ビットコイン・レイヤー2のコンセプトを徹底検証

出典：Biteye

レイヤー2といえば、多くの人はArbitrum、Zksync、Optimism、StarkWareといったイーサのレイヤー2プロジェクトの数々を思い浮かべるだろうが、レイヤー2のコンセプトはビットコイン・ライトニング・ネットワークで生まれ、後にVtalikによってイーサに適用されたという人もいる。Layer2のコンセプトはビットコイン・ライトニング・ネットワークで生まれ、後にVtalikによってEtherの上で次のレベルに引き上げられたという意見もある。これはすべて真実ですが、ただ視点が違います。

レイヤー2のコンセプトはビットコインやイーサに特有のものではなく、ブロックチェーン技術における技術のスケーリングの一般的な方向性です。

レイヤー2はメインネットの上に構築されたオフチェーンソリューションのセットを指し、分散化やセキュリティ（黒板！！）を犠牲にすることなくスケーリングすることを目的としています。トランザクションのスループットを向上させます。

そして、BTCスケーリングの物語が膿み続ける中、様々なBTCレイヤー2プロジェクトが出現し、レイヤー2は徐々に技術的なブロックチェーンスケーリングルートから曖昧なマーケティングラベルへと移行しています。

この記事では、BTCレイヤー2というラベルが貼られたプロジェクトの技術的な概要を簡単に説明します。このような熱を帯びた市場では、技術が市場に与える影響は二の次になりがちであることに注意することが重要です。同時に、筆者自身の限界もあり、技術的な見方が外部と異なる部分もあるかもしれない。グループでの議論を歓迎する。

全文は投資アドバイスではありません。

01 昔から話題のレイヤー2とサイドチェーンの違い？

前述したように、レイヤー2技術の目的は、分散化やセキュリティを犠牲にすることなくメインネットワークの容量を拡張することであり、したがって狭い意味での単一の技術概念ではなく、むしろ多くの異なるスキームや実装を包含しています。

現在、レイヤー2技術で最も一般的な2つのタイプは、ステートチャネルとロールアップです。

ステートチャネルは、メインネットワーク上の2つ以上の当事者間でチャネルを確立し、チャネル内で複数のトランザクションを行い、チャネルがオープンまたはクローズされたときにのみ、メインネットワーク上でトランザクションをブロードキャストします。

BTCライトニングネットワークはこの方式を正式に採用しています。 平たく言えば、ライトニングネットワークのチャネルはマルチシグネチャアドレスと解釈でき、ボブとアリスがメインネットワーク上のこのチャネル（アドレス）にBTCを入金した後、2者はライトニングネットワークを通じて日々の取引を行います。

これらの日々の取引はメインネットワーク上で行われないため、高価なガスを節約することができます。そしてある日、2つの当事者がもう取引を行わないと考えたとき、メインネットワーク上で引き出しコマンドを開始することができ、このコマンドの署名は、メインネットワーク外の2つの当事者間の一連の取引の信憑性をBTCメインネットワークに証明します。

この時点で、メインネットのセキュリティ・コンセンサスが介入し、ボブとアリスの資金を決済して放出するため、ライトニング・ネットワーク上で行われる取引は、BTCメインネット上と同じレベルのセキュリティを持つことになります。現在のところ、このシナリオでスマートコントラクトを実装した前例はない。

Rollupの方が馴染みがあるかもしれませんが、Ether上のOptimistic RollupsとZero-Knowledge RollupsはどちらもEtherのレイヤー2拡張で、複雑な実行と状態保存プロセスをレイヤー2に移動してスループットを高めるように設計されています。

平たく言えば、メインネットはレイヤー2が定期的にメインネットに提出するプルーフを検証し、レイヤー2の元帳の信頼性を保証します（この検証プロセスは特に重要です）。

このように、メインネットはレイヤー2の台帳を「リアルタイム」で制御することができ、レイヤー2の資金がメインネットに送金される際には、ETHメインネットの安全なコンセンサスが介入し、メインネットのレイヤー2の貸出契約は、第三者の情報源に頼ることなく、メインネットのコンセンサスによって生成されたデータに基づいて、資金を貸し出すことができるかどうかを検証することができます。

ここまで読んで、多くの読者は従来のレイヤー2が本質的にメインネットと同じセキュリティを持つクロスチェーンブリッジであることに気づくと思います。この認識により、私たちはサイドチェーンを特定するのに適した立場にいます。

サイドチェーンとは、メインネットワークの外部にある独立したブロックチェーンネットワーク（BSCなど）のことで、メインネットワークのコンセンサスは、サイドフェイスのクロスチェーン行動の正当性を識別することができません。

サイドチェーンへのクロスチェーンブリッジは、メインネットワーク上の資産をロックしてサイドチェーンにマッピングし、その後にサイドチェーンにマッピングされた資産は、トランザクション転送などの機能に使用することができます。サイドチェーンがメインネットワークに戻されたとき、メインネットワーク上のクロスチェーンブリッジ契約は、サイドチェーンによってチェーンを越えて送信された資金放出のメッセージ自体の真正性を検証するだけで、サイドチェーンの台帳を検証することはありません。

