ZK Rollupsとは？

Zero knowledge rollupは、Ethereumネットワークを中心にブロックチェーンのスケーラビリティを大きく前進させる技術です。暗号資産エコシステムの進化に伴い、レイヤー2ソリューションはEthereumメインチェーンの高額なガス代やネットワーク混雑といった恒常的な課題を解決するための不可欠な基盤となりました。その中でもZero knowledge rollupは、スケーラビリティを確保しつつ、セキュリティや分散性も損なわない最先端の技術として高い評価を受けています。

Crypto Rollupとは？

Rollupは、複数の暗号資産取引をメインブロックチェーン外でまとめて処理する仕組みです。複数取引をひとつに「まとめ上げる」イメージから、その名称が付けられています。Ethereumなどレイヤー1ブロックチェーンで直接実行される取引とは異なり、Rollupは専用のオフチェーンソフトウェアで取引データを検証・整理し、その後メインチェーンへ提出します。

Rollupはレイヤー2プロトコルが取引をバッチ単位でレイヤー1に一定間隔で送信し、最終的な確定を得ることで動作します。ブロックチェーンの分散性を守るため、L2ソリューションは関連するL1ブロックチェーンとスマートコントラクトを通じて連携します。

Rollupには2つの主な利点があります。第一に、取引をオフチェーンで処理することで、メインチェーンの計算負荷や混雑を大幅に抑制できます。これにより、ネットワークはアクティビティが多い状況でも安定性を維持します。第二に、Rollupは高度な圧縮技術を用いて膨大なデータ量を小さなパッケージに凝縮し、L1のブロック容量を最大限に活用します。これらにより、仮想通貨ネットワーク全体の効率が飛躍的に向上し、取引確認の高速化やスループット向上、手数料の大幅削減を実現します。さらに、取引をメインチェーンから分散させることで、L1の深刻なボトルネック発生リスクも軽減されます。

ZK Rollupとは？

Zero knowledge rollupの名前は、「ゼロ知識証明（zero-knowledge proofs）」という独自の検証手法に由来します。Zero knowledge rollupでは、ネットワーク内のコンピュータがオフチェーンで複雑な計算を実行したうえで、暗号資産の取引履歴をメインチェーンに送信します。ZKプロセッサがロールアップを提出する際には、「有効性証明（validity proof）」という、取引履歴が正しく検証・整理されたことを示す暗号学的証明書を添付します。

「ゼロ知識」とは、Ethereumのようなレイヤー1上のバリデータノードが、受け取る取引バッチの内容自体は把握していなくても、有効性証明がオフチェーンのZKプロセッサによる厳格な検証を裏付ける証拠となる点を意味します。これは、王国の公式書簡に押される王室印章のようなもので、受取人は内容の正当性を認める前に印章を確認します。同様に、レイヤー1ブロックチェーンもまず有効性証明を検証し、その後取引データを分散型台帳に記録します。

ZK Rollupの仕組み

Zero knowledge rollupの動作は、BitcoinのProof of Work（PoW）型コンセンサスと似ています。PoWでは、マイナーが高性能な計算機で複雑なパズルを定期的に解き、悪意ある改ざんや履歴の不正を防ぎます。Zero knowledge rollupも、ネットワークのプロセッサが取引バッチごとに有効性証明を生成するため、集中的な計算処理を伴います。

Zero knowledge rollupとPoW型ブロックチェーンの主な違いは、実行環境にあります。Zero knowledge rollupはメインチェーン外で動作し、すべての取引データをオフチェーンで圧縮後、スマートコントラクト経由でメインチェーンに送信します。構造は異なりますが、どちらも取引の正当性を証明するために大きな計算資源を投入するという思想は共通しています。

ZK RollupとOptimistic Rollupの比較

Optimistic rollupもレイヤー2で取引をオフチェーン処理し、その後レイヤー1に提出する手法です。Zero knowledge rollupとOptimistic rollupの最大の違いは検証方針にあります。Zero knowledge rollupは全取引バッチごとに有効性証明を添付しますが、Optimistic rollupは全ての取引が正当であると「楽観的」に仮定します。

では、Optimistic rollupは事前検証せずどうやって正当性を担保するのでしょうか。実施方法は実装ごとに異なりますが、すべてのOptimistic rollupは有効性証明の代わりに「不正証明（fraud proof）」に依存します。送信者無罪を前提としつつも、ノードが疑わしい取引を監視し、発見すれば内部審査にかけます。Rollup内の取引履歴は、不正が一切認められなかった場合にのみメインチェーンへ投稿されます。

Optimistic rollupでは、不正を防ぐために経済的なインセンティブとペナルティを導入します。ノードは新規取引提出や不正証明申請に担保として暗号資産をステークし、不正な取引が認定されれば担保資産は没収され、不正を指摘したノードに報酬として与えられます。

