ビットコインのレイヤー（Layer 0、Layer 1、そしてLayer 2）の解説

ブロックチェーンは、データ層、ネットワーク層、共通層、インセンティブ層、スマートコントラクト層、そしてアプリケーション層の6つのレイヤー構造を持っています。データ層とネットワーク層は、ブロックチェーンの基本的な構造であり、全体の最も基本的なレイヤーです。その上に、共通層、インセンティブ層、スマートコントラクト層、そしてアプリケーション層がブロックチェーンのプロトコル部分を構成しています。

レイヤー0とは、データ転送層とも呼ばれ、OSIモデルの最下層に相当し、ブロックチェーンと伝統的なネットワークの統合に関する問題を主に扱います。

レイヤー１の拡張手法は、オンチェーンスケーリングとも呼ばれ、ブロックチェーンの基盤プロトコル上でのスケーリング解決策を指します。

レイヤー２の拡張手法は、オフチェーンスケーリングとも呼ばれ、ブロックチェーンの基礎プロトコルや基本的な規則を変更せずに、ステートチャネルやサイドチェーンなどの手法を用いてトランザクション処理速度を向上させます。

仮想通貨業界のニュースでは、拡張性やレイヤー0/1/2などが頻繁に言及されます。それでは、ブロックチェーンのレイヤー0、レイヤー１、レイヤー２とは何か、そしてそれぞれの特徴や用途は何でしょうか？

2009年1月、迷のエンジニアであるサトシ・ナカモト（Satoshi Nakamoto）がヘルシンキのサーバー上でビットコインのブロックを生成しました。現在、ビットコインは世界中に数万のノードを持ち、総市場価値が1兆ドル（約150兆円.2024年2月15日）を超える巨大なシステムに成長しました。ビットコインはデジタル世界での価値表現の問題を完璧に解決し、人類にブロックチェーン技術をもたらしました。ビットコインシステムの構造を詳しく分析すると、機能に基づいて5つのレイヤーに分けることができ、それぞれがデータ層、ネットワーク層、共通層、インセンティブ層、およびアプリケーション層です。その後、スマートコントラクトによって急速に台頭したイーサリアムは、システムのインセンティブ層とアプリケーション層の間にコントラクト層を追加しました。以下では、この6層構造について詳しく説明します。

❝ サトシ・ナカモトは、2008年にビットコインの論文を発表し、仮想通貨ビットコインの生みの親として知られる人物です。しかし、その正体は、いまだに謎に包まれています。 ❞

データ層とネットワーク層は、ブロックチェーンの基本的な構造であり、全体の最も基本的なレイヤーです。

データ層（データレイヤー）には、各ブロックチェーン構造（Merkleツリーなど）やさまざまなブロックがどのように連結されてチェーンを形成するかが含まれます。また、データ層には、ブロックチェーンの改ざん防止特性を確保するために採用されるハッシュ暗号アルゴリズムや非対称暗号アルゴリズムも含まれます。ブロックチェーンのデータ層は、分散特性と改ざん不可能性を持つデータベースと見なすことができます。この分散データベースは、システムのすべてのノードによって共同で維持される必要があり、これがブロックチェーンのネットワーク層につながります。

ネットワーク層（ネットワークレイヤー）は、ブロックチェーンのすべてのノードが構成する巨大なP2Pネットワークを説明します。この分散型およびピアツーピアのネットワークでは、あるノードが新しいブロックを作成すると、その情報はブロードキャストメカニズムによって近くの数個のノードに送信されます。他のノードは、ブロックの検証を完了した後に再びデータを他のノードに送信します。最終的に、システムの大部分のノードがブロックの検証を完了すると、ブロックは正式にブロックチェーンに接続されます。

基本構造の上に、共同でブロックチェーンのプロトコル部分を構成するコンセンサスレイヤー、インセンティブレイヤー、コントラクトレイヤー、およびアプリケーションレイヤーがあります。

コンセンサスレイヤー（Consensus Layer）には、主にブロックチェーンの共識メカニズムアルゴリズムが含まれます。ブロックチェーンネットワーク上では、元々無関係だった多くのノードがコンセンサスアルゴリズムを通じて統一し、データ層のデータの一貫性を維持します。現在、一般的なコンセンサスメカニズムには、ビットコインが採用している作業証明（Proof of Work, PoW）、イーサリアム2.0が採用しているステークング（Proof of Stake, PoS）、EOSが採用している委任ステークング（Delegated Proof of Stake, DPoS）などがあります。コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーン技術の中核的な革新の一つであり、システムのセキュリティと運用効率に著しい影響を与えます。さらに、コンセンサスアルゴリズムは、コミュニティガバナンスを行うための主要手段でもあります。

インセンティブレイヤー（Actuator Layer）には、主にブロックチェーンの発行メカニズム（Issuing Mechanism）と分配メカニズム（Distribution Mechanism）が含まれます。インセンティブメカニズムの設計により、システム内のノードはブロックチェーンネットワーク全体のセキュリティを自発的に維持します。例えば、ビットコインのPoWメカニズムでは、新しく発行されるビットコインはブロックを採掘するマイナーに分配されます。合意に達する方法は、「労働多く得る」に近く、ハッシュパワーが大きいノードほどブロックを採掘する成功率が高く、またブロックを採掘する権利を得ることができます。一部のインセンティブメカニズムでは、権力を悪用するノードはシステムによって罰せられます。

ビットコインは、経済的インセンティブメカニズムをアルゴリズムに組み込み、マイナーがハッシュパワーで競い合ってブロックを採掘し、トランザクションシステムを維持する同時に新しいトークンを発行し、その新しいトークンがマイナーに分配されるインセンティブとなる、安定で安全な閉ループを形成しました。このプロセスにより、ビットコインは電子現金の機能も実現しました。さあ、最上層に向かって進みましょう。

