導入

ブロックチェーンのトライレンマ

ブロックチェーン技術は、その分散化、不変性、透明性から、さまざまな産業における革新の基盤となっています。しかし、よく知られているブロックチェーントリレンマは、分散化、セキュリティ、スケーラビリティを同時に実現する難しさに常に立ちはだかっています。これらの3つの要素は本質的に相互依存しており、ブロックチェーンシステムが一度にすべてを最適化することが難しい状況にあります。

• 分散化は、ブロックチェーンネットワークが任意の単一の統制エンティティから独立して動作することを保証します。ただし、高度に分散化されたネットワークは取引効率の低下につながる可能性があります。
• セキュリティは、ネットワークを悪意のある攻撃から保護するために不可欠ですが、セキュリティを強化するには通常、追加の計算リソースが必要であり、これは取引処理の遅延につながる可能性があります。
• スケーラビリティは、取引速度と容量の向上に焦点を当てていますが、これを達成することはしばしば中央集権化またはセキュリティのコストがかかります。

ブロックチェーンのアプリケーションが拡大するにつれて、三位一体の中で最適なバランスを見つけることが、開発者や研究者にとって重要な課題となっています。

図: ブロックチェーントリレンマ (出典:ITホーム)

イーサリアムのロードマップ

Ethereumの共同創設者であるVitalik Buterinは、Ethereumの次の段階でのネットワークスケーリングに向けて、1秒あたり10万件を超えるという野心的な目標を設定しました。2024年10月のブログ投稿では、ブロックチェーン技術の初期の日々を振り返り、Ethereumのロードマップで概説されている2つの主要なスケーリング戦略、ShardingとLayer 2（L2）プロトコルに焦点を当てました。

• シャーディングは、個々のノードの負担を軽減するために、彼らがビットトレントのようなピア・ツー・ピア・ネットワークのように、一部のトランザクションのみを検証および保存できるようにします。このアプローチにより、ネットワークのスケーラビリティが効率的にワークロードを分散することで向上します。
• Layer 2プロトコルは、Ethereumのメインネットワークの上に構築され、データと計算をオフチェーンで保持しながら、Ethereumのセキュリティ保証を継承しています。

図:The Surge – 2023 Roadmap Edition(出典:ヴィタリックのブログ)

2024年には、イーサリアムのスケーリング戦略で重要な進展が見られました。しかし、いくつかの課題が残っています:

• ロールアップには、かなりのオンチェーンデータ帯域幅が必要であり、それは依然としてEthereumのメインネットリソースに大きく依存しています。
• ロールアップ内の集中型シーケンサーは、取引の検閲リスクとマイナー抽出可能な価値（MEV）の悪用のリスクを引き起こす可能性があります。
• 断片化されたレイヤー2のエコシステムは、開発者にGate.ioの相互運用性の課題や意思決定の複雑さに対処することを強いています。

Vitalikのブログは、現在の優先事項は、イーサリアムのレイヤー1（L1）の弾力性と分散化を確保しながら、ロールアップ中心のロードマップを磨くことであることを強調しています。この文脈で、Based RollupsやPreconfirmationなどの新しいスケーリング革新が登場しています。

• 共有シーケンサー：複数のLayer 2チェーンに統一されたトランザクション順序付けサービスを提供します。ただし、サードパーティのオペレーターとして、信頼およびインセンティブに関する懸念が生じます。
• ベースドロールアップ：イーサリアムのL1にトランザクションの順序づけを頼り、アーキテクチャを簡素化し、分散化を強化します。ただし、トランザクションの最終化速度は、イーサリアムのブロック時間によって制約されています。
• 事前確認：ブロックに公式に含まれる前にメンプールの活動を監視して、取引の事前確認を提供します。これにより、ユーザーの待機時間が大幅に短縮され、効率性とユーザーエクスペリエンスの向上の新たな可能性が開かれます。

今日の記事では、Preconfirmationの技術原則、使用事例、およびブロックチェーンネットワークにおいて効率と分散化のバランスをより良くする方法について詳しく取り上げます。

Preconfirmationとは何ですか？

事前確認の概念

プリコンファーメーションは、ブロックチェーン上で正式に確認される前の取引に対する信頼性の高いコミットメントとして理解できます。このメカニズムは、早期の確認信号を提供し、ユーザーの待ち時間を短縮し、取引効率を向上させます。高ボリュームまたは時間的に緊急のシナリオで特に有用であり、迅速なフィードバックが重要な場合に役立ちます。

