ブロックチェーンのLayer 1とLayer 2スケーリングソリューションの比較

重要なポイント

• ブロックチェーンのトリレンマは、ネットワークがセキュリティ・分散性・スケーラビリティという3つの重要要素のバランスを取る際に直面する根本課題を示しており、これはブロックチェーン開発における決定的な特徴となっています。

• 本質的な制約への対処として、さまざまなスケーリングソリューションが開発・進化し続けています。これらは大きく分けて、メインチェーンアーキテクチャの最適化（Layer 1）と、補助的なチェーンやプロトコルの構築（Layer 2）という2つのアプローチに分類されます。

• Layer 1のスケーリングソリューションは、メインブロックチェーンの設計や運用ルールを抜本的に変更することでパフォーマンスを高めます。主な方法には、コンセンサスメカニズムの切り替え、シャーディング技術の導入、ブロックパラメータの調整などがあり、取引処理能力を向上させます。

• Layer 2ソリューションは、Layer 1上に構築された独立したフレームワークやプロトコルで、オフチェーンで取引処理を担うことでメインチェーンの負荷を軽減し、ネットワーク全体の効率化を実現します。

• 今後のブロックチェーン技術は、Layer 1とLayer 2の戦略的な組み合わせによる発展が期待されます。Layer 1で堅固なセキュリティと最終決済を担い、Layer 2で高速な取引と低コストを実現するハイブリッドなアプローチが鍵となります。

はじめに

暗号資産の人気と普及は近年急速に拡大しており、ブロックチェーンネットワークにはかつてない数の新規ユーザーと取引量が流入しています。ブロックチェーン技術の革新性は多様なユースケースを通じて示されていますが、スケーラビリティ（需要増加に応じて性能を維持する能力）は業界が直面する主要課題のひとつです。

分散性とセキュリティを重視するパブリックブロックチェーンでは、高い取引処理能力の実現が難しく、根本的なトレードオフによって拡張時に著しいボトルネックが生じます。

この課題は「ブロックチェーンのトリレンマ」と呼ばれ、分散型システムが分散性・セキュリティ・スケーラビリティを同時に高い水準で達成することが極めて困難である点を示します。通常、ネットワークはこの3要素のうち2つを重視し、残りを犠牲にする傾向があり、開発者や設計者にとって持続的な設計課題となっています。

このトリレンマ克服のために、開発者や研究者は多様なスケーリング手法を開発しています。メインチェーン自体の設計最適化（Layer 1ソリューション）に取り組むものと、基盤ネットワーク上で稼働する補助プロトコル（Layer 2ソリューション）によるものがあり、それぞれ独自の利点と課題があります。

Layer 1とLayer 2

Layer 1は、ブロックチェーンアーキテクチャの基礎層であり、取引が最終的に記録・確定されるメインネットワークです。Layer 1ブロックチェーンは信頼の基盤となり、すべての取引情報の最終的な参照元となります。代表例としてBitcoin、Ethereum、BNB Chain、Solanaなどが挙げられ、それぞれ独自のコンセンサスメカニズムや設計を持っています。

Layer 2は、Layer 1ブロックチェーンの上に構築されたネットワークやプロトコル、フレームワークで、コアプロトコルを変更せずに基盤チェーンの機能拡張を実現します。Lightning NetworkはBitcoinのLayer 2ソリューションとして、ArbitrumやOptimismはEthereumのLayer 2として、それぞれ高速・低コストな取引や高い処理能力を提供します。

スケーリングの手法や革新は、ブロックチェーンスタックのどの層で実施されるかによって分類されます：

• Layer 1ソリューションは、基盤ブロックチェーンのルールや仕組み、設計自体を直接変更するもので、コンセンサスメカニズムの変更・シャーディング導入・ブロックパラメータ調整などが該当します。

• Layer 2ソリューションは、外部のネットワークやプロトコルを使ってメインチェーン外で取引処理を行い、主要ネットワークの混雑を緩和しつつセキュリティ保証を維持します。

主なLayer 1スケーリングソリューション

コンセンサスメカニズムの改善

Layer 1のスケーリングで最も重要な手法のひとつは、遅くエネルギー消費の多いコンセンサス方式から、より効率的な方式への移行です。多くのブロックチェーンは、計算資源とエネルギーを大量に必要とするProof of Work（PoW）から、より効率的なProof of Stake（PoS）へ移行しています。

