概要
ブロックチェーンのスケーラビリティの低さは、速度の低下、トランザクション手数料の高騰、ユーザーエクスペリエンスへの影響につながります。これらの問題は、レイヤー1（シャーディングなど）やレイヤー2（ロールアップなど）ソリューションによって解決され得ます。
レイヤー1ソリューションはブロックチェーン自体のアップグレードを目的とし、レイヤー2ソリューションは既存のレイヤー1チェーンの上に別のフレームワークを作成するものです。
ロールアップは、レイヤー2ソリューションとして認知度の高いソリューションです。トランザクションをオフチェーンでまとめ（ロールアップし）、処理速度を向上させるものです。
ZKロールアップは、ゼロ知識（Zero-Knowledge、すなわち「ZK」）証明と呼ばれる暗号技術を使用するロールアップ実装の一種です。
ゼロ知識証明により、基礎データを明らかにすることなく検証でき、トランザクションのプライバシーとセキュリティを確保できます。
ブロックチェーンのスケーラビリティをめぐる競争
暗号資産がより普及していくにつれ、ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティ問題の解決が急務となっています。ブロックチェーンが混雑すると、通信速度が遅くなり、トランザクション手数料が高くなります。この問題の解決のため、レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの2つの主要なフレームワークがあります。
レイヤー1ソリューション：このソリューションは、ブロックチェーンの基礎構造を改良することで、システム全体のスループットを向上します。その最たる例が、シャーディングです。ブロックチェーンを個別セクターに分割し、システム容量を増加させ、トランザクションを平行処理します。
レイヤー2ソリューション：このソリューションは、ベースとなるブロックチェーン（レイヤー１）の上で付加的に動作します。レイヤー2では、トランザクションはオフチェーンで処理され、一括してベースチェーンにコミットされます。主な技術には、ステートチャンネル、サイドチェーン、ロールアップなどがあります。ZKロールアップは、ゼロ知識証明を利用したロールアップの一種です。
ZKロールアップとは
ZKロールアップを理解するには、ロールアップとゼロ知識証明を理解する必要があります。
ロールアップとは
ロールアップにより、ブロックチェーンはトランザクションデータをまとめて（ロールアップして）オフチェーンで処理できます。処理が完了すると、最終結果はベースチェーン（レイヤー1）に正式にコミットされます。多くのトランザクションを平行処理することで、ブロックチェーンが巨大化する可能性を排除し、より高速で安価な演算処理を実現します。ロールアップは、オプティミスティックとZKロールアップの2つの種類に分けられます。
オプティミスティック・ロールアップ：オプティミスティック・ロールアップは、ロールアップされたトランザクションはすべて正当であるという「楽観的」前提で運用されます。これらのトランザクションでは、ブロックチェーンにコミットされる前に待機期間が設けられます。この待機期間中、ネットワークは疑わしい取引に異議を申し立てます。オプティミスティック・ロールアップを採用するネットワークの例としてOptimism、Arbitrum、opBNBが挙げられます。
ZKロールアップ：オプティミスティック・ロールアップとは異なり、ZK（ゼロ知識）ロールアップではゼロ知識ベースの検証によりすべてのトランザクションを検証します。実装はより複雑になるものの、ZKロールアップはオプティミスティック・ロールアップで採用される異議申し立て解決の待機期間は存在せず、理論的にはより高速でトランザクションが処理されます。
それでは、ゼロ知識証明について見てみましょう。
ゼロ知識証明とは
ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proofの頭文字を取って、「ZKP」）とは、ある当事者（証明者）が他の当事者（検証者）に対し、ある記述が真実であることを、その記述に関する複雑な詳細を開示することなく証明できる暗号ツールです。
ZKPには、3つの要素が備わっています：
完全性：記述が真実で、両当事者が真正であれば、証明はで常にその真実性が確証されます。
健全性：よほどのことがない限り、不正な証明者が誠実な検証者に虚偽の記述の妥当性を確信させることはできません。
ゼロ知識性：最大の特徴となるもので、検証者はこの処理の最後に、記述の内容そのものを知り得ることなく、その記述の妥当性だけを確認することになります。
