イーサリアムのスケーラビリティの課題

イーサリアムのメインネットの制限

Vitalik Buterinのブロックチェーントリレンマによると、どのブロックチェーンも分散化、セキュリティ、拡張性を同時に実現することはできません。これら3つの要素の間でトレードオフを行う必要があります。イーサリアムは分散化とセキュリティに焦点を当てることを選択しました。イーサリアムは、業界内での革新と開発をリードするProof of Work（PoW）からProof of Stake（PoS）へのコンセンサスへの移行に成功しました。その結果、ビットコインに次ぐ分散化と経済的セキュリティを持つ最大のパブリックブロックチェーンエコシステムとなりました。

ただし、複数のアップグレードにもかかわらず、イーサリアムのスケーラビリティは依然として限られています。平均ブロック時間は12秒で、取引数（TPS）は約13に過ぎません。ネットワークアクティビティが急増すると、混雑が発生し、高い取引手数料が伴い、これはユーザーエクスペリエンスに深刻な影響を与えます。イーサリアムのスケーラビリティの問題は、エコシステムがより多くのアプリケーションとユーザーで成長するにつれて、より顕著になっています。これに対応して、2020年にヴィタリック・ブテリンは公式に、イーサリアムの将来のロードマップはロールアップ（つまり、レイヤー2のソリューション）に焦点を当て、メインネットのスケーラビリティの問題に対処することになるだろうと発表しました。

Layer 2の隠れた懸念

単純に言えば、Layer 2とはEthereumの計算層を指します。原則として、トランザクションの実行をオフチェーンのための計算に移し、複数のトランザクション結果を1つのトランザクションに圧縮し、それをEthereumメインネットに送信して検証および最終決済を行います。オフチェーンの計算により、Layer 2のTPSはメインネットよりも数倍高くなります。さらに、メインネットに返される単一のトランザクションは複数のトランザクションの詳細を統合するため、検証コストが多くのユーザーで共有され、トランザクションコストが削減され、よりスムーズなユーザーエクスペリエンスが提供されます。これにより、Layer 2はメインネットからの大規模なトラフィックやエコシステムの負荷を処理することができるようになりました。

L2BEATとDuneの統計によると、最新データ（11月18日現在）によれば、Layer 2の総ロックバリュー（TVL）は44億ドルに達し、合計TPSは約360です。 Ethereumのエコシステムトランザクションの90%以上がLayer 2で実施されています。

図1：レイヤー2のTVLとTPS、出典：L2BEAT

図2：Ethereumメインネットとレイヤー2トランザクションシェアの比較、出典：Dune

ただし、現在、公式にはまだ開始されていないものも含め、52のLayer 2ソリューションが存在します。Layer 2プロジェクトの数の多さが、ユーザーの分散と流動性の異なるプラットフォーム間での分散化につながっています。ユーザーや資金を獲得するために、これらのプラットフォームは多大なリソースを消費しています。また、ユーザーは異なるLayer 2ソリューション間で資産を頻繁に移動する必要があり、その過程で追加の取引コストが発生し、資産が移動中により大きなリスクにさらされることになります。

さらに、52つのLayer2ソリューションのうち、L2BEATが設定した第一段階のセキュリティ基準を満たすのはわずか6つにすぎません。これは、ほとんどのLayer2ソリューションがイーサリアムのメインネットのセキュリティを十分に継承していないことを示しており、Layer2の障害が発生した場合には、ユーザーの資金が凍結される可能性があります。

(L2BEATのレイヤー2の3フェーズセキュリティ標準:
フェーズ0：レイヤー2のソリューションは通常通りに動作します。
段階1：プロジェクトチームは一部のコントロールを放棄し、外部エンティティの一定割合が参加し、より高い分散化レベルが生まれます。ユーザーは自身の資産を引き出すかどうかを決定できます。
フェーズ2：フル分散化、誰でも参加し、許可なく退出することができる。)

これらの課題を踏まえ、Gear ProtocolはGear.exeを立ち上げました。これは、Ethereumメインネットのセキュリティを犠牲にすることなく、計算能力を1000倍以上向上させる非Layer 2ソリューションであり、それによりより高いスケーラビリティを実現しています。