たとえばEthereumは、大型アップグレードでPoSへ移行し、取引処理能力やデータ検証力を大きく高めるとともに、環境負荷も大幅に削減しました。PoSは参加者がコインをステーキング（担保としてロック）することで取引検証・承認を行い、エネルギー集約型マイニングではなくなります。この方式は消費エネルギーの削減と、ブロック確定速度やスケーラビリティの向上を両立します。

シャーディング技術

シャーディングは巨大なデータベースを「シャード」と呼ばれる小さな単位に分割し、ブロックチェーンのスケーラビリティを高める革新的な手法です。従来は全ノードが全取引を検証していましたが、シャーディングでは複数の並列チェーンで処理負荷を分散します。

並列処理により、複数のシャードで同時に取引を処理できるため、ネットワーク全体の効率と処理容量が大幅に向上します。各シャードは独自の取引履歴と状態を保持し、メインチェーンが全体の整合性を管理します。この方式により、実装シャード数に応じて処理能力を飛躍的に拡張できます。

ブロックサイズの拡大

一部のネットワークでは、ブロックサイズを拡大し、1ブロックあたりの取引記録数を増やすことで全体の処理能力向上を図っています。シンプルな手法ですが、即効性のあるスケーラビリティ向上効果があります。

しかし、ブロックサイズ拡大には大きなトレードオフがあります。処理・検証に必要なストレージ、帯域幅、計算資源が増加し、一般ユーザーや小規模運営者のフルノード運用が困難となり、分散性の低下を招く可能性があります。

主なLayer 2スケーリングソリューション

ロールアップ

ロールアップは特にEthereumなどスマートコントラクトプラットフォームで広く使われている有力なスケーリング手法です。ロールアップは数百から数千のオフチェーントランザクションを一括でまとめ、メインチェーンにバッチ送信して最終決済を行います。

Optimistic Rollups: OptimismやArbitrumなどはオプティミスティックロールアップを採用し、まず取引が有効と仮定して処理します。「フラウドプルーフ」期間中に誰でも不正取引を異議申し立てでき、スケーラビリティとセキュリティのバランスを維持しつつ、実装も比較的簡単です。

Zero-Knowledge Rollups: zkSyncやScrollなどはゼロ知識（ZK）ロールアップを採用し、高度な暗号技術により即座かつ数学的に取引の正当性を証明します。ZKロールアップは高いセキュリティとプライバシーを提供し、異議申し立て期間不要です。実装は複雑ですが、より優れたスケーラビリティとセキュリティを実現します。

サイドチェーン

サイドチェーンは独自のコンセンサスメカニズムとバリデーターセットを持つ独立したブロックチェーンです。代表例はPolygon PoSで、Ethereumのサイドチェーンとして機能します。ロールアップと異なり、サイドチェーンは独自のセキュリティインフラを維持し、Layer 1のセキュリティ保証を直接継承しません。

サイドチェーンはメインチェーンより高速かつ低コストな取引を実現しますが、ユーザーはサイドチェーンのバリデーターやセキュリティモデルを信頼する必要があり、メインチェーンほど強固ではない場合もあります。

ステートチャネル

ステートチャネルは参加者間で双方向の通信を確立し、複数回の取引をオフチェーンで処理します。初回と最終取引のみがメインチェーンに記録されるため、頻繁な取引や少額決済に効果的です。

BitcoinのLightning Networkはステートチャネルモデルで即時・低手数料のBitcoin決済を可能にし、特にマイクロペイメントや繰り返し取引に有効です。

ネスト型ブロックチェーン

ネスト型ブロックチェーンでは、メインチェーンが特定の計算処理を子チェーンに委任し、子チェーンが独立して取引処理・計算を行い、結果を親チェーンに報告して最終決済とセキュリティ保証を受けます。

EthereumのPlasmaフレームワークはこの仕組みの好例で、効率的な取引処理とメインチェーンのセキュリティを両立します。階層構造によるスケーラビリティ向上とベースレイヤーのセキュリティ連携が可能です。

Layer 1とLayer 2の主な違い

Layer 1とLayer 2はいずれもネットワーク性能・スケーラビリティ向上を目指しますが、根本的に異なる方法を採用し、それぞれ独自の利点とトレードオフがあります。

スケーリングソリューションの限界

Layer 1とLayer 2の各ソリューションにはメリットがある一方で、それぞれ独自の限界と課題があり、慎重な検討が求められます。

Layer 1の限界: メインチェーンのアップグレードや変更は非常に困難です。ブロックサイズ拡大やシャーディング、コンセンサスメカニズム変更などの大規模変更はハードフォークを伴い、コミュニティ分裂やチェーンの分岐につながる場合があります。広範なテストや合意形成、調整が必須となり、ガバナンス課題や分裂リスクにより、Layer 1の改良は遅く、対立を招くこともあります。