スマートコントラクトレイヤー（Contract Layer）は、さまざまなスクリプトコード、アルゴリズム、およびスマートコントラクトを含み、多くの高度な機能を実現するための基盤となります。ブロックチェーンでは、「code is law」（コードは法律である）が実現されており、一度契約アルゴリズムがアクティブになると、元の設定に従って不可避的に実行され、第三者の介入や促進は不要です。また、スマートコントラクトがチューリング完全性を持つため、スマートコントラクトレイヤーはプログラム可能性を持ち、全体のブロックチェーンネットワークに仮想マシンのような性質を与えます。

❝ Code is Law:Code is the most significant form of law that humans have ever been exposed to. ❞

アプリケーションレイヤー（Application Layer）は、ブロックチェーンシステム全体の最上位に位置し、そのブロックチェーンのさまざまなアプリケーションシナリオを含みます。たとえば、ビットコインブロックチェーンの場合、ビットコインは完全な発行、送金、および記録機能を持つ電子現金システムとして、その「アプリケーションレイヤー」を構成します。一方、イーサリアムのようなプログラム可能なブロックチェーンでは、多くの高度な機能やDAppがそのアプリケーションレイヤーを構成しています。

Layer 0、Layer １、そしてレイヤー２

ブロックチェーンシステムの六つのレイヤーは、構造的に密接に結びついており、共同でブロックチェーンの機能を実現しています。再びこの論文が最初に述べたスケーラビリティの問題に戻ると、業界では一般的に通信界のオープンシステム相互接続参照モデル（OSIモデル）を参考にし、ブロックチェーンシステムの六つのレイヤーを再分類して、Layer 0、レイヤー１、およびレイヤー２の三つのレイヤーに再編成します。

その中で、Layer ０はデータ伝送レイヤーとも呼ばれ、OSIモデルのボトムレイヤーに対応し、主にブロックチェーンと伝統的なネットワークの統合に関する問題に関与します。対応するLayer 0のスケーリングソリューションは、ブロックチェーン構造を変更せずにその生態系のルールを維持したまま性能を向上させるための提案を指します。ブロックチェーン自体に影響を与えないため、Layer 0のスケーリングソリューションは一般的に適用範囲が広く、同時にLayer １/2のスケーリングソリューションとも互換性があり、ブロックチェーンネットワークの性能を大幅に向上させることができます。ネットワークの下位層プロトコルには、パフォーマンスに影響を与える多くの問題があり、現在利用可能なLayer 0のスケーリング技術には、BDN（分散ネットワーク）、QUIC UDPプロトコルなどがあります。

その他にも、PolkadotはしばしばLayer 0レベルのブロックチェーンと呼ばれます。これは、Polkadotメインネットがリレーチェーンとして機能し、各大型パラレルチェーンにセキュリティと相互運用性を提供する役割を果たすためです。そして、Polkadotの基盤上では、Solidity言語をサポートするMoonbeamチェーンなど、Layer １のブロックチェーンがスロットでリンクされることで、さらなる発展が可能です。

レイヤー１は、六層モデルでいうところのデータレイヤー、ネットワークレイヤー、コンセンサレイヤー、そしてアクチュエータレイヤーに対応しています。ほとんどの仮想通貨にとって、レイヤー１はその唯一のパブリックチェーンであり、すべての取引決済がこの上で行われます。レイヤー１のスケーリングソリューションは、オンチェーンスケーリングとも呼ばれ、ブロックチェーンの基礎プロトコルを利用してスケーリングする解決策を指します。通常、トランザクション能力を向上させるために、ブロックの容量、ブロック生成時間、コンセンサメカニズムなどの固有の属性を変更する必要があります。具体的には、ビットコインのブロックサイズの増加アップグレードは、各ビットコインブロックの容量を拡大し、より多くのトランザクションを収容できるようにします。ビットコインのSegWitは、平均的なトランザクションのスペースを減らし、それによって各ブロックがより多くのトランザクションを収容できるようにします。また、DPoSへのアップグレードも、一定の分散化とセキュリティの犠牲を伴いますが、より優れたパフォーマンスを提供します。しかし、物理的、経済的な要因により、レイヤー１のスケーリングの効率は限られています。

一方、レイヤー２は、ブロックチェーンのスマートコントラクト層およびアプリケーション層に対応しています。レイヤー２のスケーリングソリューションは、オフチェーンスケーリングとも呼ばれ、ブロックチェーンの基礎プロトコルや基本ルールを変更せずに、ステートチャネルやサイドチェーンなどの手段を用いてトランザクション処理速度を向上させるものです。レイヤー２は、メインチェーンの外側でスケーリングを行い、Layer １と補完し合う関係にあります。つまり、レイヤー２はブロックチェーンの下層に構築される基盤であり、ブロックチェーンにより優れた拡張性、利用性、およびプライバシーを提供します。レイヤー１がセキュリティと分散化を追求するのに対して、レイヤー２は極限の効率とパフォーマンスを追求します。現在、よく知られているレイヤー２の解決策には、サイドチェーン、プラズマ、ステートチャネル、ロールアップなどがあります。

まとめ

ビットコインやイーサリアムの急速な発展以来、古参の公開チェーンには常に性能不足の問題がつきまとっています。そして、「不可能な三位一体（Impossible Trinity）」を打破し、拡張性、分散化、セキュリティの三つの要素の間で最適なバランスを見つけることが、ブロックチェーン分野の「聖杯」と見なされています。

参考：

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