バリデイティ・ロールアップ: イーサリアムのスケーリングに最適な選択肢

Validity Rollups（別名zk-rollups）は、現在最も有望な安全で非中央集権的にイーサリアムのスループットを向上させるソリューションと考えられています。このスケーリングソリューションの核心は、有効性証明を使用して検証可能な計算を行うことです。その仕組みは以下の通りです:

オペレーターは、取引の実行をオフチェーン環境（つまり第2層）にロードします。大量の取引を処理した後、第2層オペレーターは結果をイーサリアムメインネットに返し、同時にオフチェーン実行の整合性の有効性証明を添付します。この証明は、バッチ内のすべての取引が有効であることを保証し、オンチェーン検証者契約によって自動的に検証されます。これにより、イーサリアムはその状態に結果を適用することができます。

注目すべきは、Validity Rollupsが通常ゼロ知識ロールアップと誤って呼ばれていることですが、これは正確ではありません。ほとんどのValidity Rollupは実際にはゼロ知識証明を使用せず、プライバシー保護の目的でも使用されません。したがって、"Validity Rollup"という用語を使用する方が適切です。

! なぜValidity RollupsはEthereumをスケーリングするための最も有望な方法なのですか?

オフチェーン仮想マシン

探討する前に、まず仮想マシン(VM)とは何かを理解する必要があります。簡単に言えば、VMはプログラムを実行できる環境であり、MacでWindowsオペレーティングシステムを実行するのと同じです。特定の入力に対する計算を実行した後、異なる状態間で変換します。イーサリアム仮想マシン(EVM)は、イーサリアムスマートコントラクトを実行するためのVMです。

零知識仮想マシン(zkVM)は、プログラムを実行するだけでなく、プログラムが正しく実行されたことを証明するための検証しやすい有効性証明を生成できる特別なプログラム実行環境です。"zkEVM"という用語は、イーサリアム仮想マシン(EVM)を利用してEVMの実行を証明できるロールアップシステムを指すことが一般的です。この用語は誤解を招く可能性があります。なぜなら、EVM自体はこれらの証明を生成しないからです。むしろ、証明はEVMの実行結果を基にした独立した証明メカニズムによって生成されます。さらに、これらの証明は主に有効性に焦点を当てており、プライバシーではないため、完全に零知識証明ではありません。それにもかかわらず、一貫性を保つために、この記事では従来の"zkEVM"という用語を使用します。

すべてのValidity Rollupsは有効性証明を利用してイーサリアムを拡張することを目的としていますが、実行チェーン外取引のVMを選択する際に違いがあります。多くのValidity RollupsはEVMの設計を複製することを選び（そのため「zkEVM rollups」と呼ばれます）、L2 rollup上でイーサリアムの機能を複製しようとします。一方、Starknetは新しいVMであるCairo VM(CVM)を使用し、有効性証明の効率を最適化するために特別に設計されています。

この二つの方法にはそれぞれ長所と短所があります。zkEVMはパフォーマンスを犠牲にしてイーサリアムの互換性を得ており、Cairo VMは互換性よりもパフォーマンスを重視し、拡張能力を優先しています。

zkEVMのアプローチ

zkEVMはValidity Rollupの一種で、完全なイーサリアム体験をLayer-2ブロックチェーンにもたらすことを目指しています。これは、rollupがイーサリアムの開発者環境を複製することを目的としています。zkEVMを使用することで、開発者はスマートコントラクトを記述したり、スマートコントラクトをよりスケーラブルなソリューションに移植したりする際に、コードを変更したり、EVMツール（およびスマートコントラクト）を放棄したりする必要がありません。

この方法の主な欠点の一つは、有効性証明の拡張可能性が低下することです。zkEVMはイーサリアムとの互換性を持つことを目指しているため、速度が遅く、リソースの消費が大きくなります。CVMとは異なり、EVMは設計時に証明の効率を考慮していません。これにより、効率と拡張性を向上させるための最適化の利用が制限され、最終的にシステム全体の性能に影響を与えます。

EVMの証明可能性

zkEVMメソッドの核心的な課題は、EVMの原初的な設計に起因しています——それは有効性証明環境で動作するようには設計されていません。そのため、その機能を反映する努力は、有効性証明の潜在能力を十分に発揮できず、効率が理想的ではありません。この低効率は最終的にシステム全体のパフォーマンスを引き下げることになります。EVMと有効性証明の互換性は、以下の要因によって妨げられています：

1. EVMはスタックベースのモデルを採用していますが、有効性証明はレジスタベースのモデルにより適しています。EVMのスタックベースの特性は、その実行の正確性を証明し、ネイティブツールチェーンに直接サポートを提供することをより困難にしています。

