仮想通貨の世界では、ブロックチェーン技術の「レイヤー1」と「レイヤー2」が重要な役割を果たしています。
特にレイヤー1は、ネットワーク全体の土台を形成し、トランザクションの検証やセキュリティの維持を担当しています。
一方で、レイヤー2はスケーラビリティの課題を解決するために設計された追加の層で、取引の効率化を図ります。
この記事では、これらのレイヤーがどのように機能し、それぞれが抱える課題と未来の展望について詳しく解説します。
仮想通貨の深い仕組みを理解し、最新の技術動向を把握するための一助となるでしょう。
仮想通貨のレイヤー1とは？
- レイヤー1の特徴と仕組み
- 課題はスケーラビリティ問題
- スケーラビリティのトリレンマとは？
レイヤー1の特徴と仕組み
レイヤー1とは、ブロックチェーン技術の最も基本的な層であり、ネットワーク全体の土台を形成しています。
この層には、ビットコインやイーサリアムなど、主要な暗号資産プロジェクトのブロックチェーンが含まれています。
レイヤー1は、ネットワーク全体の取引処理や合意形成の仕組みを担っており、その上にレイヤー2などの追加的な階層が構築されています。
レイヤー1の主な役割は、トランザクションの検証とブロック生成、そしてネットワークのセキュリティの維持です。
具体的には、トランザクションの検証を行い、新たな取引をブロックにまとめて、ブロックチェーンに追加します。
これにより、ネットワーク全体が一貫性を保ち、正確な取引履歴を確保することができます。
例えば、ビットコインのレイヤー1では、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）というコンセンサスメカニズムが用いられています。
この仕組みでは、マイナーが計算リソースを使って取引を検証し、新しいブロックを生成します。
これにより、取引の承認とブロックチェーンのセキュリティが確保されます。
イーサリアムは、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）を採用しており、エネルギー効率の良い方法で取引を承認しています。
このように、レイヤー1はそれぞれのプロジェクトが独自のコンセンサスメカニズムを採用し、自分たちのルールでネットワークを運営するための基盤を提供しています。
レイヤー1のブロックチェーンネットワークは、分散型のノードによって構成されています。
これにより、中央集権的なサーバーに依存せずに取引の検証やブロックの生成が行われ、ネットワーク全体の信頼性が高まります。
しかし、レイヤー1にはいくつかの課題が指摘されています。
レイヤー1の課題はスケーラビリティ問題
レイヤー1の最大の課題はスケーラビリティです。
スケーラビリティとは、ネットワークがどれだけ多くのトランザクションを処理できるかという能力を指します。
例えば、ビットコインはトランザクションの処理速度が遅く、手数料が高くなることがあります。これは、ネットワークのトランザクション処理能力が限られているためです。
イーサリアムも同様に、スマートコントラクトの実行によるトランザクションの増加がネットワークの混雑を引き起こし、処理速度や手数料に影響を与えています。
これらの問題を解決するためには、技術的な改善が必要です。
スケーラビリティのトリレンマとは？
スケーラビリティのトリレンマとは、ブロックチェーン技術において「セキュリティ」「分散性」「スケーラビリティ」という3つの重要な要素を同時に達成することが難しいという問題です。
この言葉は、イーサリアムの共同創設者であるヴィタリック・ブテリン氏によって広まりました。
セキュリティはブロックチェーンが外部からの攻撃や不正な操作に対してどれだけ強いかを示し、分散性は中央の管理者によってコントロールされず、多くの参加者によって運営される状態を指します。
スケーラビリティはネットワークがどれだけ多くの取引を短時間で処理できるかを表します。
しかし、これら3つの要素のうち2つを強化すると、残りの1つが弱くなるというジレンマが存在します。
例えば、ビットコインはセキュリティと分散性を重視しているため、スケーラビリティが犠牲になっており、多くの取引を短時間で処理することが難しいです。
この問題を解決するために、レイヤー2の技術が開発されました。
レイヤー2とは？特徴と仕組み
レイヤー2は、レイヤー1のブロックチェーンネットワークにおけるスケーラビリティ問題を解決するために開発された技術です。
レイヤー2は、別名「セカンドチェーン」とも呼ばれ、レイヤー1の基盤に追加された階層で、ネットワークの性能を向上させる役割を担っています。
これは、ネットワークのスループットを改善し、取引処理を効率化することを目的としています。
具体的には、レイヤー1のブロックチェーンは、そのままでは取引処理能力に限界があります。
取引が増えると、処理が遅くなり、手数料が高くなることがあります。
これに対して、レイヤー2の技術は、トランザクションやスマートコントラクトの一部の処理をレイヤー1とは別の層で行うことにより、スケーラビリティの問題を解決します。