Gear.exeの紹介

Gear.exeは、Gear Protocolによって開発された分散型コンピューティングネットワークであり、Gear ProtocolによってリリースされたLayer 1であるVara Network上に構築されています（後述します）。Ethereum Virtual Machine（EVM）と完全互換性があり、Gear.exeはEthereumネットワークの拡張スイートと見なすことができます。無限にスケーラブルな並列実行をサポートし、Ethereum独自のスケーラビリティの制限を補完し、低レイテンシーで低コストなトランザクション体験を提供します。重要なことは、Gear.exeはブロックチェーンではなく、独自のブロックを生成しません。代わりに、強力な計算リソースを提供するインフラストラクチャとして機能し、ユーザーと資金に対して既存のLayer 2ソリューションと競合せず、資産のさらなる分散化を回避します。

Gear.exeを統合することでもたらされる利点は次のとおりです:

• 計算性能の最大1000倍の向上
• ガス手数料の90-99%の削減
• イーサリアムメインネットのブロック時間によって制限されることを除けば、サブセカンドレイテンシーと高速トランザクションの決済
• Web2ライクなユーザーエクスペリエンス
• 最適化されたRust開発環境

Gear.exeの強力な計算リソースのおかげで、開発者は複雑で計算負荷の高いタスクをGear.exeに外部委託し、複雑な機能や高い計算要件を持つDAppsを構築することができます。使用例にはDeFi、GameFi、AI、機械学習、ゼロ知識証明、およびオラクルが含まれます。これにより取引効率が向上し、コストが削減され、さらにユーザーエクスペリエンスが最適化されます。

セキュリティに関して、Gear.exeはブロックチェーンではなく独自のコンセンサス保護がないため、Symbioticと呼ばれるリステイキングプロトコルを導入しています。再ステークされたETHを通じて、SymbioticはGear.exeに十分な経済的セキュリティを提供し、バリデータノードによる悪意のある行動を防ぎます。これにより、Gear.exeはLayer 2とは異なるオルタナティブなスケーラビリティソリューションを提供し、イーサリアムのスケーラビリティを損なうことなく分散化やセキュリティを高め、より計算集約的なユースケースを実現します。

開発履歴

Gear Protocolは、Substrateベースのスマートコントラクトプラットフォームとして2021年9月にローンチされました。アクターモデル、永続メモリ、WASMなどの複数の専用機能を備えた並列化プログラム開発を特に目的としています。Rust、Solidity、C、C++などさまざまなプログラミング言語で書かれたスマートコントラクトをサポートし、複数のブロックチェーンと互換性があり、契約の変更なしでクロスネットワーク展開が可能です。

（Substrate: 複数の専門化されたブロックチェーンの統合を容易にし、拡張性を高めるモジュラー開発フレームワーク。）

Gear Protocolは最初にPolkadotエコシステムに提供されました。当時、Polkadotのリレーチェーンはスマートコントラクトの展開をサポートしていませんでしたので、ネットワークに接続したい開発者はパラチェーンにコントラクトを展開するか、新しいブロックチェーンを作成してPolkadotに接続する必要がありました。後者の高コストのため、ほとんどの開発者はパラチェーン上でDAppを展開することを選びました。Gear Protocolはさまざまなプログラミング言語とインフラをサポートし、開発者の選択となりました。その結果、DeFi、DAO、NFT、およびその他のDAppタイプのハブとなり、Polkadotエコシステムで重要な役割を果たしています。

2023年9月、Gear Protocolは、Substrateフレームワークをベースに開発された独立したレイヤー1ネットワーク、Vara Networkを正式に開始しました。Vara Networkは、Gear Protocolのすべての技術と機能を統合し、並列化されたプロセスを採用してネットワークのパフォーマンスを大幅に向上させます。また、フォークやダウンタイムなしでアップグレードすることもでき、DAppsの開発障壁を低減することに重点を置き、堅牢なインフラを通じて長期的な持続可能性を持つブロックチェーンネットワークを作成することを目指しています。

2024年10月、Gear ProtocolはGear.exeを立ち上げ、Vara Networkの高性能な利点を活用して、DAppsの複雑な計算タスクを処理し、Ethereumのスケーラビリティの課題に取り組むことを目指しています。

