Polygon ZK rollups: 知っておくべきすべてのこと

Polygon（旧MATIC Network）は、Ethereumのスケーリングとマスアダプションの促進を目的としたプロダクトを構築するWeb3スタートアップである。

同社の中核プロダクトであるPolygon proof of stake（PoS）サイドチェーンは、低い手数料と高速なトランザクションにより、Ethereumの代替として広く使われるようになった。

現在Polygonは、分散性やセキュリティを犠牲にすることなくEthereumのスループットを向上させるため、zero-knowledge rollups（ZK rollups）群を開発している。ZK rollupsはトランザクションをオフチェーンで処理し、ベースレイヤーでの計算量を削減することでスケーラビリティを実現する。

本ガイドでは、Polygon ZK rollupsの仕組みとそのメリットについて説明する。また、複数のPolygon ZK rollupソリューションを比較し、既存のZK rollupsとの違いについても検討する。

Polygon ZK rollupとは

Polygon zero-knowledge rollupは、複数のオフチェーントランザクションを1つのオンチェーントランザクションに集約するスケーリングソリューションである。 Polygon ZK rollupの仕組みでは、各rollupごとにvalidity proof（ゼロ知識証明）を生成することで、Ethereum Mainnet上のマイナーが個々のトランザクションを検証する必要がなくなる。

validity proofは数学的に証明可能であるため、Ethereumネットワークはバッチ化されたトランザクションの正当性をトラストレスに検証できる。これによりrollupsのセキュリティが向上し、悪意ある行為の実行が格段に難しくなる。

さらに重要な点として、validity proof（ゼロ知識証明）により、rollupトランザクションのメインチェーンでの即座の確定が可能になる。ユーザーは摩擦や遅延を経験することなく、rollupとベースブロックチェーン（Ethereum）の間で資金をシームレスに移動できる。

これに対し、OptimismやArbitrumが採用するOptimistic rollupsでは、ユーザーが資金を引き出す前に待機期間が課される。これによりrollupsの効率性が制限され、ユーザーにとっての価値が低下する。

Polygonネットワークは、ZK rollupsを通じたEthereumのスケーリングへのコミットメントをこれまでも繰り返し表明しており、ゼロ知識技術に10億ドル以上を投資する計画を掲げている。Polygonのスタックには、Zero、Hermez、Miden、Nightfallを含む、ZK rollupsをベースとした少なくとも4つのプロダクトが存在する。

次のセクションでは、各Polygon ZK rollupソリューションについて、その内容を確認する。

Polygon zeroとは

Polygon Zeroは、validity proofの生成にかかる計算コストの削減を目的として設計されたZK rollupソリューションである。 ZK rollupsは確かにスケーラビリティを向上させることができるが、証明生成プロセスが時間とコストを要するため、その機能性には限界がある。

Polygon Zeroは、既存のprover systemより高速な「recursive proofs」を用いることでこの問題を解決する。これらのrecursive proofsは、Mir Protocolのチームが開発したproving mechanismであるPlonky2に基づくものである。

Mir Protocolは、Polygonによる買収までrecursive ZK proofsを通じて分散型アプリケーションのスケーリングを模索していたプロジェクトである。Mir Protocolのコアチームはスケーラブルな証明の研究を続け、2022年1月初旬にPlonky2のローンチにつながった。

recursive proof systemは、既存のZK prover mechanismとは異なる仕組みで動作する。既存のプロジェクトでは、トランザクションのバッチごとに1つずつ証明を生成するという発想である。しかし、これには多くの時間がかかる。

Polygon Zeroは異なるアプローチを採用しており、バッチ内のすべてのトランザクションについて同時に証明を生成する。その後、複数のトランザクション証明を1つの証明に集約し、Ethereumネットワークに提出する。

この仕組みにより、トランザクションrollupsの信頼性のあるvalidity proofを生成するために必要な労力が大幅に削減される。Polygon ZeroのPlonky2は、recursive proofを0.17秒で生成でき、現時点で最も高速なZK証明生成方式であるとも言える。

Polygon ZeroはEthereum Virtual Machine（EVM）との互換性を持つよう設計されており、1ブロックあたり最大3,000件のトランザクションをバッチ処理できる。Polygon Zeroはまだ稼働していないが、暗号研究におけるさらなる進展があれば、Ethereumエコシステムにおいて支配的なZK rollupプロジェクトとなる可能性がある。

Polygon hermezとは

Polygon Hermezは、分散性を主目的としたZK rollupプロジェクトであり、Ethereumネットワーク上で稼働する唯一の分散型ZK rollupと言われている。