プリコンファーメーションは、最終確認の前に予備的なコミットメントが与えられる実世界の状況に類似しています:

• レストラン予約：テーブルを予約すると、レストランは予約を確認しますが、最終確認は到着時に行われます。これは事前確認と似ており、将来の実行の信頼性のプレビューです。
• オンラインショッピング注文：注文をすると、ステータスが「処理中」と表示されることがあります。これは、販売業者がリクエストを受け取り在庫を確保したことを意味します。ただし、最終確認には支払いの検証と出荷が必要です。これは、ブロックチェーンの事前確認に似ており、取引が暫定的に承認されているものの、最終的な検証がまだ必要です。
• フライト予約：チケットを購入した後、座席が一時的に予約され、事前確認を表しています。最終確認はチェックイン時に行われます。同様に、ブロックチェーンにおける事前確認は、最終確認でなく取引への初期的なコミットメントを提供します。

ビットコインの0confコンセプト

ブロックチェーンの初期に、ビットコインコミュニティは「0conf」（ゼロ確認取引）という類似のコンセプトを探索しました。このアプローチにより、取引がブロックチェーン上で完全に確認される前に一時的に有効と見なされることが許可されました。

0confは、即座の取引処理が必要な高速支払いシナリオに特に役立ちました。しかし、悪意のあるアクターが競合する取引を放送する可能性がある二重支払いリスクのため、0confはメインストリームのソリューションにはなりませんでした。

イーサリアムのチェーンベースの事前確認

2023年、ブロックチェーン研究者のUri Klarmanは、イーサリアムに事前確認概念を拡張し、「チェーンベースの事前確認」という概念を導入しました。主な革新点は、将来の事前確認者が以前の事前確認記録を継承し、取引の信頼性を高める連続的な事前確認チェーンを形成することでした。

その年、PrimevチームはMEV（Miner Extractable Value）を調整することを目的としたプラットフォームであるmev-commitを設計することで、事前確認技術をさらに進化させました。オークションメカニズムを統合することで、mev-commitは取引の事前確認をより効率的かつ信頼性の高いものにしました。

Preconfirmationが解決しようとしている問題は何ですか？

ブロックチェーン技術—特にロールアップベースのシステムでは—取引確認の非効率性は長らくユーザーエクスペリエンスの主要な課題となってきました。ユーザーがレイヤー2（L2）で取引を送信すると、最終確認はレイヤー1（L1）にデータを投稿することに依存します。このプロセスは、高頻度取引や分散型ファイナンス（DeFi）のようなシナリオにおいて特にいくつかの課題をもたらします。

• 取引の遅延と確認の不確実性
  Rollupメカニズムでは、ユーザーの取引の最終確認にはL1ブロックの生成を待つ必要があります。このプロセスは、ネットワークの混雑や取引の順序付けの問題によって遅れることがあります。たとえば、楽観的Rollupsでは、チャレンジウィンドウは通常7日間続き、不正な取引を防ぐために遅延や流動性の低下を引き起こすことがあります。一方、ZK Rollupsはより速い確認を提供しますが、ゼロ知識証明を生成するにはかなりの計算リソースが必要です。

• ハイ・フリークエンシー取引の損失
  DeFiおよびアービトラージユーザーは、取引の即時性に依存して市場の機会を利用しています。しかし、取引の確定が長すぎる場合や取引の順序が変更される場合、ユーザーは財務上の損失を被ることがあります。

• 中央集権的なシーケンサーへの信頼問題
  ほとんどのRollupsは、取引を順番に並べるために中央集権的なシーケンサーを利用しており、これにより取引の検閲や鉱夫抽出価値（MEV）による公正でない取引の実行などの潜在的なリスクが生じます。

事前確認ソリューション

プリコンファーメーションは、トランザクションが公式にチェーン上に記録される前に初期確認を提供し、上記の問題に対処します。

• ユーザーの待ち時間を短縮します–リアルタイムの取引状況フィードバックを提供し、遅延による不確実性を最小限に抑えます。
• ユーザーの信頼を高める-ユーザーが取引の進捗状況をより透明に追跡できるため、ネットワークへの信頼が高まります。
• 取引の順序透明性を向上させます - 取引の順序を事前に確定し、注文の変更による財務損失を軽減します。