チームのバックグラウンド

Gear Protocolは2021年9月にローンチされました。チームはPolkadotおよびSubstrateブロックチェーン開発フレームワークのコア開発者で構成されています。Web3の豊富な経験を持つチームは、テクノロジー、ファイナンス、開発、営業の幅広い専門知識を持っています。

Nikolay Volf（ニコライ・ヴォルフ）は、PolkadotとSubstrateに2015年から関与している共同創設者兼CEOです。ブロックチェーンインフラ会社Parity Technologiesで働いていた彼は、最初のWebAssembly（WASM）スマートコントラクトを導入しました。

共同創設者兼CFOであるIlya Veller氏は、金融業界で20年以上の経験を持っています。彼は、Bank of America、Morgan Stanley、ルネッサンスキャピタル、UniCredit、ITI Capitalなどの機関で上級販売職を務め、さまざまなプロジェクトに対して10億ドル以上を調達しました。

共同創業者兼CTOのアレクサンドル・ブゴルコフは、Lyft、New Relic、Spotifyなどの企業で革新的なテクノロジーソリューションに携わった豊富な技術経験を持っています。

資金状況

2021年12月、Gear ProtocolはBlockchange Venturesをリードとする1200万ドルの資金調達を完了しました。その他の投資家にはHashKey Capital、Lemniscap、Three Arrows Capitalが含まれています。

Gear.exeの動作方法

Gear.exeは並列化されたプログラムをサポートし、そのコア技術はいくつかの主要なコンポーネントに基づいています:

• アクターモデル

コンピュータプログラミングにおいて、「アクター」はメッセージを送受信できる基本的な計算単位です。アクターは、スマートコントラクトまたはエンドユーザーを表すことができます。アクター モデルでは、アクター間の状態は非公開に保たれ、メッセージ パッシングによってのみ変更または通信できます。これにより、各アクターのプライバシーとセキュリティが確保されます。すべてのプロセスは非同期であり、並列に実行されるため、前のタスクの結果を待たずに複数のタスクを同時に処理できます。

例えば、ステーキとサラダの両方を用意していると想像してください。通常、まずフライパンと油を加熱し、フライパンが熱くなるのを待っている間に、野菜を洗い始めることができます。フライパンが準備できたら、ステーキを調理して休ませ、そしてサラダを作るために戻ります。このプロセスは並列実行に似ており、1つのタスクが結果を待っている間に、別のタスクを処理することができるため、計算効率が大幅に向上します。

さらに、同時に複数のメッセージが到着することによる混乱を避けるために、アクターは一度に1つのリクエストの処理に制限されています。例えば、Aが同時に同じアカウントに10ドルを入金したいと要求し、Bが同時に同じアカウントから5ドルを引き出したいと要求する場合、両方のリクエストを同時に処理すると、正確な口座残高が得られない可能性があります。アクターモデルでは、リクエストが同時に入ってきても、システムはそれらを順次実行します（例えば、Aのリクエストをまず処理し、それからBのリクエストを処理する）ことで、口座残高の一貫性を保証します。

• 永続メモリ

各アクターの状態と必要なデータは、ハードドライブやデータベースのような外部共有ストレージではなく、それぞれのメモリ内に保存されています。これにより、ブロックチェーンとのやり取りのためのAPI呼び出しの必要性が大幅に減少し、データはローカルメモリから直接アクセスできるため、レイテンシが低減されます。さらに、各アクターの状態は永続化されており、スマートコントラクトが一時停止したり、システムが再起動されたとしても、アクターの状態をすぐに復元できます。

Gear Protocolはまた、プログラムによるメモリアクセス動作を追跡するメモリ仮想化技術も使用しており、必要なデータのみが読み取られて保存されるように保証しています。これにより、計算リソースの無駄を最小限に抑え、システムをより効率的にします。

• WebAssembly (WASM)