Hermezネットワークは、proof of efficiency（PoE）と呼ばれる新しいコンセンサスアルゴリズムを用いて、分散性とネットワークのセキュリティを確保している。この仕組みはSequencersとAggregatorsで構成されており、両者が協力してrollupの機能を担う。Sequencersはトランザクションを受け取ってバッチにまとめ、AggregatorsはEthereumに提出するZK proofsを生成する。

PoEシステムでは、誰でもSequencerまたはAggregatorになることができ、正直な行動を促すための組み込みの暗号経済的インセンティブが用意されている。これにより、Polygon HermezはZK rollupsを悩ませる中央集権化の問題から守られ、ネットワーク上での悪意ある行為の可能性も低減される。

Hermezプロトコルは、実績のあるゼロ知識技術を用いることで高いスループットを実現している。1つのバッチに最大2,000件のトランザクションを含めることができ、各rollup内のトランザクションの正当性を確認するためにSNARK（Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）証明を生成する。

Polygon hermez 2.0

Polygon Hermezは2021年から稼働しているが、利用は低調なままである。HermezはEVM互換性を欠いており、機能は単純なトークン転送とアトミックスワップに限定されている。

しかし、Polygonは将来的にHermezにEVM互換性をもたらす計画を発表している。「Hermez 2.0」と呼ばれるこのプロジェクトでは、既存のZK rollupとEVM実装を組み合わせたzero-knowledge EVM（zkEVM）が導入される予定である。

Hermez 2.0により、PolygonはZK rollupsを通じてEthereumをスケーリングするという約束を果たすことができる。すでにPolygon Hermezチームは、EVMネイティブのマシン命令（opcodes）を使用する計画を立てている。これにより、プロジェクトはEthereumベースのアプリをPolygon Hermezに移植したり、EVM互換アプリをこのrollup上で直接ローンチしたりすることが容易になる。

Polygon midenとは

Polygon Midenは、EVM互換性を備えた汎用のSTARKベースZK rollupである。 STARK（Scalable Transparent Argument of Knowledge）は、より広く使われているSNARKシステムと類似点を持つ暗号証明の一種である。

ZK-STARKsがZK-SNARKsより優れているとする見方もある。これは、前者がtrusted setupを必要とせず、量子コンピュータによる攻撃を抑止できるためである。ただしSTARKsはより大きな証明サイズを必要とするため、利用コストが高くなるという欠点がある。

EVM互換ZK rollupとしてのPolygon Midenは、かなり独自性が高い。他のSTARKベースZK rollups（特にStarkNet）はSolidityスマートコントラクトをサポートできず、Ethereumユーザーにとっての価値が限定される。

Polygon Midenは、任意のロジックの実行やスマートコントラクトの実行に**Miden Virtual Machine（VM）**を利用する。開発者は、SolidityやVyperで書かれたコードを、Miden VMでマシン命令をプログラミングするための言語であるMiden Assemblyに容易にコンパイルできる。

Polygon Midenは1ブロックあたり最大5,000件のトランザクションを処理でき、新しいブロックは5秒ごとに生成される。このZK rollupは現時点ではプロトタイプとして存在するに過ぎないが、ローンチ時には1秒あたり1,000トランザクション（TPS）超のスループットが見込まれている。

Polygon nightfallとは

Polygon Nightfallは、2022年5月17日にEthereum Mainnet上でローンチした、企業向けのプライベートトランザクションを実現するために開発されたエンタープライズ向けrollupソリューションである。 このプロジェクトは、Polygon Technologyと大手企業のErnst & Young（EY）との協業の成果である。

Polygon Nightfallは、Optimistic rollupsとゼロ知識暗号技術を組み合わせた独自のrollup設計を採用している。Optimistic rollupsの利用によりトランザクションコストが下がり、ZK技術によってトランザクションが第三者の目から保護される。

スケーラブルかつプライベートなブロックチェーントランザクションを求める大企業にとって、Polygon Nightfallは説得力のあるユースケースを提供する。

Nightfallはまだ開発段階にあるが、PolygonチームはEthereum Mainnet上でのベータ版ローンチを最近発表した。このZK rollupのアーキテクチャは、以下のコンポーネントに基づいている。

Nightfall contracts

Nightfall Contractsは、L2チェーン上の活動を統制するスマートコントラクトである。また、Block Proposerシステムを管理し、Block Proposerの選定・ローテーション・排除を担う。

Block proposers

これは、トランザクションの検証とバッチへのrollup、そしてそのL1ブロックチェーンへの提出を担うノードである。

Challengers

Challengersは、Block Proposersの間で正直な行動を確保するために選ばれるノードである。Challengersはfraud proofを作成し、それをオンチェーンで提出することで、不正なブロックに異議を申し立てることができる。