事前確認メカニズムと従来の確認メカニズムの違い

基本概念と操作

• 従来の確認メカニズム：

  • トランザクションはまずメンプールに提出され、その後マイナーは次のブロックにパッケージ化するのを待ちます。トランザクションは、ブロックが検証された後にのみ、公式に確認されたものと見なされます（例：Proof of Work（PoW）またはProof of Stake（PoS）などのコンセンサスメカニズムを介して）。このプロセスには、少なくとも1つのブロック生成時間の待機が必要です。

• 事前確認：

  • 取引がメンプールに入ると、ガス手数料、優先度、ネットワーク状況などの要因に基づいて、次のブロックに含まれる可能性が予測されます。ユーザーは、フルブロック生成プロセスを待つことなく、数秒以内に初期確認シグナルを受信できます。
  • 信頼性を向上させるために、Layer 2（L2）の中央集権型シーケンサー（例：Rollups）がコミットメントを提供したり、オンチェーンの事前確認メカニズムを活用することができます。

確認スピード

• 従来の確認メカニズム：
• トランザクションの確認には、ブロックの生成と複数の確認を待つ必要があります。
• トランザクションがブロックに含まれると、そのブロックはブロックチェーンの一部となります。
• それに続くブロックが増えるにつれて、確認回数が増加し、取引がより安全になります。
• ネットワークの混雑やコンセンサスの遅れにより、プロセスが遅くなる可能性があります。

確認信頼性

• 従来の確認メカニズム：

  • 高い信頼性 - 一度取引が複数回確認されると、実質的に不可逆で変更不能となり、高セキュリティなアプリケーションに最適です。
  • ファイナリティ保証 – 確認はブロックチェーンのコンセンサスメカニズムに裏打ちされており、トランザクションが一定の確認数に達すると、元に戻すことはほぼ不可能です。

• 事前確認：

  • 初期コミットメントのみ - これは、取引が次のブロックに「おそらく」含まれる可能性があることを予測しますが、確定を保証するものではありません。
  • 再注文またはキャンセルのリスク – ネットワーク状況が変化したり、シーケンサーの動作が異なる場合、取引はまだドロップされたり、優先順位付けされる可能性があります。最終性がそれほど重要でない高速シナリオに適しています。

技術と実装コスト

• 伝統的な確認メカニズム：
  • ブロックチェーンの合意メカニズムに完全に依存しています。
• 事前確認:
  • 広範なメンプールデータの分析、取引順序アルゴリズム、および信頼できるシーケンサーが必要です。
  • 事前確認が失敗した場合のフォールバックメカニズムが必要です。

Table: 伝統的なメカニズムと事前確認の比較（出所：自己編纂）

ケーススタディ：太鼓の事前確認

大閤の事前確認メカニズムによる効率化と分散化の強化

Taikoは、イーサリアム上に構築された分散型ZK-EVMロールアッププロジェクトです。そのコアデザインは、事前確認メカニズムと分散型プロポーザーシステムを活用し、取引の効率と公平性の問題に対処することに焦点を当てて、完全なイーサリアム互換性を実現することです。

(Source: 太鼓公式ウェブサイト)

太鼓の概要

• シームレスなユーザーエクスペリエンス – TaikoのEVMは完全にEthereumと互換性があり、再コンパイルや開発ツールの変更は不要です。開発者は既存のEthereumスマートコントラクトやツールを変更せずに使用できます。
• コミュニティ駆動- Taikoは完全にオープンソースであり、コミュニティは自由にそのコードを使用および変更し、分散化とコミュニティ参加を促進しています。
• セキュリティファーストアプローチ−Taikoは、イーサリアムベースのロールアップとして、許可なく分散型の提案者と証明者のネットワークを特徴とし、イーサリアムのセキュリティと分散化を継承しています。
• Ethereumベースのシーケンシング– Taikoは、Ethereumベースのトランザクションシーケンスメカニズムを使用しており、Ethereumの検証者がトランザクションの順序付けを処理します。これにより、Ethereumの生存性と信頼最小化された中立性を維持しながら、シンプルさが確保されます。

太閤の事前確認メカニズム

Taikoのベースとなるシーケンスメカニズムにより、Ethereumのバリデータは、レイヤー2（L2）トランザクションの順序付けに直接参加できます。バリデータは、ETHをTaikoネットワークにブリッジするためにTaikoのブリッジサービスを使用でき、インスタントの事前確認を提供し、トランザクションの即時性とユーザーエクスペリエンスを高めながら、分散化とセキュリティを維持できます。