レイヤー2では、より軽量で迅速な処理が可能になり、レイヤー1のブロックチェーンが過負荷になるのを防ぐことができます。
レイヤー2には、主に「オフチェーン」と「オンチェーン」の二つのタイプがあります。
オフチェーンとは？
オフチェーンでは、ブロックチェーンの外部で取引を処理します。
具体的には、取引データの最初と最後のみがブロックチェーンに記録され、中間の処理はオフチェーンで行われます。
これにより、メインネットワークの負担を軽減し、取引処理の速度を大幅に向上させることができます。
例えば、ライトニングネットワークやレイデンネットワークはオフチェーンの代表的な技術で、特にビットコインやイーサリアムのスケーラビリティ問題を緩和するために設計されています。
オンチェーンとは？
オンチェーンのレイヤー2は、ブロックチェーン上で追加の処理を行います。
これにより、全てのデータがブロックチェーンに記録されるため、高いセキュリティと透明性が保たれます。
例えば、Plasma（プラズマ）はオンチェーンのレイヤー2ソリューションで、トランザクションのバッチ処理を可能にし、メインチェーンの負担を軽減することができます。
このように、レイヤー2の技術は、レイヤー1のブロックチェーンに追加することで、ネットワークのスケーラビリティを大幅に改善し、取引処理能力を向上させるために重要な役割を果たしています。
レイヤー2の代表例
ライトニングネットワーク：オフチェーン
ライトニングネットワークは、ビットコインのスケーラビリティを改善するために設計されたレイヤー2ソリューションであり、セカンドレイヤーの技術の中でも最もポピュラーなものです。
このネットワークは、オフチェーンでの取引処理を行い、ビットコインのトランザクション速度を大幅に向上させることを目指しています。
具体的には、ライトニングネットワークは「双方向ペイメントチャネル」と呼ばれる仕組みを利用しています。
このチャネルは、取引相手同士が直接的に資産を管理するため、ブロックチェーンに記録する必要がなくなります。
二者間で開設される双方向ペイメントチャネルを通じて、オフチェーンで取引を行い、取引結果のみをメインネットワークに記録します。
これにより、トランザクションの処理速度が劇的に向上し、手数料が大幅に削減されるのです。
さらに、ライトニングネットワークは複数のペイメントチャネルを経由して取引を行うため、異なるチャネルが繋がっていない場合でも、取引が迅速に行われることができます。
たとえば、AさんとBさんが直接的な取引を行う場合、CさんやDさんなどの中間者を経由することで、AさんとBさんが直接的に接続していなくても、スムーズに取引が完了します。
また、ライトニングネットワークでは、取引相手同士が秘密鍵を管理し、暗号資産が第三者に預けられることはありません。
この仕組みにより、取引の安全性が高まり、第三者によるリスクが排除されます。
このため、ライトニングネットワークは少額決済（マイクロペイメント）に非常に適しており、特に日常的な小額取引の処理においてそのメリットを発揮します。
ライデンネットワーク：オフチェーン
ライデンネットワークは、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するために開発されたレイヤー2ソリューションです。
この技術は、イーサリアム（ETH）やその上に構築されたERC20トークンを高速かつ安価に取引するために設計されています。
ライトニングネットワークと似たアプローチを採用しながらも、イーサリアムの特性に合わせた独自の仕組みを持っています。
ライデンネットワークの核心には「ステート・チャネル」という仕組みがあります。
ステート・チャネルとは、ノード（ネットワーク参加者）間で直接的に暗号資産のやり取りを行うための技術です。
この仕組みにより、取引がオフチェーン（ブロックチェーンの外部）で行われるため、トランザクションが迅速に処理され、取引手数料も低く抑えられます。
ステート・チャネルは、決済だけでなく、「頻繁に状態が変わる取引」においても高い効果を発揮します。
たとえば、定期的な手数料の支払いが必要なサービスや、将棋やチェスなど、ゲーム内で頻繁に状態が変わるような状況において、ステート・チャネルは非常に便利です。
さらに、ライデンネットワークでは、オフチェーンで行われる取引の内容が公開されないため、プライバシーの保護が強化されます。
これは、取引内容が第三者に知られることなく、取引の秘密が守られることを意味します。
特に、個人情報や取引内容が敏感な場合には、プライバシー保護の面で大きなメリットがあります。
ライデンネットワークは、ライトニングネットワークと同様に少額決済（マイクロペイメント）において非常に有用です。
しかし、いくつかのデメリットも存在します。
たとえば、あらかじめデポジットされた額での送付を行うため、大量の送付には不向きです。
また、ライデンネットワークではスマートコントラクトの実行ができないため、より複雑な条件や契約が必要な取引には対応できません。
