レイヤー2スケーリング入門：ロールアップ・サイドチェーン・ステートチャネルの仕組みと選び方
エバープレイ編集部レイヤー2スケーリングソリューションとは — 概要
レイヤー2（Layer 2、以下 L2）スケーリングソリューションは、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題を解決するための技術群を指します。特にイーサリアムのようなセキュリティ重視のレイヤー1（L1）チェーンの上で、取引処理能力（TPS）を拡張し、手数料を低減し、ユーザー体験を向上させることを目的としています。L2 は「ロールアップ」「サイドチェーン」「ステートチャネル」「Plasma／Validium」など複数の設計パターンが存在し、それぞれトレードオフ（セキュリティ・コスト・即時性・互換性）を抱えます。
なぜ L2 が重要か
主要なパブリックブロックチェーンはセキュリティと分散性を優先する設計のため、単独で大量のトランザクションを処理すると手数料が高騰したり、遅延が生じたりします。L2 は以下の点で重要です。
- コスト低下：多くのトランザクションをバッチ化して L1 に投稿することで、1件あたりの手数料を大幅に低減する。
- スループット向上：オフチェーンで多数の処理を行い、実効的な TPS を向上させる。
- ユーザー体験：即時性や低料金により、決済や dApp 利用の敷居を下げる。
- エコシステム拡張：多様なアプリケーション（DEX、ゲーム、NFT、大規模決済）を可能にする。
L2 の主要な種類と仕組み
代表的な L2 ソリューションには、ロールアップ（Optimistic / ZK）、サイドチェーン、ステートチャネル、Plasma/Validium などがあります。以下にそれぞれの概念と特徴を整理します。
ロールアップ（Rollups）
ロールアップは、トランザクションデータやステート変化の要約（要はバッチ）を L1 に投稿しつつ、実際の実行や多くのデータ処理を L2 側で行う方式です。データを L1 に置くことでセキュリティを高める一方、処理効率を高められます。ロールアップには大きく分けて「Optimistic Rollup」と「ZK-Rollup（Zero-Knowledge Rollup）」があります。
- Optimistic Rollup：トランザクションは有効と見なされ、もし不正が疑われればチャレンジ（不正証明＝fraud proof）を行う仕組み。チャレンジ期間が存在するため、最終確定には一定の遅延（例：数時間〜数日）がある。代表プロジェクト：Arbitrum、Optimism。
- ZK-Rollup：各バッチに対して暗号的に正しさを証明する「正当性証明（validity proof）」を L1 に載せる方式。証明があるため即時的に最終確定に近い扱いができる。計算コストは高かったが、近年は zk-SNARK / zk-STARK の進化や zkEVM の出現で普及が進む。代表プロジェクト：zkSync、StarkNet（Cairo ベース）、Polygon zkEVM。
サイドチェーン（Sidechains）
サイドチェーンは、独自のコンセンサス機構（多くは PoS 系）を持つ別チェーンで、L1 とブリッジを介して資産を移動させて利用する方式です。処理能力は高くコストも低いが、セキュリティは L1 に依存しない独立したものとなり、ブリッジやバリデータの信頼性が重要になります。代表例：Polygon PoS（以前は Matic）。
ステートチャネル（State Channels）
ステートチャネルは、参加者間でオフチェーンに複数の状態遷移（トランザクション）を行い、最終的な状態だけを L1 に投稿する方式です。即時性が高く手数料が極めて低いが、参加者がオンラインである必要や、チャネル外の第三者との汎用利用が難しい点がある。代表例：Bitcoin の Lightning Network、Ethereum の Raiden（概念）。
Plasma / Validium
Plasma は、部分的に L1 のセキュリティを利用しつつ、データを完全にオフチェーンで保持することでスケーリングを図る方式で、Exit（退出）メカニズムを持ちます。Validium は似た考えで、処理の正当性を証明するがトランザクションデータを L1 に置かないため「データ可用性（DA）」に関して異なるトレードオフを持ちます（例：StarkEx の Validium モード、Immutable X）。DA を L1 に置かないと、ユーザーが大量退出を行う「mass exit」リスクが存在します。
データ可用性（DA）とセキュリティモデル