タイコのベースコンテスタブルロールアップ（BCR）モデル

Taikoは、公平さと透明性を確保するために設計されたBased Contestable Rollup（BCR）モデルを採用しており、オープンで許可なしのシステムを通じてそれを実現しています:

• ✅ 完全な許可なし＆分散化 - Taikoシステムに特別な許可なしで誰でも参加でき、高度な分散化が確保されます。
• ✅ 競争的なプロポーザルモデル-プロポーザルは、最大抽出可能価値（MEV）やその他の経済的インセンティブを競い合いながら、運用責任を負い、システムの効率と安定性を向上させます。
• ✅ Ethereumに統合されたシーケンシング – Taikoは、中央集権的なシーケンサーの必要性を排除し、Ethereumのブロック提案者と同じ役割を共有し、完全にEthereumのインフラストラクチャに依存しています。
• ✅ リーダー選出メカニズム - 任意の時点で、1人の提案者のみがリーダーとして選出され、ブロックの最終決定権を独占します。これにより、リソースの浪費や競合を回避できます。

注意：現在、太鼓は信頼実行環境（TEE）の証拠としてSGXを使用し、ゼロ知識証明（ZKP）にはRiscZeroとSP1を使用し、ガーディアン（マルチシグネチャ検証）は太鼓ラボによって行われています。詳細はこちらで確認できます。Taikoのドキュメント.

例：タイコのベースコンテスタブルロールアッププロセス

プロセスの概要:

ブロック提案 - 提案者が新しいブロックを提出します。

プライマリープルーフ提出-第一階層の証明者（例：SGX TEEを使用）がブロックの有効性の証明を提出し、TAIKOデポジットを担保として提供します。

冷却期間およびチャレンジ期間（約4時間） - この間、誰でも自分のデポジットを提出することで、有効性の証明を挑戦することができます（例：図中の"Cindy"）。

高度な証明検証-より高度なティアの証明者（例：RiscZeroまたはSuccinctからのZKPを使用）が主要な証明の正確性を検証します。

成果とインセンティブ:

• もし主要な証拠が正しい場合→主要な証明者はデポジットが返金され、報酬を受け取ります。一方、挑戦者はデポジットを失います。
• もし主張が不正確な場合→チャレンジャーはデポジットを返金され、報酬を受け取り、一方、主要な証明者はデポジットを失います。

この多層証明メカニズムにより、誰でもさまざまなレベルで証明に異議を唱えることができ、システムのセキュリティと分散化が強化されます。

図:太閤の係争可能なロールアッププロセスの例(出典:Taikoの競技可能なロールアップドキュメント)

結論

プリコンファーメーション技術は、ブロックチェーン取引の効率とユーザーエクスペリエンスを改善するための重要な解決策として台頭しています。従来の取引確認メカニズムは高いセキュリティと信頼性を提供しますが、長い遅延と低い効率があり、高頻度取引や支払いなどのリアルタイムアプリケーションには適していません。プリコンファーメーションは、迅速なフィードバックと予備的なコミットメントのアプローチによって、これらの制限を軽減し、ユーザーにより即座で透明な取引体験を提供します。

たとえば、Taikoプロジェクトは競争力のあるRollupモデルを統合し、分散化と効率をバランスさせています。さらに、Taikoのマルチレイヤーの証明構造とリーダー選出メカニズムは、経済的インセンティブと透明な競争を通じて公正性とセキュリティを確保し、将来のブロックチェーンのスケーラビリティ設計における貴重な参考となっています。

ただし、事前確認は完璧な解決策ではありません。初期確認の信頼性と取引取り消しのリスクは、さらなる技術の最適化とフォールバックメカニズムが依然として必要です。ブロックチェーンの分散、セキュリティ、スケーラビリティの三位一体の課題に対処しつつ、取引体験を向上させるために継続的なイノベーションが必要です。

単なる技術革新を超えて、事前確認はブロックチェーンの採用を加速させることができる信頼構築ツールです。事前確認技術が高頻度取引から日常の支払いに拡大するにつれて、ブロックチェーンは日常生活により統合され、グローバル金融包摂のビジョンを実現するのに役立ちます。