Optimistic rollupのデメリットは取引の最終確定に時間がかかることです。不正審査が終わるまで投稿できず、問題がなくても1週間以上かかる場合もあります。ただし計算負荷が低いため、Zero knowledge rollupより柔軟で対応範囲が広いという強みもあります。全取引に有効性証明を生成する必要がない点が特徴です。

ZK Rollupの長所と短所

Zero knowledge rollupはブロックチェーン技術の大きな進化ですが、他のスケーリング手法と同様にトレードオフもあります。導入を検討する際は、他のレイヤー2手法との比較・評価が重要です。

ZK Rollupの利点

Zero knowledge rollupは、他の拡張手法と比べて極めて高いセキュリティを実現します。ゲーム理論やチャレンジ期間に依存するOptimistic rollupと異なり、必ず検証済みデータのみをレイヤー1に提出するため、不正な取引がメインチェーンに到達することはありません。

また、ネットワーク手数料を大幅に抑えます。Zero knowledge rollupは数千件の取引をレイヤー1上のわずかなスペースに圧縮でき、Ethereumなどでのコストを劇的に削減し、より多くのユーザーが利用しやすくなります。

さらに、取引スループットの向上も大きな特徴です。検証作業をメインチェーンから分散することで混雑リスクを抑え、全体のシステム性能を高めます。

ZK Rollupの欠点

一方、Zero knowledge rollupは一部の競合技術よりもコスト効率で劣ります。レイヤー1よりは安価ですが、Optimistic rollupより計算負荷が高いため、手数料もやや高くなる傾向があります。

また、技術的に非常に高度なため、導入やdApp移植には大きな開発工数が必要です。EthereumアプリをZero knowledge rollupへ移行するには大規模なコード修正が求められる場合が多くなります。

さらに、ZKプロセッサには高性能なハードウェアが要求され、これが参入障壁となって参加者の数が限られる傾向があります。その結果、プロセッサの集中化による分散性リスクも意識されます。

ZK Rollupプロジェクトの例

Zero knowledge rollup技術は発展途上ですが、分野をリードするプロジェクトも複数登場しています。導入を検討する際は、これら主要プロジェクトのトークンや技術を調査するのが一般的です。

Polygon（旧Matic Network）はEthereum向けの包括的なレイヤー2スケーリング基盤で、多様な開発ツールを提供しています。当初はPoSサイドチェーンで知られていましたが、現在はzkEVMソリューションにより、Zero knowledge rollupのセキュリティと取引速度をEthereum全体に提供しています。

StarkWare IndustriesはEthereum向けにStarkExとStarkNetの2つのZero knowledge rollupソリューションを展開しています。StarkExは許可制のSaaS型でdApp開発者がZK技術を実装でき、StarkNetはパーミッションレスなソフトウェアレイヤーとして、誰でもZero knowledge rollup機能を利用可能です。

Immutable Xは、Ethereumのレイヤー2として、ブロックチェーンゲームやNFT取引にZero knowledge rollupを応用することに特化しています。「Gods Unchained」「Illuvium」などのゲームがImmutable Xのインフラを利用し、Ethereumの分散セキュリティと高速・低コストな取引を両立しています。

まとめ

Zero knowledge rollupは、Ethereumなどレイヤー1ネットワークの課題を根本的に解決する画期的なスケーリング技術です。有効性証明による厳格な検証と効率的なオフチェーン処理を組み合わせ、高いセキュリティ・コスト削減・スループット向上を実現します。Optimistic rollupに比べ計算負荷や導入難易度は高いものの、将来の主流スケーリングソリューションとして有力候補です。Polygon・StarkWare・Immutable Xなどのプロジェクトが拡大するなか、Zero knowledge rollup技術の存在感は高まっています。Ethereum共同創設者Vitalik Buterinらによる支持も、Web3アプリのレイヤー2主流技術への成長を後押ししています。今後さらなる技術進化と開発者向けツールの普及により、Zero knowledge rollupはブロックチェーンの大規模普及とセキュリティ・分散性維持の両立を実現する中核的な役割を担うでしょう。

FAQ

Zero knowledge rollupとは？

取引をオフチェーンで処理し、暗号学的証明によってセキュリティとコスト削減を両立するレイヤー2スケーリングソリューションです。メインチェーンのセキュリティを引き継ぎ、即時ファイナリティも実現します。

ZK Rollupの例は？

代表例はzkSync（データアベイラビリティにIPFSを採用）で、StarkWareやZkPorterも有名です。

RollupとZKの違いは？

Rollupはレイヤー2の総称です。ZK Rollupはゼロ知識証明で取引を検証し、Optimistic rollupは正当性を仮定します。ZK Rollupは出金速度や効率性に優れます。

Zero knowledge rollupとOptimistic rollupの違いは？

Zero knowledge rollupは暗号学的証明で取引を事前に検証し、即時ファイナリティを提供します。Optimistic rollupは取引の正当性を仮定し、不正証明で安全性を担保します。