ZK Rollupとは？

ZK rollupは、Ethereumのスケーラビリティ問題を解決しながら、セキュリティと分散性を維持する先端レイヤー2スケーリングソリューションです。2015年のEthereum誕生以来、スマートコントラクトや分散型アプリケーションを導入したい開発者・ユーザーの需要が増加しています。しかし、ネットワークの混雑や高額なガス代により、Ethereumの強固なセキュリティモデルを維持しつつ、より効率的なトランザクション処理を可能にするレイヤー2技術の開発が進められています。

Crypto Rollupとは？

Crypto rollupは、暗号資産トランザクションをメインブロックチェーン外でまとめて処理・検証するバッチ処理方式です。名称は、複数のトランザクションを1つのバンドルに「まとめる」ことに由来します。Ethereumのようなレイヤー1チェーン上で直接処理されるトランザクションとは異なり、rollupはオフチェーン専用ソフトウェアでトランザクションデータを検証・整理し、メインチェーンに提出します。

rollupは、レイヤー2プロトコルが定期的に検証済みトランザクションバッチをレイヤー1ブロックチェーンへ送信し、最終承認を得る仕組みです。この工程の分散性・トラストレス性を保つため、L2ソリューションはスマートコントラクトを通じてL1ブロックチェーンとつながります。

rollup技術の導入メリットは多岐にわたります。まず、オフチェーン処理によりメインチェーンの計算負荷と混雑を大幅に抑制できます。さらに、rollupプロトコルは高度な圧縮技術によって大量のデータを小さなバイトサイズに変換し、レイヤー1ネットワークのブロックスペースを最大限活用します。これにより、ネットワーク効率が向上し、承認速度が速くなり、処理量が増加し、手数料が大幅に削減されます。また、メインチェーン外でユーザーの活動を処理することで、レイヤー1ネットワークの深刻なボトルネックリスクも低減します。

ZK Rollupとは？

ZK rollup（Zero-Knowledge proof rollup）は、トランザクションバンドルをメインチェーンに提出する前に独自の検証方式を採用します。この仕組みでは、ZK rollupネットワーク内の専用コンピューターが複雑なオフチェーン計算を行い、暗号資産決済履歴をプライマリブロックチェーンに送る前に検証します。ZK rollupプロセッサーがrollupをメインチェーンに提出する際、「validity proof（有効性証明）」という暗号学的証明書が添付され、トランザクション履歴の正確な整理・検証が保証されます。

ZK rollupシステムでは、レイヤー1ブロックチェーンのバリデータノードは受信するトランザクションバッチの内容を「ゼロ知識」で運用しますが、validity proofによりオフチェーンのZK rollupプロセッサーが十分な計算リソースを投入し検証したことが暗号学的に証明されます。これは公式文書の印章の確認に例えられ、受取人が内容を受け入れる前に印章の真正性を確認するように、レイヤー1ブロックチェーンはvalidity proofを検証してから決済データを分散型台帳に記録します。

ZK Rollupの仕組み

ZK rollupは、BitcoinのProof-of-Work（PoW）コンセンサスメカニズムと同様の原理に基づきます。PoWモデルでは、マイナーが高性能コンピューターで複雑なアルゴリズムパズルを定期的に解き、悪意ある改ざんを防ぐための計算的障壁を作ります。同様に、ZK rollupネットワークのプロセッサーも高度な暗号計算でトランザクションバッチのvalidity proofを生成します。

ZK rollupとPoWブロックチェーンの主な違いは、計算処理の場所です。ZK rollupはメインブロックチェーン外で検証処理を行い、メインチェーンの計算負荷を大幅に削減します。さらに、ZK rollupはすべてのトランザクションデータをオフチェーンで圧縮し、スマートコントラクト経由でメインチェーンへ送ります。アーキテクチャは異なりますが、ZK rollupとPoWネットワークは計算による証明が必要という点で根本的に共通しています。

ZK RollupとOptimistic Rollupの違い

Optimistic rollupは、暗号資産トランザクションをオフチェーンで処理し、レイヤー1ブロックチェーンへ提出するもう一つのレイヤー2スケーリング方式です。ZK rollupとの根本的な違いは、検証哲学にあります。Optimistic rollupはトランザクションデータにvalidity proofを添付せず、提出した記録がすべて正当と仮定して処理します—これが「optimistic（楽観的）」という名前の由来です。

Optimistic rollupが事前にトランザクションを精査しない場合、レイヤー1のバリデータはどうやって信頼を構築するのでしょうか？実装ごとに手順は異なりますが、すべて「fraud proof（不正証明）」を活用します。送信者の正当性を前提としつつ、ノードは不正を積極的に監視します。ノードがrollup内で異常を検知した場合、疑わしいトランザクションを内部審査のためにフラグ付けし、履歴がネットワークで不正ゼロと証明されるまでメインチェーンに投稿されません。

Optimistic rollupプロトコルは、悪意ある行為を防ぐため経済的インセンティブとペナルティを組み込んでいます。たとえば、ノードは新規トランザクション提出やfraud proof申請時に暗号資産を「bond（担保）」としてステークします。レイヤー2システムがトランザクションの無効を判断した場合、担保資産は問題を報告した側に移転されます。