ライデンネットワークの大きな特徴として、独自のインフラを持ちながらも、イーサリアムのエコシステムにしっかりと統合されている点が挙げられます。
これにより、既存のイーサリアムネットワークとの互換性を維持しながら、取引のスピードとコストを大幅に改善することができるのです。
Plasma：オンチェーン
Plasmaは、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するために設計されたオンチェーン型のセカンドレイヤーソリューションです。
この技術は、イーサリアムの共同創業者であるヴィタリック・ブテリン氏と、ライトニングネットワークを考案したジョセフ・プーン氏によって開発されました。
Plasmaは特に、イーサリアムのスマートコントラクト機能を活用しながら、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させることを目的としています。
Plasmaの基本的な考え方は、メインのブロックチェーン（「親チェーン」）に繋げることができる「子チェーン」を作成し、その子チェーン上でトランザクションを処理することです。
この子チェーンやさらにその子チェーン（「孫チェーン」）に取引やスマートコントラクトの処理を行わせることで、親チェーンへの負荷を軽減し、ネットワークのスケーラビリティを向上させる仕組みです。
具体的には、取引データの最初と最後だけが親チェーンに記録されるため、トランザクションの処理速度が向上し、手数料の削減も実現できます。
Plasmaのオンチェーン型という特徴は、ブロックチェーン上で処理を行うことにあります。
これにより、Plasmaはスマートコントラクトの実行が可能となり、より複雑なロジックや取引が可能になります。
従来のオフチェーン型ソリューション（ライトニングネットワークやライデンネットワークなど）とは異なり、Plasmaはブロックチェーンの内部で処理を完結させるため、データの透明性とセキュリティが強化されます。
Plasmaの利点は、スケーラビリティを大幅に改善できる点です。
たとえば、イーサリアムのネットワークが混雑している時でも、Plasmaを使用することで取引のスピードが向上し、手数料が低く抑えられます。
これは特に、分散型金融（DeFi）や複雑なスマートコントラクトが求められる場面で大きな効果を発揮します。
ただし、Plasmaにはいくつかの課題もあります。
子チェーンや孫チェーンの管理が複雑であり、全体のデータの整合性を保つための技術的な工夫が必要です。
また、全ての取引が親チェーンに記録されるため、大量の取引が集中すると、親チェーンに対する負荷が依然として問題になる可能性もあります。
それでも、Plasmaはそのスケーラビリティ向上のポテンシャルにより、イーサリアムの未来において重要な役割を果たすと期待されています。
レイヤー2の課題
- 透明性が低くなる
- セキュリティの脆弱性
- 利便性が悪化する可能性
透明性が低くなる
レイヤー2技術には透明性の低下が指摘されています。
レイヤー1のパブリックブロックチェーンでは、すべての取引が公開され、誰でも取引履歴を確認することができます。
これにより、取引の透明性が保たれ、ネットワークの信頼性が確保されています。
一方で、レイヤー2のアプローチでは、取引の処理をオフチェーンで行い、最終的な取引結果のみをレイヤー1のブロックチェーンに記録します。
つまり、取引中の詳細な記録や進行状況はブロックチェーンに保存されず、外部からは見ることができません。
このため、取引の透明性が低くなり、取引の詳細を検証することが難しくなります。
もしレイヤー2で不正な取引が発生した場合、その取引はレイヤー1のネットワークには表示されないため、検知が困難です。
さらに、レイヤー2の運営者や参加者がデータを改ざんしたり、取引内容を隠蔽したりするリスクも存在します。
このため、取引記録の信頼性や安全性が低下し、特に金融取引や重要な契約取引において問題が生じる可能性があります。
セキュリティの脆弱性
レイヤー2技術には、セキュリティ面での脆弱性も指摘されています。
レイヤー2の技術は、メインのブロックチェーンの上に構築される追加の層であるため、そのセキュリティはレイヤー1のネットワークとは異なるチャレンジに直面しています。
例えば、ライトニングネットワークというレイヤー2ソリューションでは、大量の攻撃が可能であることが研究によって示されています。
イリノイ大学の研究者による論文では、ライトニングネットワークが混雑を引き起こし、ネットワークに損害を与える可能性が指摘されています。
これにより、取引の安全性やネットワークの安定性が脅かされるリスクがあります。
レイヤー2技術は、オフチェーンでの取引処理やスマートコントラクトの実行を通じて、スケーラビリティを向上させるものの、セキュリティの観点からは慎重な設計と管理が求められます。
例えば、取引の途中での攻撃やデータの不正な改ざん、偽造のリスクが存在し、これらを防ぐための対策が必要です。