WebAssembly(WASM)は、スマートコントラクトを効率的に実行するための分離された実行環境です。さまざまなプログラミング言語をサポートしているため、開発者は使い慣れた開発ツールを使用して、スマートコントラクトをGear.exeにデプロイできます。これにより、デプロイの障壁が大幅に軽減され、開発者は新しい言語やフレームワークを学習することなく、Gear.exeのコンピューティング能力を簡単に活用できるようになります。

Gear.exeの操作プロセス

図3、Gear.exeの動作プロセス、出典：Gear Protocol

Gear.exeは、プラットフォームとの連携について、開発者に2つの主要な統合方法を提供します:

1. ネイティブ統合
   この方法では、dAppsはEthereumにリクエストを送信する必要なく、Gear.exeの操作手順を直接呼び出すことができます。これにより、システムとのリアルタイムな相互作用が可能になります。

2. イベントベースの統合
   このモデルでは、EthereumスマートコントラクトがGear.exeの操作をトリガーするイベントを発生させます。Gear.exeのバリデーターがイベントを検知すると、対応するプロセスを直ちに実行します。これにより、EthereumとGear.exeがシームレスに操作できる完全に分散化された統合が可能になります。

選択した統合方法に関係なく、運用プロセスは次の手順に従います:

ステップバイステッププロセス

1. リクエスト受諾
   リクエストを受け取ると、Gear.exeの検証ノードはGear環境内でdAppの展開されたプログラムを実行します。その後、ノードは最終的な計算結果に署名してその妥当性を保証します。

2. 再ステーキングによる経済的セキュリティ
   ノードからの悪意のある行動を防ぐために、Gear.exeの経済的なセキュリティは共生再ステーキングプロトコルによって保護されています。さらに、Vara Networkのネイティブトークン（VARA）のステーキング参加者もセキュリティに貢献しています。不正行為を抑止するための罰則メカニズムも存在しています。

3. 事前確認
   Gear.exeがリクエストの処理を開始すると、事前確認をユーザーに送信します。この事前確認は、送信者、受信者、ハッシュ値、取引手数料などの取引の詳細を含むレシートとして機能します。これにより、取引が処理され、最終的にEthereum上で確定されることをユーザーに保証します。事前確認は、取引データがまだ処理中であり、Ethereum上での最終決済には時間がかかるため、重要です。Gear.exeは事前確認を提供することで、dAppsが取引の最終決済を待つ必要なく、より迅速なユーザーエクスペリエンスを提供できます。

4. 結果の集計とアップロード
   約8秒ごとに、シーケンサーはすべての計算結果（これには複数のdAppsからのトランザクションが含まれる場合があります）と最新の状態ルートを収集します。これらの結果は、それからパックされてGear.exeのスマートコントラクトにEthereum上でアップロードされます。

5. dAppsのスマートコントラクトの更新
   最終的な取引結果は、それぞれのdAppsのスマートコントラクトに送信され、最新のデータで状態ルートが更新されます。

Gear.exeのアーキテクチャの主な特徴

• Web3開発者のための柔軟性:
  Gear.exeのアーキテクチャと統合メソッドは、Web3開発者により大きな柔軟性を提供し、ユースケースに応じてネイティブおよびイベント駆動型の統合を選択できるようにします。

• パフォーマンスとスピード：
  プリ確認を提供し、取引をオフチェーンで処理することにより、Gear.exeは、ユーザーがイーサリアム上で取引が完了するのを待つことなく、プラットフォームと直接やり取りできるため、dAppsがより迅速かつスムーズなユーザーエクスペリエンスを提供できます。

• セキュリティと検証:
  リステーキング、バリデータノード、ペナルティメカニズムの組み合わせにより、システムの安全性を確保し、悪意のあるアクションを阻止します。最終的な決済をイーサリアムのメインネットに依存することで、イーサリアムのコンセンサスが取引の正当性の最終決定者となるため、セキュリティがさらに強化されます。

高性能、高速トランザクション、堅牢なセキュリティ機能を組み合わせたこのアプローチは、オフチェーンコンピューティングとイーサリアムをスケーラブルかつ効率的な方法で統合しようとするWeb3開発者にとって、Gear.exeを貴重なツールとして位置付けています。