L2 を評価する上で「データ可用性」が極めて重要です。ロールアップが L1 にデータを投稿する場合、L1 の DA によって任意の時点の履歴を再構築でき、L1 のセキュリティを強く享受できます。一方、Validium や独立サイドチェーンは DA を外部に置くため、DA の提供者やブリッジの安全性に依存します。
近年は Celestia のような「データ可用性専用チェーン」や、DA を分散的に提供するための Data Availability Sampling（DA サンプリング）技術が注目されています。これにより、ロールアップは L1 の代わりに専用 DA レイヤーを使う選択肢を持つようになります。
主な技術的なトレードオフ
- セキュリティ vs コスト：L1 にデータを置くロールアップは高いセキュリティを確保しやすいが、L1 ガスコストの影響を受ける。
- 最終性の速度：ZK-rollup は検証が成功すれば即時に近い最終性を提供するが、証明生成（prover）に時間が掛かる場合がある。Optimistic は証明待ち時間（チャレンジ期間）があり、最終確定が遅れる。
- 互換性：既存のスマートコントラクト（EVM）との互換性をそのまま保つのは難しく、zkEVM のような互換レイヤーが求められている。
- オペレーターの集中度：Sequencer（取引を並べる存在）やブリッジ運営の集中度は検閲耐性や単一障害点のリスクとなる。
運用上の課題とエコシステムの対策
L2 を実運用する際には、以下のような課題が現実的に存在します。
- ブリッジの安全性：L1 と L2 間の資産移動を扱うブリッジが攻撃を受けるケースが多く、マルチシグやカスタム検証で改善を図る必要がある。
- シーケンサ検閲と MEV：シーケンサが取引順序を操作して利益を得る MEV（最大抽出可能価値）の問題が残る。分散シーケンサーやシーケンス抽選の研究が進んでいる。
- ユーザーの UX：ウォレット、資金のブリッジ移動、出金の遅延などはユーザー体験に影響する。ホットリレイヤーや流動性を使った「迅速な出金」ソリューションが実用化されている。
- 開発者ツールの成熟：トレース、デバッグ、監査ツール、ローカルテスト用のライブラリや EVM 互換レイヤー（zkEVM）などが求められる。
代表的プロジェクトと動向（例）
- Arbitrum（Optimistic Rollup）— 高い EVM 互換性と大規模採用。
- Optimism（Optimistic Rollup / OP Stack）— モジュラーに設計され、コミュニティ主導の開発。
- zkSync（Matter Labs）（ZK-Rollup / zkEVM の取り組み）— zk を用いた低コスト・高速送金。
- StarkNet / StarkEx（STARK ベース）— Cairo 言語と STARK による高効率な証明。
- Polygon PoS（サイドチェーン）— 高 TPS と低手数料だが独立したセキュリティモデル。
- Immutable X（StarkEx Validium）— NFT 向けにデータをオフチェーンで処理する方式。
- Celestia（データ可用性レイヤー）— データ可用性のモジュール化を目指す新興インフラ。
将来展望 — ロールアップ中心化への道とモジュール化
イーサリアムのロードマップでは、L1 はセキュリティとカーネル的な機能（最終決定・ガバナンス）に集中し、スケーリングは主に L2 に委ねられる「ロールアップ中心（rollup-centric）」の世界観が提示されています。これに伴いインフラはモジュール化が進み、実行（execution：ロールアップ）、データ可用性（DA：Celestia 等）、セキュリティ（L1）の各レイヤーを組み合わせることで柔軟な設計が可能になります。
まとめ — どの L2 を選ぶべきか
L2 の選択はユースケースによって変わります。低レイテンシで参加者数が限定される決済にはステートチャネル、NFT や DEX の高頻度な利用には ZK-Rollup、汎用性と既存スマートコントラクト互換を重視するなら Optimistic Rollup や zkEVM を検討すると良いでしょう。重要なのは、セキュリティ要件（L1 依存度）、コスト、最終性の速度、開発・運用コスト、ブリッジの信頼性などを総合的に評価することです。
参考文献
- Ethereum — Scaling (公式ドキュメント)
- Optimism — 公式サイト
- Arbitrum — 公式サイト
- zkSync — 公式サイト
- StarkWare / StarkNet — 公式サイト
- Polygon — 公式サイト
- Celestia — Data Availability (公式ドキュメント)
- Roadmap to Rollups（Ethereum Foundation ブログ）
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