セキュリティ対策を講じることで、レイヤー2技術の安全性を確保し、信頼性の高い取引を提供することが求められます。
利便性が悪化する可能性
レイヤー2の技術には、利用者の利便性が悪化する可能性があります。
レイヤー2では、取引の処理をオフチェーンで行うことによって、取引速度や手数料を改善することができますが、これが逆に使い勝手に影響を与えることがあります。
具体的には、レイヤー2のソリューションによって、ユーザーは異なるレイヤー2ネットワークやチャネル間での取引を行う際に、複雑な操作や追加の手順を要求されることがあります。
これにより、取引がスムーズに行えなくなったり、ユーザー体験が低下する可能性があります。
また、レイヤー2の技術によって提供されるセキュリティやスケーラビリティの利点が、特定の状況下では逆に利便性を犠牲にすることがあります。
例えば、ライトニングネットワークやライデンネットワークでは、事前に一定額のデポジットを行う必要があり、大量の取引や高額の送付には不向きです。
さらに、これらの技術ではスマートコントラクトの実行が制限されることがあるため、取引の柔軟性や機能性に制約が生じる可能性もあります。
これらの課題を克服するためには、技術の進化やユーザーのニーズに応じた改善が求められます。
今後期待されるスケーラビリティ問題の解決技術
シャーディング
シャーディングは、ブロックチェーンのスケーラビリティを改善するための革新的な技術です。
この方法では、ブロックチェーンネットワークを複数の「シャード」と呼ばれる小さな部分に分割し、それぞれのシャードが独立してトランザクションを処理します。
この技術によって、ネットワーク全体の処理能力を大幅に向上させることができます。
具体的には、イーサリアムのシャーディングでは、全体のブロックチェーンを「シャードチェーン」として分割し、各シャードチェーンが異なるトランザクションやデータを並行して処理します。
この分割により、ネットワークの負荷が分散され、全体のトランザクション処理速度が向上します。
たとえば、イーサリアムでは初期段階で64個のシャードチェーンを並行して稼働させる計画があり、それぞれのシャードが独自にトランザクションの検証とブロック生成を行います。
この方法の利点は、ネットワーク全体の処理能力を高めることにあります。
シャーディングによって、各シャードでの処理が独立して行われるため、全体の処理速度が大幅に向上し、多くのトランザクションを迅速に処理することが可能になります。
しかし、シャーディングには実装の難しさやセキュリティの懸念もあります。
特に、シャード間のデータ整合性を保つことが重要です。
イーサリアムは、シャーディングの導入によってスケーラビリティ問題の解決を目指していますが、この技術の全面的な実装には時間とリソースが必要です。
将来的にはさらに多くのシャードが追加される予定で、より高いスケーラビリティが期待されています。
ロールアップ
ロールアップは、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させるための別の有力な技術です。
ロールアップでは、トランザクションデータを「ロールアップ」と呼ばれる圧縮形式でまとめ、メインのブロックチェーンに送信します。
この方法により、データの処理負荷を大幅に軽減し、スループットを向上させることができます。
具体的には、ロールアップは二つの主要なタイプに分かれます。
ひとつは「プラズマロールアップ」で、プラズマチェーンを利用してデータを圧縮し、最終的な取引結果のみをメインチェーンに記録します。
もうひとつは「ゼロ知識ロールアップ（zk-rollup）」で、トランザクションデータとその検証結果を一緒にまとめてメインチェーンに送信します。
この方法では、トランザクションの検証を効率的に行うことができるため、より高いスケーラビリティが実現します。
ロールアップの主な利点は、トランザクション処理の速度とコストの削減にあります。
圧縮されたデータをメインのブロックチェーンに送信するため、全体のデータ量が減少し、トランザクションの処理速度が向上します。
さらに、メインチェーンの負担が軽減されるため、手数料の低下も期待できます。
この技術は、特にスマートコントラクトや高頻度のトランザクションが必要とされるシナリオにおいて有用です。
ロールアップによって、スケーラビリティの問題が解決され、より多くのトランザクションを処理することが可能になります。
しかし、ロールアップの実装にも技術的なチャレンジがあり、特にデータの圧縮と検証に関する問題が解決される必要があります。
レイヤー2が必要ないブロックチェーンもある
ポルカドット(Polkadot)
ポルカドット（Polkadot）は、異なるブロックチェーン間の相互運用性を強化することを目的としたプラットフォームで、レイヤー2の必要性を大幅に減少させる設計がなされています。
ポルカドットのユニークな特徴は、そのネットワーク構造にあります。
ポルカドットは、メインチェーンである「リレーチェーン」と、それに接続される「パラチェーン」と呼ばれるサブチェーンで構成されています。