Gear.exeとLayer 2の比較

Gear.exeとさまざまなレイヤー2ソリューションの両方は、イーサリアムのスケーラビリティを向上させ、より多くのユーザーやアプリケーションを収容できるようにすることを目指しています。しかし、これら2つのアプローチの実装方法には重要な違いがあります。この比較では、セキュリティとパフォーマンスの2つの重要な側面に焦点を当てます。

セキュリティ

Gear.exeとLayer 2ソリューションの両方は、イーサリアムの計算タスクをオフチェーンに移動し、その後取引をメインネットに再パッケージ化します。つまり、取引処理のかなりの部分がオフチェーンで行われるため、オフチェーン計算中の取引データのセキュリティと一貫性を確保し、ノードによる悪意のある変更を防ぐことが非常に重要になります。

• Layer 2（例：Arbitrum）：ArbitrumなどのLayer 2ソリューションでは、計算プロセスは独自のネットワークコンセンサスによって保護されます。取引は中央集権的なシーケンサーによって順序付けされ、その後メインネットにアップロードされて決済されます。Arbitrumは7日間のチャレンジ期間を持つ楽観的なプルーフメカニズムを使用しています。システムはすべてのアップロードされた取引データが正しいと仮定しますが、誰もが取引に対してチャレンジするためのウィンドウを提供します。チャレンジが発生した場合、Ethereumのバリデータが取引の妥当性を確認する責任があります。この設計により、Arbitrumのネットワークノードが悪意を持っていたとしても、Ethereumが最終防衛線として機能することが保証されます。
• Gear.exe:Gear.exe独自のネットワークコンセンサスを欠いており、代わりに、再ステーキングされたETHを使用して経済的安全保障を提供するSymbioticに依存しています。トランザクションは、まず中央集権的なシーケンサーによって順序付けられ、次にイーサリアムメインネットに送信されます。しかし、Gear.exeの現在のドキュメントでは、イーサリアムにアップロードされたデータが正しいことを確認するために、楽観的証明やゼロ知識証明(ZKP)などのメカニズムを採用しているかどうかは明記されていません。したがって、Gear.exeのセキュリティは、Symbioticの再ステーキングプロトコルに大きく依存しています。再ステーキングメカニズムはスマートコントラクトを介してイーサリアムのセキュリティを活用し、潜在的なシステミックリスクをもたらすため、この再ステーキングモデルによって提供されるセキュリティがイーサリアムのネイティブコンセンサスと完全に一致するかどうかは不明のままです。

さらに、Gear.exeとレイヤー2はどちらも、ネットワークのコンセンサスに依存するのではなく、集中型のシーケンサーを使用してトランザクションを注文します。これにより、ネットワークが高速化されると同時に、シーケンサーとプロジェクトチームにかなりのパワーが与えられます。極端なケースでは、プロジェクトチームが自分たちに有利なように取引順序を操作し、自分たちの利益を損なう取引を拒否する可能性があります。ArbitrumやOptimismなどのレイヤー2ソリューションは、エスケープメカニズムを提供し、ユーザーがシーケンサーをバイパスしてメインネットに直接トランザクションを送信できるようにします。しかし、Gear.exeにはそのようなデザインはありません。

セキュリティに関する結論:
Layer2ソリューションと比較すると、Gear.exeのセキュリティはシンバイオティックに大きく依存しており、Layer2ソリューションで見つかる極端なケースに対するいくつかの対策が欠けています。セキュリティの面では、まだ十分に成熟し、よく構築されているとは言えません。ただし、Gear.exeは将来のホワイトペーパーでセキュリティモデルを明確にするための詳細情報を提供するかもしれません。

パフォーマンス

パフォーマンスの観点から、Gear.exe とレイヤー 2 は、トランザクション処理中に事前確認情報をユーザーに返し、システムがトランザクションを受け入れ、処理することを示します。これにより、ユーザーは迅速に初期トランザクション結果を受け取り、イーサリアムがブロックを最終化するのを待たずに他の操作を続けることができます。これにより、トランザクション速度と効率が大幅に向上します。さらに、Gear.exe とレイヤー 2 は、集中的なシーケンサーを使用してトランザクションを順序付けるため、合意形成にかかる時間を節約し、複数のトランザクションを 1 つに圧縮します。これにより、ガス料金が削減され、イーサリアムのブロックがより多くのトランザクションを収容することができます。