2. イーサリアムのストレージレイアウトは、Keccakと大規模Merkle Patricia Treeに大きく依存しており、これらは有効性証明に不利であり、大量の証明負担を増加させます。たとえば、Keccakはx86アーキテクチャ上で非常に高速に動作しますが、証明には90kステップが必要です。それに対して、zkフレンドリーなPedersenハッシュ関数はわずか32ステップで済みます。再帰的圧縮を使用しても、zkEVMでKeccakを使用することは、ユーザーが大量の証明者リソースコストを負担することを意味します。

したがって、さまざまなzkEVMの実装はイーサリアムツールに異なる程度のサポートを提供しています——zkEVMとイーサリアムの互換性が高いほど、性能は低下します。

Cairo-VMのアプローチ

zkEVMソリューションとは異なり、Starknetは別のアプローチを採用しています：新しい専用の仮想マシンを使用し、その上にイーサリアムツールのサポートを追加レイヤーとして加えています。Starknetは2021年11月に発表され、完全に相互運用可能なネットワーク上で一般的なスマートコントラクトプラットフォームを提供する最初のValidity Rollupです。

StarknetはCairo-VM(CVM)を使用しています。これは同名の高級言語です。Cairo-VMは効率的なプログラム実行の有効性証明を生成するために特別に設計されたVMです。

Cairo（仮想マシンとプログラミング言語）を使用することで、私たちは得られます：

1. 最適化された有効性の証明 – 各命令には有効な代数的表現があります
2. 証明可能なプログラムを書くためのクラスRust言語 3.高度なCairoとCairoアセンブリ(VM命令)の間の中間表現(Sierra)により、Cairoコードの効率的な実行が可能

新しい言語を開発することで、人々は特定のニーズに基づいてそれをカスタマイズでき、以前は満たされていなかったニーズを満たす機能を備えることができます。

Cairoとコーディングの多様性

Cairo言語は、計算の有効性証明を作成するプロセスを簡素化し、StarkExに機能や複雑なビジネスロジックを追加することを容易にすることを目的として最初に設計されました。Cairoプログラムは、代数マシンコード——数値の列——にコンパイルされ、固定されたVMによって実行されます。Cairoを使用することで、計算を記述する数学的制約の複雑さが抽象化され、固定された制約セット（合計50個未満の制約）に捉えられます。したがって、開発者は基礎となる数学やインフラを理解することなく、有効性証明を利用してアプリケーションを拡張でき、慣れ親しんだ構文を使用してコードを書くことができます。

Starknetは革新に重点を置いており、これはその多様なコードアプローチに反映されています。CairoはSTARKsを使用して最適なスケーラビリティを達成する能力を持っており、これはCairoでネイティブに契約を記述する人々に限定されません。開発者は自分に最も適した方法を選択できます：

1. Cairoローカルでコードを書く：Cairo 1.0のリリースに伴い、開発者は今や人間工学かつ安全なRust言語を使用できるようになり、プログラムロジックの作成がより簡単でエラーが発生しにくくなりました。

2. Solidityの互換性：Solidity開発者はCairo VMで使用するためのコードを書くことができます。このアプローチは、イーサリアムに似た開発者体験を提供し、SolidityスマートコントラクトをStarknetに移植可能にします。これを実現する方法は2つあります：

   • 翻訳：NethermindチームはWarpトランスレーターを作成し、SolidityコードをCairoにトランスレートします。WarpはSolidityスマートコントラクトをStarknetにポータブルにし、実質的にそれをType 4 zkEVMにします。これは、わずかな変更でUniswapコントラクトのトランスレーションとデプロイに使用されました。

   • Starknet上のzkEVM：Cairo VMは別のVMの実行を証明するために使用できます。KakarotはCairoで書かれたzkEVMであり、Starknet上でイーサリアムのスマートコントラクトを実行するために使用されます。

短い時間にもかかわらず、CairoはTVLランキングで第四位の最も人気のあるスマートコントラクト言語となり、すでに3.5億ドル以上の資金支援を受けています。

まとめ

zkEVMは、イーサリアム環境をロールアップとして複製し、開発者が馴染みのあるイーサリアムツールを使用できるようにすることを目的としています。しかし、このアプローチは有効性証明の全潜在能力を制限し、リソース集約型である可能性があります。

Cairo VMは、有効性証明システム専用に設計されており、EVMの制約を受けません。これは、新しく、安全で人間工学に基づいたRustに触発されたプログラミング言語Cairo 1.0によってサポートされており、最大の効率を得るためにSTARK証明を使用してイーサリアムを拡張することを目的とした強力なツールを形成しています。

Cairoが着実に進展し、Kakarot zkEVMやWarpなどのさまざまな開発オプションの増加に伴い、将来の発展が期待されます。Starknet dAppがプロダクション段階に入ることで、Cairoの強力な機能が示され、私たちはそれが将来的により野心的なプロジェクトに使用されると信じています。

STARK拡張のさまざまな方法や、今後数ヶ月以内に登場する可能性のある他のソリューションのおかげで、開発者は現在、ブロックチェーンの拡張に対してかつてないコントロールを持っています。

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