リレーチェーンは、ネットワーク全体のセキュリティと共通の合意形成を管理し、パラチェーンはそれぞれ独立した用途やデータ処理を行います。
各パラチェーンは、リレーチェーンによって保護され、データを共有しながら独立して動作します。
このアーキテクチャにより、ポルカドットはシャーディングやパラレル処理を実現し、スケーラビリティを向上させています。
リレーチェーンとパラチェーンが連携することで、全体のネットワークの処理能力が高まり、個別のパラチェーンが自分の処理能力を最大限に発揮できるのです。
この構造により、ポルカドットはレイヤー2のソリューションを追加する必要がなく、スケーラビリティと相互運用性を効率的に実現しています。
メインチェーンとサブチェーンが協力して動作するため、トランザクションの処理速度が向上し、コストも抑えられます。
ポルカドットの設計は、ブロックチェーンの拡張性と機能性を高めるための有力な手段となっています。
ソラナ(Solana)
ソラナ（Solana）は、高速なトランザクション処理と低い取引手数料を実現することを目的としたブロックチェーンです。
特に秒間5万回以上のトランザクションを処理できる能力と、その高速性が特徴です。
ソラナの設計は、レイヤー1のみで高いパフォーマンスを発揮できるように最適化されています。
ソラナの成功の鍵は、独自の合意形成システム「プルーフ・オブ・ヒストリー（PoH）」にあります。
PoHは、トランザクションのタイムスタンプを高速かつ正確に生成することで、トランザクションの検証プロセスを効率化します。
このシステムにより、ソラナは高いスループットを維持しながら、低い取引手数料を実現しています。
これにより、ネットワーク全体の負担を軽減し、トランザクション処理がスムーズに行われるのです。
ソラナは、レイヤー1での処理能力を最大限に引き出すための設計が施されており、その結果、レイヤー2のソリューションが不要になります。
高速なトランザクション処理と低コストの実現により、ソラナはスケーラビリティとパフォーマンスの両面で優れた結果を出しており、イーサリアムと競合する強力な選択肢となっています。
このアーキテクチャにより、複数のパラチェーンが同時に処理を行い、スケーラビリティを向上させています。
レイヤー１，２のまとめと今後の展望
ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させるためには、レイヤー1とレイヤー2の各技術の理解が不可欠です。
レイヤー1は、ブロックチェーンネットワークの基盤として機能し、全ての取引を直接記録します。
これに対して、レイヤー2は、レイヤー1の上に構築され、取引の処理を効率化し、スケーラビリティの問題を解決するための技術です。
レイヤー1は、例えばビットコインやイーサリアムのメインチェーンが該当します。
これらのネットワークでは、全ての取引がブロックチェーンに直接記録され、セキュリティと分散性が強化されていますが、スケーラビリティには限界があります。
トランザクション処理能力に制限があり、多くのユーザーが同時に取引を行うと、取引の遅延や手数料の高騰が発生します。
レイヤー2の技術は、この問題に対処するために開発されました。
代表的なものには、ライトニングネットワークやライデンネットワーク、Plasmaなどがあります。
これらの技術は、オフチェーンで取引を処理し、その結果のみをメインチェーンに記録することで、処理速度を向上させ、手数料を削減します。
これにより、トランザクションのスループットを増加させ、ユーザーの体験を改善することができます。
ただし、レイヤー2の技術には、取引の透明性が低くなる問題や、セキュリティ上のリスクが伴います。
今後の展望としては、これらの課題を克服するための技術的な進展が期待されています。
例えば、シャーディングやロールアップといった新しいアプローチが注目されています。
シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャードに分割し、それぞれのシャードで並列処理を行うことで、全体の処理能力を向上させる方法です。
一方、ロールアップは、トランザクションデータを圧縮し、メインチェーンに少量のデータだけを記録する技術で、スケーラビリティを大幅に改善することができます。
また、ポルカドットやソラナなどのブロックチェーンは、レイヤー2のソリューションを必要とせず、内蔵されたスケーラビリティ機能で高い性能を発揮しています。
ポルカドットは、メインチェーンとサブチェーンの連携によってスケーラビリティを実現し、ソラナは独自の合意形成システムによってトランザクション処理の効率を高めています。
今後は、これらの技術がさらに進化し、より多くのブロックチェーンネットワークで採用されることで、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題が解決され、より多くのユーザーにとって使いやすく、信頼性の高いプラットフォームが提供されることが期待されます。