言い換えれば、もしクロスチェーンブリッジプロジェクト側が悪意を持って署名したり、サイドチェーンが直接偽の台帳を作ったりすれば、メインネット側は損失を被ることになります。

伝統的なL2の定義に従えば、メインネットワークがメインネットワーク外の元帳を検証できるかどうかを観察することが、チェーンがレイヤー2かどうかを判断する鍵であることは、難しいことではありません。

このことを念頭に置けば、BTCより後にローンチしたETHがBTCを追い抜き、非同期でレイヤー2を作ることができた理由を説明するのは難しくありません。

02 BTCレイヤー2の技術的な難しさ - 検証。検証

BTCレイヤー2の技術的な難しさを理解するには、BTCレイヤー2の可能性を生み出したBTC Taprootのアップグレードを理解することが重要です。

ビットコインコアの貢献者であるグレゴリー・マクスウェル氏によって2018年に初めて提案されたTaprootは、ビットコインプロトコルの改良であり、当初はビットコイン取引のプライバシーと効率を高めることを目的としていました。

Taprootの中核となるアイデアは、複数の条件下でのトランザクションを通常の単一署名トランザクションのように見せることであり、それによってチェーン上のデータ占有と漏洩を減らし、複雑なトランザクション（複数署名、タイムロック）を単一のビットコイントランザクションのように実行できるようにすることである。

Taproot can Taprootのアップグレードは、将来のBTCレイヤー2の可能性を生み出すために使用される2つの重要な技術を導入します。

1) MAST (Merklised Abstract Syntax Tree);

2) Schnorr signatures;

MASTは複雑なスクリプトを複数のサブスクリプトに分解し、それらをMerklised Tree構造に整理する方法です。そのサブスクリプトのハッシュ値とコンテンツを開示する必要がある。これにより、スペースが節約され、柔軟性が向上し、プライバシーが向上します。

シュナー署名は、複数の署名者を単一の署名者に統合し、単一の署名を生成することを可能にするデジタル署名アルゴリズムです。これにより、複数署名のトランザクションが簡素化され、コストが削減され、セキュリティが向上し、プライバシーが高まります。

MAST (Merkle Abstract Syntax Tree)

MASTの意義は、Taprootのアップグレード以前は、複雑なスクリプト条件を実装する唯一の方法はP2SHアドレスを使用することであり、同一のハッシュ値を持つ償還スクリプトを生成し、償還スクリプトのハッシュ値を変更することでした。値を持つ償還スクリプトを生成し、それをトランザクションに含める必要がありました。

P2SHの複雑な条件の場合、トランザクションサイズが非常に大きくなります。P2SHアドレスのBTCの場合、同じハッシュ値を持つ償還スクリプトを生成し、トランザクションに含める必要があります。スクリプトに指定された消費条件が多すぎる場合、取引量は異常に大きくなります。

MASTはこの問題を解決する良い方法であり、BTCレイヤー2が開発された理由でもあります。

MASTは、メルクルツリーと抽象構文木を組み合わせたメカニズムです。ハッシュを指定するスクリプトに対して支払うという点ではP2SHと似ていますが、MASTはメルクルルートを指定するハッシュに対して支払うという点が異なります。

MASTは、条件の大規模なコレクションを、メルケル木としても知られるハッシュ木に組み立てる。このツリーでは、各ノードはその子から計算されたハッシュ値です。

ツリーのルートは、すべての条件の集合を表すハッシュである。こうすることで、すべての条件を列挙する代わりに、このルートハッシュだけをトランザクションに含める必要があり、トランザクションのサイズを小さくする役割を果たす。

まずすべてのスクリプト（条件）が別々にハッシュ計算を行い、次に計算されたハッシュ値と隣接するハッシュ値の組み合わせでハッシュ計算を行い、新しいハッシュ値のセットを生成する。最後のハッシュ値が計算されるまで、この2対2のハッシュ計算プロセスを繰り返します。

このハッシュ値がメルケル・ルートです。

MAST はビットコイン取引をメルケルツリーに関連付けることができ、ツリーの各リーフノードはビットコインのロックを解除する条件を表します。

ロックされたビットコインを使うには、メルケル木のパスに対応する条件に一致するロック解除スクリプトを構築する必要がある。

ネットワークが検証する必要があるのは、このスクリプトに対応する条件が、メルクルツリーの元の条件セットに属しているかどうかだけです。

ネットワークは、このスクリプト（および対応する条件）がメルクルのルートに属していることを確認すると、このスクリプトがビットコインをロックするための条件を満たしていることを認識し、このロック解除スクリプトの検証に進みます。こうすることで、トランザクションに完全なスクリプトを含める必要がなくなり、ビットコイントランザクションのサイズが小さくなります。