Layer 2の限界: Layer 2は取引速度とコストの面で大きな改善をもたらしますが、ユーザー体験やシステム構造の複雑化を伴います。ユーザーは資金をメインチェーンとLayer 2間で移動（ブリッジ）する必要があり、初心者には分かりにくく、追加の手順やセキュリティリスクが生じます。Layer 2間で流動性が分散し、資産の移動が難しくなることもあります。

さらに、一部Layer 2は取引の順序付け・処理を中央集権的なシーケンサーに依存し、メインチェーンほど分散化されていない信頼や障害リスクが発生します。このような中央集権性は、ユーザーが理解すべきトレードオフです。

まとめ

ブロックチェーンエコシステムは急速に成長・進化しています。世界規模の普及と大量ユーザー対応には、セキュリティ・分散性・高い取引処理能力を備えたソリューションの開発が不可欠です。

Layer 1のアップグレード（シャーディング・コンセンサスメカニズム改善・プロトコル最適化）は、長期的な持続可能性とスケーラビリティのために重要です。これらの改良がエコシステム基盤を強化します。

一方で、Layer 2ソリューションは現状のユーザー需要や一般普及に不可欠な即時性と低コストを提供し、Layer 1が混雑する場合でも実用的な日常利用を可能にします。

今後は、最終決済とセキュリティ保証には堅牢なLayer 1を維持し、日常取引や複雑なアプリケーション・高頻度運用には柔軟かつ効率的なLayer 2を活用する戦略的な組み合わせが主流となるでしょう。この多層構造こそ、分散性とセキュリティを守りつつ、グローバルなブロックチェーン普及に必要なスケーラビリティを実現する最良の道です。

よくある質問

ブロックチェーンのLayer 1とLayer 2とは何ですか？その根本的な違いは？

Layer 1はBitcoinやEthereumなど基盤となるブロックチェーンネットワークです。Layer 2はLayer 1の上に構築され、取引速度向上と手数料低減を目的としたスケーリングソリューションです。主な違いはLayer 1がメインネットワーク、Layer 2が補助ネットワークとして機能する点です。

Layer 2スケーリングソリューションとLayer 1の比較：利点と欠点は？

Layer 2はオフチェーン処理により高い処理能力と低手数料を実現しますが、Layer 1の直接的なブロックチェーン決済と比べて、追加の複雑性やスマートコントラクトの脆弱性によるセキュリティリスクも生じます。

主なLayer 2スケーリングソリューション（ロールアップ・サイドチェーン・ステートチャネル等）は？

主なLayer 2ソリューションにはロールアップ（Optimistic・ZK）、ステートチャネル、サイドチェーン、Validiumなどがあり、ロールアップは取引をまとめてコストと遅延を削減し、オンチェーン検証や証明によりセキュリティを維持します。

Layer 2の利用はセキュリティに影響しますか？Layer 1とのセキュリティトレードオフは？

Layer 2はLayer 1のセキュリティを継承しますが、単独のLayer 1に比べてセキュリティが劣る場合もあります。ただし、Layer 1の検証機構により十分な安全性を保ちつつ、より速い取引と低手数料を実現します。

Layer 1とLayer 2の取引コストと速度はそれぞれどう違いますか？

Layer 1はネットワーク混雑で取引コストが高く速度も遅くなります。Layer 2はオフチェーン処理によりコストを大幅に削減し、取引速度も高速化します。決済は最終的にLayer 1で処理されます。

EthereumのLayer 2エコシステムにおけるArbitrum・Optimism・Polygonの特徴は？

Arbitrumは高スループットのOptimistic Rollup技術を採用、OptimismはOP Stackによる効率的な実行、Polygonは独自コンセンサスメカニズムのサイドチェーンとして機能します。各ソリューションは速度・セキュリティ・分散性など用途に応じたトレードオフを持ちます。

Layer 1・Layer 2はどんな場面で選択すべきですか？

高いセキュリティや安定性が必要な場合はLayer 1、取引処理能力や手数料の低減が求められる場合はLayer 2を選択します。Layer 1は基盤プロトコルを変更し、Layer 2はそのまま処理能力を拡張します。

Layer 2クロスチェーンブリッジの仕組みとリスクは？

Layer 2ブリッジは分散型仲介者を介して、ロック＆ミント方式でチェーン間の資産移転を可能にします。リスクとしては、セキュリティ脆弱性、スマートコントラクトバグ、バリデータノードの中央集権化、大量移動時の流動性不足などが挙げられます。