使用して取引を独立して検証および確定できる基盤となるブロックチェーンネットワークを表します。ビットコイン、イーサリアム、カルダノは、Layer 1ブロックチェーンプロジェクトの例です。

これらのネットワークは独自のネイティブトークン(coins)を特徴としており、ユーザーはブロックチェーンとやり取りする際に取引手数料を支払うためにそれを利用する必要があります。

ベースレイヤーのスケーリング課題

レイヤー1ネットワークは、スケーリングの制限に頻繁に直面します。取引量が処理能力を超えると、ユーザーは手数料の増加と確認の遅延を経験します。

この課題は、ヴィタリック・ブテリンが称したブロックチェーン・トライレマに関連しており、次の間の難しいバランスを指します：

• 分散化 (分散ネットワーク制御)
• セキュリティ (攻撃への耐性)
• スケーラビリティ (取引スループット)

すべてのスケーリングソリューションは、これら3つの重要な特性間のトレードオフをナビゲートしなければなりません。例えば、強力なスーパー ノードを展開することでネットワーク容量を向上させることができますが、分散化というブロックチェーンの基本的な原則が犠牲になります。

レイヤー1スケーリングアプローチ

ベースブロックチェーンは、スケーラビリティを向上させるためにいくつかの戦略を採用しています：

ブロックサイズ拡張

ブロック容量を増やすことで、1ブロックあたりのトランザクション数が増加しますが、このアプローチには限界があります。

• 過度に大きなブロックは、ダウンロード時間を長くする必要があります
• ネットワーク帯域幅の要件が大幅に増加します
• ノード参加の障壁が上昇し、分散化が減少する

コンセンサス機構の最適化

いくつかのコンセンサス機構は他のものよりも効率的にスケールします:

• ビットコインによって使用されるプルーフ・オブ・ワーク (は堅牢なセキュリティを提供しますが、スループットは限られています。
• プルーフ・オブ・ステーク )はイーサリアムなどによって採用され、(はより良いスケーラビリティを提供し、エネルギー要件が低くなります。

シャーディングの実装

シャーディングは、ブロックチェーンデータを「シャード」と呼ばれる管理可能なセグメントに分割し、ネットワーク全体に検証作業を分配します:

• 各ノードはトランザクションの一部のみを処理します
• 処理されたシャードは、最終検証のためにメインチェーンにブロードキャストされます
• この並列処理は、トランザクションのスループットを大幅に向上させます

ベースを超えて：レイヤー2ソリューション

レイヤー2プロトコルは、スケーラビリティの制限に対処するために特別に設計されたレイヤー1ブロックチェーンの上に運用されます。これらのソリューションは、取引を「オフチェーン」で処理し、基盤となるレイヤーに定着させる二次的なフレームワークを作成します。

レイヤー2技術は、強化します:

• 取引速度:個々の取引の確認時間を短縮
• トランザクションスループット: ネットワークの処理能力を高め、1秒あたりのトランザクション数を増やす
• コスト効率: ネットワーク混雑時の取引手数料の引き下げ

) レイヤー 2 実装戦略

レイヤー2スケーリングソリューションを可能にするいくつかのアプローチがあります:

支払いとステートチャネル

チャネルは、最終状態をベースレイヤーに記録する前に、複数のオフチェーン取引を可能にします:

• ペイメントチャネルは、当事者間の価値移転にのみ焦点を当てています。
• ステートチャネルは、スマートコントラクト操作を含む広範な相互作用をサポートします。

これらのソリューションは、参加者がネットワークに知られていることを要求し、マルチシグネチャ契約にトークンをロックするため、オープンな参加が制限されます。

プラズマフレームワーク

ジョセフ・プーンとヴィタリック・ブテリンによって開発されたプラズマは、親ブロックチェーンを反映する「チャイルドチェーン」を作成します：

• スマートコントラクトは親チェーンと子チェーンの関係を管理します
• トランザクションはメインネットの混雑を減らすためにチャイルドチェーンで発生します
• 数値ツリー構造は、取引データを整理し、検証します。

特定のユースケースには効果的ですが、Plasmaは複雑なスマートコントラクトに制限があり、引き出し待機期間が必要です。

サイドチェーンソリューション

サイドチェーンは、独自のコンセンサス機構を持つ独立したブロックチェーンとして機能し、メインチェーンとの互換性を維持します。

• 互換性のある仮想マシンを通じてレイヤー1に接続する
• 親チェーンと互換性のある契約と取引をサポート
• 自身のセキュリティパラメータとブロック要件で運営する