MASTがトランザクションスクリプトに必要な容量を大幅に削減し、複雑なオンチェーン操作の可能性を提供する一方で、構文ツリー構造は実装できるロジックが比較的限られていることに注意することが重要です。は不正確です。

現在、BTCメインネットはEtherレイヤー2のような台帳検証機能の実装をサポートしていません。つまり、BTCレイヤー2はETHレイヤー2の技術的アーキテクチャを完全に再現することができず、チェーンをまたぐブリッジのセキュリティを確保するためには別のアプローチが必要です。

シュナー署名をMASTと組み合わせれば、BTCメインネットとレイヤー2をブリッジする新しい方法を提供できる可能性があります。

シュナー署名

シュナー署名は、Claus Schnorr氏によって提案されたデジタル署名方式で、そのシンプルさと効率性で知られています。複数の署名を1つの署名に集約できるという利点があり、その結果、複数署名のシナリオにおける検証と認証プロセスを最適化することができます。

たとえば、12件の署名を必要とするマルチシグネチャトランザクションでは、各署名が20バイトの記憶領域を占有する可能性があるため、12件の署名を保存するには合計240バイトが必要になります。

一方、シュナー署名では、これら12個の署名を1つのシュナー署名にまとめることができ、必要な容量はわずか60バイト程度です。これは、より多くのトランザクションスクリプト情報を保持するために使用できる、多くのストレージスペースを節約します。

シュナー署名は、すべてのn-nマルチ署名契約にプライバシー保護を提供します。最も典型的なアプリケーションの1つは、ライトニングネットワークの支払いチャネルです。

また、一般的なm-n (m<n)マルチシグネチャ契約では、n-nケースに拡張することができ、MASTを使用して、すべての可能なロック解除条件を分岐構造にまとめることができます。

2-3のマルチシグネチャーの例を取ると、これはA, Bのロック解除、またはB, Cのロック解除、またはA, Cのロック解除の3つのケースに相当します。これは多条件スクリプトと考えることができ、各条件は2-2の多署名であるため、明示的な多署名ではなく、集約された公開鍵で定義することもできます。

これは、STX、BEVMなどのプロジェクトで現在使用されているクロスチェーン技術の基礎です。クロスチェーンは、数百の第2層ノードによって制御されるBTCアドレスを作成することで実現されます。

03 まとめ：BTCレイヤー2が進むべき道

これまでの比較から、BTCレイヤー2ソリューションがイーサ・レイヤー2の設計を単純に複製できないことは明らかです。設計を単純に複製できないことは明らかです。

正しい道筋を描くために、BTCレイヤー2ソリューションは、ビットコイン独自の属性を考慮しながら、セキュリティの中核となる本質に焦点を当てるべきです。

ビットコインのベースレイヤーは、限られたブロックスペースでシンプルなUTXOモデルを使用しています。

MASTが存在しても、BTCメインネットはまだ過度に複雑なOP/ZKP検証ロジックを実装する能力がないことは前述の通りです。

このことは、イーサロールアップとは異なり、ビットコイン・レイヤー2ソリューションが検証のためにオンチェーン・アカウンタビリティ・レコードを定期的に提出できないという事実をBTCにもたらします。ビットコインのブロックチェーンにデータを保存することは、実際の検証のためではなく、可用性のチェックポイントとしてのみ機能します。

これは現時点での市場にとっての懸念であり、BTC信者にとっては、BTCコンセンサス参加なしの検証はBTCレイヤー2の物語を失うことになり、ETHベテランにとっては、ETHロールアップよりも安全性の低い技術的ソリューションはあまり魅力的ではありません。

分散型クロスチェーン機能の問題。

これはレイヤー2の定義にとって極めて重要であり、BTCメインネット上のメインネットコンセンサスと安全に同等のクロスチェーンブリッジを実装するのは非常に困難です。ハッシュ/タイムロック、フック、スワップ、マルチシグネチャなど、現在の伝統的なビットコインのクロスチェーン技術は、十分な信頼保証を提供しません。

ビットコインの2021年のTaprootアップグレードで導入されたMASTコントラクトとシュナー署名の組み合わせは、分散型ビットコイン・クロスチェーンに有望であり、BTCレイヤー2の実装にとって大きなブレークスルーとなります。

開発中のBTCレイヤー2チームの主な焦点は、ロールアップのオンチェーン検証よりもむしろ、クロスチェーンブリッジ署名のセキュリティを最大化することです。

完璧なレイヤー2を達成するためには、ビットコインがBIPレイヤーをアップグレードし、マイナーたちがOP/ZKP検証とビットコインマイナーによる計算実行をサポートするために基礎となるコードを更新することができた場合にのみ、ETHロールアップと同様の第2レイヤーのソリューションを達成することができます。注意点は、これには非常に長い時間がかかるか、マイナーによって採用されない可能性があるということです。