ZKPの具体的な仕組みは、次の3つの段階に分けられます。
ウィットネス：最初の段階で、証明者は検証者に秘密の情報（ウィットネス）を提供します。ここでは、明示的に言及することなく証明者が特定のデータにアクセスできることを検証者に対し証明します。ウィットネスでは、正規の証明者のみが回答できる一連の質問が設けられます。
チャレンジ：この段階では、一連の質問から無作為の質問を選んで検証者から証明者に課題が与えられます。
レスポンス：証明者は、検証者の質問に適切に回答することでその信頼性を証明します。
ロールアップとZKPについて、その中身を理解でたと思います。これらを1つにまとめ、ZKロールアップの仕組みを説明していきます。
ZKロールアップの仕組み
ZKロールアップには、2つの核となる構成要素があります。
オンチェーンコントラクト：スマートコントラクトは、ZKロールアッププロトコルが動作する規則を定義します。この規則は、メインコントラクトと検証者コントラクトで構成されます。メインコントラクトはロールアップブロックの保存、入金の追跡、重要な更新を行います。バリデーターコントラクトは、生成されたZKPを検証します。
オフチェーン仮想マシン：これらのマシンは、レイヤー2のベースEthereumブロックチェーンから離れてトランザクションの実行を処理します。オフチェーン仮想マシンは、Ethereumチェーンから独立して動作します。
ZKロールアップは、独自のレイヤーでEthereumブロックチェーンと複雑に絡み合っています。ZKロールアップは、トランザクションの詳細をEthereumに提供することはありません。代わりに、ベースレイヤーを混乱させることなく、バンドルされたサマリーを手際よく効率的に提供します。
ZKロールアップ利用の長所と短所
ZKロールアップを利用する利点について解説します。
ZKロールアップの長所
スループットの向上：ZKロールアップにより、効率的なコンピューティング環境でトランザクションを実行し、ベースレイヤーの負荷が軽減されます。トランザクションはオンチェーンで個別に処理されないため、全体のスループットが向上します。
混雑の緩和：ZKロールアップはブロックチェーンの肥大化を抑制し、レイヤー1の運用の効率を向上させます。さらに、フルノードによるデータ全体の保存は不要となり、ゼロ知識証明の保存だけで済みます。
手数料の削減：混雑が緩和されるため、ZKロールアップにより手数料の削減効果が得られます。
セキュリティ対策：ネットワーク障害時に資金が危険にさらされる可能性のあるサイドチェーンと比べ、ZKロールアップはロールアップネットワークに問題が生じても資金の出金ができるセキュリティ対策を取り入れている点で、明確に有利であると言えます。
トランザクション・チャレンジ期間の短縮：ZKロールアップでは、ロールアップ内の有効性証明のみを検証すればよいため、トランザクション・チャレンジ期間が短縮されます。
ZKロールアップの短所
複雑さ：ZKロールアップの最大の欠点は、その内在的な複雑さとなります。実行は、オプティミスティック・ロールアップよりもはるかに複雑なものとなります。
ベースレイヤーによる制約：ZKロールアップは、その効率性にもかかわらず、ベースレイヤーの制約に縛られることになります。
流動性の断片化：あらゆるレイヤー2は、エコシステム内の流動性を分散させます。ベースレイヤープロトコルでの流動性が低いと、問題となる可能性があります。
オプティミスティック・ロールアップとZKロールアップの比較
オプティミスティック・ロールアップとZKロールアップを比べてみます。
まとめ
スケーラビリティは、しばしばブロックチェーン技術の「聖杯」としてあがめられる特徴です。最適に動作しなければ、システムとして成り立ちません。これまで、オプティミスティック・ロールアップとZKロールアップの両方が、この長年の問題に対する見事なソリューションなってきました。ZKロールアップは、その独自の手法により、より速いスピード、より少ないトラフィック、そして強固なセキュリティを約束するものです。確かに複雑な面もありますが、その潜在能力は非常に高いと言えます。デジタル通貨の未来にを支持する人々にとって、ZKロールアップの理解は必須です。ブロックチェーンのパフォーマンス向上を推進する今こそ、ZKロールアップとその将来への期待を詳しく理解しておくべきタイミングと言えます。
参考文献
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