Optimistic rollupはfraud proofプロセス完了までトランザクションバンドルを投稿できないため、ZK rollupより処理が遅くなります。場合によっては、履歴に問題がなくてもメインチェーンで承認されるまで1週間以上待つこともあります。一方、optimistic rollupはデフォルトでトランザクションの有効性を仮定するため、ZK rollupより計算負荷が低く、エコシステム内で柔軟性があります。

ZK Rollupのメリット・デメリット

ZK rollupはブロックチェーンスケーリング技術における重要な進化ですが、導入時にはトレードオフも存在するため、トレーダーや開発者はZK rollupの実装を慎重に検討する必要があります。

ZK Rollupのメリット

最大の利点はセキュリティの高さです。Optimistic rollupがゲーム理論や経済インセンティブに依存するのに対し、ZK rollupはそうした仕組みを必要としません。ZK rollupのvalidity proofは厳格であり、ネットワーク参加者が常に事前審査・暗号学的検証済みデータのみをレイヤー1チェーンに提出できることを保証します。

ネットワーク手数料の低さも大きなメリットです。ZK rollup技術は数千件の暗号資産トランザクションをレイヤー1チェーン上の最小スペースに効率的に圧縮できるため、Ethereumなどのネットワークで処理コストが大幅に下がります。

高速なトランザクション処理により、EthereumなどのブロックチェーンはZK rollupによって短時間で大量のトランザクションを処理可能です。ZK rollupは計算負荷の高い検証工程をメインチェーンから分離し、ネットワーク混雑のリスクも大幅に低減します。

ZK Rollupのデメリット

ZK rollupは多くの利点を持ちますが、他の手法と比べてコスト効率が劣る場合があります。レイヤー1チェーンで直接処理するよりは安価でも、optimistic rollupなど他のレイヤー2方式より計算負荷が高く、手数料もやや高めになる傾向があります。

高度なプログラムとの統合難易度も課題です。技術的精度と複雑さが高いため、optimistic rollupほど柔軟性はありません。開発者は、Ethereumの分散型アプリケーションをoptimistic rollupへ移植する方が容易で、ZK rollupシステムへの再構築は手間がかかります。

ZK rollupプロセッサーには高性能なハードウェアが必要なため、潜在的な中央集権化懸念もあります。計算・ハードウェア要件が大きい分、参加者はoptimistic rollupより少なくなり、ZK rollupプロセッサーの集中がネットワーク中央集権化につながる可能性があります。

ZK Rollupプロジェクト例

ZK rollup技術は進化を続け、業界を牽引するプロジェクトが登場しています。ZK rollup実装を検討する際、トレーダーや開発者は、ZK rollup技術を採用する有力なレイヤー2ソリューションのトークンやプラットフォームを調査します。

Polygon（旧Matic Network）は、Ethereum上の包括的なレイヤー2スケーリングソリューションとして豊富な開発ツール群を備えています。PolygonはProof-of-Stakeサイドチェーンで認知度を上げましたが、現在はzkEVMソリューションを提供し、Ethereumエコシステム全体でZK rollupのセキュリティと高速性を実現しています。

StarkWare Industriesは、Ethereum開発者向けにStarkExとStarkNetの2つのZK rollupソリューションを開発しています。StarkExは認可型SaaSプラットフォームで、分散型アプリ開発者がZK rollup技術を導入でき、StarkNetはパーミッションレスなソフトウェアとしてdApp開発者が自由にZK rollupを実装できます。

Immutable XはZK rollup技術を活用し、Ethereum上のブロックチェーンゲームやNFT取引向けに設計されたレイヤー2スケーリングソリューションです。「Gods Unchained」や「Illuvium」などの人気ゲームは、Immutable XのZK rollupシステムを活用し、Ethereumの分散型ネットワークのセキュリティを維持しつつ、より高速なトランザクション処理と低いネットワーク手数料を実現しています。

まとめ

ZK rollupは、Ethereumのスケーラビリティ課題を解決しながら、ネットワーク本来のセキュリティと分散性を維持する革新的なブロックチェーンスケーリング技術です。オフチェーン計算と暗号学的validity proofの組み合わせにより、ZK rollupはレイヤー1運用と比較して、トランザクション処理の高速化・処理量増加・手数料削減を実現します。ZK rollup導入にはoptimistic rollupと比べて計算負荷や統合難易度の高さなどのトレードオフもありますが、その優れたセキュリティモデルと効率性によりWeb3の基盤技術として期待されています。Polygon、StarkWare、Immutable Xなど主要プロジェクトがZK rollup開発を進化させることで、このレイヤー2技術はブロックチェーンエコシステムの中心的役割を担い、Ethereumおよび他ネットワークの主要スケーリングソリューションへと発展する可能性があります。

FAQ

zk rollupとは？

zk rollupは、ゼロ知識証明を活用してトランザクションをオフチェーン処理するレイヤー2スケーリング技術です。メインブロックチェーンのセキュリティを継承しつつ、コスト削減と即時ファイナリティを実現します。

zkとは何の略ですか？

zkはZero-Knowledgeの略称です。zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）は、暗号学的証明技術です。

ZK rollupの利点は？

ZK rollupは、高速処理、低ガスコスト、高スケーラビリティ、強化されたセキュリティ、ブロックチェーンネットワークの相互運用性向上を実現します。

Optimistic rollupとZK rollupの違いは？

Optimistic rollupはトランザクションが有効と仮定し、不正があれば証明によって検出します。一方、ZK rollupはZero-Knowledge Proofでトランザクションの正当性を検証し、プライバシーとセキュリティを強化します。