ロールアップ技術

ロールアップは複数のオフチェーン取引を単一のオンチェーン取引にバッチ化し、SNARKと呼ばれる暗号証明を生成します ###簡潔な非対話型知識の主張(:

ZKロールアップ:

• より速い取引処理と確認
• リソース利用の効率向上
• 仮想マシンの制限により、レイヤー間のより複雑な移行

オプティミスティックロールアップ:

• よりスムーズなレイヤー1からレイヤー2への移行のために、バーチャルマシンを活用する
• 有効性証明ではなく、詐欺防止メカニズムを実装する
• スマートコントラクトの互換性を向上させる

インターオペラビリティレイヤー：レイヤー0プロトコル

レイヤー0プロトコルは、異なるレイヤー1ブロックチェーン間のクロスチェーンコミュニケーションを促進し、以前はユーザーを特定のエコシステムに制限していた孤立問題に対処します。

Layer 1 ネットワークとは異なり、同じ Layer 0 プロトコル上に構築されたブロックチェーンは異なるものを実装できます:

• コンセンサス機構
• ブロックのパラメータと構造
• ネットワークルールとガバナンスシステム

多くのLayer 0プラットフォームは、エコシステムにアクセスする際のアンチスパム対策として、ユーザーにネイティブトークンをステークすることを要求します。

) 著名なレイヤー0の例

Cosmosは、最も認知されたLayer 0プロトコルであり、オープンソースのツールを提供しています。

• Tendermint: ブロックチェーンを構築するためのコンセンサスエンジン
• Cosmos SDK: カスタムブロックチェーンを作成するための開発ツールキット
• IBC ###インターブロックチェーンコミュニケーション(: クロスチェーン相互作用を可能にするプロトコル

Cosmosは、独立したネットワークがシームレスに通信する「ブロックチェーンのインターネット」を構築することを目指しています。Cosmos技術を使用して構築された主要なプロジェクトには、大手取引プラットフォーム、決済ソリューション、ブロックチェーンインフラストラクチャネットワークが含まれます。

アプリケーションの最前線: レイヤー3

レイヤー3は、分散型アプリケーション)dApps(、ゲーム、ストレージソリューション、その他のユーザー向けインターフェースなど、ブロックチェーンベースのサービスを可能にするアプリケーションプロトコルを表します。

しばしば「アプリケーション層」と呼ばれるレイヤー3は、ブロックチェーンを単純な取引を超えて有用にする機能を提供します：

• Layer 1処理の情報を提供します )例：スマートコントラクトの指示(
• 基盤となるブロックチェーンインフラストラクチャの実用的なユースケースを作成します
• 直感的なインターフェースを通じてエンドユーザーに直接的な価値を提供します

ほとんどのレイヤー1ブロックチェーンは、ネットワーク上で直接レイヤー3の開発をサポートしていますが、ビットコインの基本プロトコルはそのような機能を制限しています。イーサリアム、ソラナ、カルダノのような他のブロックチェーンは、ネットワークを豊かにする活発なレイヤー3エコシステムを持っています。

現代のレイヤー3アプリケーションは、ますますクロスチェーン機能を提供しており、ユーザーが異なるブロックチェーン間で資産と相互作用できるようになっています。これには、開発者がEthereumのSolidityやCardanoのHaskellのような複数のプログラミング言語で作業する必要があります)、シームレスなクロスチェーン操作を確保するために。

完全なブロックチェーンスタック

ブロックチェーンエコシステムは、相互に接続された層で構成されており、それぞれが異なる機能を果たしています:

• レイヤー0: レイヤー1プロトコル間のクロスチェーン相互運用性を可能にします (例: Cosmos)
• レイヤー1: 基盤となるブロックチェーンネットワークを形成し、トランザクションを検証および確定します (例: ビットコイン)
• レイヤー 2: オフチェーン処理を通じてレイヤー 1 ネットワークにスケーリングソリューションを提供します (例: ライトニングネットワーク)
• レイヤー 3: エンドユーザーにブロックチェーンベースのアプリケーションとサービスを提供 (例えば、分散型取引所)

一部の議論ではブロックチェーンアーキテクチャにおける「レイヤー4」を参照していますが、業界のコンセンサスはレイヤー0からレイヤー3までを数えます。これは、カウントがゼロから始まるプログラミングの慣例に従っています。

各レイヤーはブロックチェーンエコシステム内の特定の課題に対処し、セキュリティ、スケーラビリティ、分散化のバランスを取る包括的なテクノロジースタックを作成するために協力し、世界中のユーザーに実用的なアプリケーションを提供します。