• レイヤー2：
  ArbitrumなどのLayer 2ソリューションは、計算をオフロードすることで、Ethereumのベースレイヤーよりも高いパフォーマンスを提供します。しかし、Layer 2にはスケーラビリティに関していくつかの制限があり、一般的には指数関数的な利益ではなく、線形トランザクションスループットの改善をサポートしています。

• Gear.exe:
  Gear.exeは、アクターモデル、永続的なメモリ、およびWebAssembly（WASM）などの高度な技術を統合して、タスクの並列実行をサポートしています。これにより、計算効率とリソースの使用効率がさらに最適化されます。プロセスの並列化により、Layer 2のソリューションよりも大幅に高いネットワークパフォーマンスを提供する可能性があります。Gear.exeは、イーサリアムのベースレイヤーの計算能力を1000倍にできると主張していますが、この主張が検証可能かどうかは、将来のパフォーマンスデータとテストに依存します。

パフォーマンスに関する結論：
Layer 2のソリューションはすでにEthereumに比べて大幅なパフォーマンスの向上を提供していますが、Gear.exeは並列実行のサポートによりさらなるネットワークパフォーマンスの向上を提供することができます。ただし、主張されている1000倍の改善を実現できるかどうかは、データと実世界のテストによって検証される必要があります。

見通しと課題

Gear.exeは、既存のレイヤー2インフラストラクチャを活用し、新しいブロックチェーンではなくEthereumの拡張モジュールとして位置付けることで、並列実行によるパフォーマンスを向上させます。Gear.exeは、他のチェーンのDApps向けの計算サービスを提供することに特化し、複数のレイヤー2ソリューションによって引き起こされる資産の断片化の問題を回避します。将来的には、Gear.exeが一部のレイヤー2ソリューションを置き換える可能性があり、Ethereumのエコシステムを統合することができます。また、高性能の機能を備えたGear.exeは、Solana、Sei、Sui、Aptosなどのパフォーマンス指向の他のパブリックチェーンに対して、Ethereumをより競争力のあるものにします。

ただし、Gear.exeの運用性能と安定性が実際に主張されているものに本当に適合するかどうかはまだ見定められていません。さらに、セキュリティの観点から、Gear.exeはSymbioticsのみによって保護されており、既存のレイヤー2ソリューションが提供する多くの関連する対策が不足しています。特に、より成熟したセキュリティ機能と比較した場合、設計上のリスクが考慮される必要があります。セキュリティは開発者やユーザーにとってより優先される傾向があります。特に、大規模な中央集権型取引所を含む多くの事件でハッカーによって資産が盗まれた事例を考慮すると、Gear.exeが完全にコード駆動型のオンチェーンプロトコルであることから、そのセキュリティは特にダウンタイムなどの状況を処理する際に堅牢かつ信頼性があることが証明される必要があります。これは、Gear.exeがさらなる市場の信頼を得るために改善し強化する必要がある領域です。

結論

ブロックチェーン技術とモジュラーブロックチェーンの台頭により、レイヤー2を作成する障壁はますます低くなり、多くのプラットフォームが「ワンクリックチェーン作成」機能を提供しています。その結果、レイヤー2ソリューションの数は過剰に拡大し、Ethereumの開発者やユーザーはどれを選択すべきかについて不確実な状況となっています。各レイヤー2にはそのエコシステムを作成する必要がありますが、これは他のパブリックチェーンが既に経験したものを単に複製しているに過ぎず、ある意味で新しい技術のイノベーションを妨げることにつながります。

Gear.exeは、Layer 2よりも高いパフォーマンスのDAppsソリューションを提供し、既存のユーザーや資金の移行の必要性を排除します。セキュリティのための再ステーキングを使用することで、イーサリアムのスケーラビリティの課題に対するユニークな代替手段を提供します。このソリューションはまだ広く採用されていないため、市場の検証を経る必要がありますが、間違いなくイーサリアムに新たな可能性をもたらします。Gear.exeはイーサリアムのスケーリングにより適したソリューションを提供し、その将来の開発は継続的な注目に値します。