Liquidity providers

Liquidity Providers（LPs）は、L2チェーンを監視し、Ethereumへの出金を希望するユーザーに流動性を提供する。LPは、他のOptimistic rollupシステムを悩ませる出金遅延の問題を解決するため、Polygon Nightfallの運用にとって重要な存在である。

Polygon Nightfallは、ERC-20、ERC-1155、ERC-777トークンの安全かつプライバシーを保護した取引を可能にする。推定100 TPSのレートで、Nightfallは、Ethereum上で迅速かつプライベートに取引を行いたい企業クライアントにとって有用なソリューションである。

Polygon ZK rollupsは他のzero-knowledge rollupsとどう違うのか

Polygon ZK rollupsは、速度、コスト、そしてEVM互換の計算をサポートする能力の点で、他のzero-knowledge rollup設計とは異なっている。

Polygon ZK rollupsはより高速である

StarkNetやzkSyncといった従来のZK rollupsに伴う欠点は、validity proofの生成にかかる計算コストである。多くの場合、proving mechanismの非効率性がZK rollupsのメリットを相殺してしまう。

一方、Polygon ZK rollupsは証明生成にかかる計算コストを削減するよう設計されている。PolygonのZK rollupの1つであるPolygon Zero（Plonky2を使用）は、recursive ZK proofsを170ミリ秒で生成できる。

Polygon ZK rollupsはEVM互換である

zkSyncは最近zero-knowledge EVM実装をリリースしたが、ほとんどのZK rollupsはEthereumと互換性がない。例えばStarkNetを利用するには、StarkNet OS上でプログラムを実行するためのチューリング完全な言語であるCairoを習得する必要がある。

これが意味するのは、こうしたシステムがPolygonのZK rollupsのようにはEthereumの機能を拡張できないということである。ユーザーはこうしたZK rollups上でEthereumベースのアプリにアクセスできず、開発者もEthereumのネットワーク効果を効果的に活用することができない。

Polygon ZK rollupsはより安価に利用できる

Polygonのゼロ知識rollupスタックは、L2s利用に伴うコストを最小化するよう設計されている。ZK rollupsは、validity proofの生成に高価で専門的なハードウェアが必要であり、そのコストがユーザーに転嫁されることから、しばしば批判の対象となる。

Polygon ZeroのようなPolygon ZK rollupsは、証明方式の簡素化を目指しており、これにより性能の低いデバイスでも参加できるようになる。例えば、Plonky2の証明生成のテストは、一般消費者向けのPCで実施された。

さらに、Polygon ZK rollupsは、他のZK prover mechanismと比べて証明サイズが小さい。先述のPlonky2は、45kbという小さな証明を生成できる。これによりハードウェアの中央集権化が排除されるだけでなく、エンドユーザーのコスト負担も軽減される。

Polygon ZK rollupsが重要な理由

Polygon ZK rollupsは、そのスケーラビリティ、トランザクション手数料の低さ、そしてセキュリティの点で重要である。

1. スケーラビリティ

Zero-knowledge rollupsは、分散性とセキュリティを維持しながらEthereumをスケーリングする取り組みの大きな柱となっている。Polygon ZeroやPolygon HermezのようなZK-rollupsは、スループットを1秒あたり数千トランザクションにまで引き上げることができる。

2. 低いトランザクション手数料

法外なガス代は、Ethereumユーザーにとって大きな問題となってきた。トランザクションをメインチェーンから切り離し、ネットワークの混雑を緩和することで、Polygon ZK rollupsはEthereumのトランザクション手数料を大幅に引き下げることができる。

3. セキュリティ

ZK rollupsは強固な暗号技術に基づいており、他のrollup設計よりも高いセキュリティ水準を備えている。Optimistic rollupsのように経済的インセンティブや信頼の前提に依存するのではなく、ZK rollupsは暗号学的な保証によってネットワークのセキュリティを確保する。

Polygon ZK rollupsはトランザクションデータをEthereum上に投稿するため、ユーザーはLayer 2（L2）チェーン上で行われたトランザクションの執行をEthereumに委ねることができる。このため、ZK rollupsはEthereumのスケーラビリティ問題に対する最も有力なソリューションの1つとされている。

4. イノベーション

Ethereumのスケーラビリティ面での制約は、開発者が実現できることを制限しうる。Polygon ZK rollupsの導入による処理能力の向上により、Ethereum開発者は新たなユースケースを見出し、新しい領域へと展開していく可能性が高い。

結論

Zero-knowledge rollupsは、Ethereumのスケーラビリティ問題に対する最も評価の高いソリューションの1つである。PolygonがZK rollupsの統合にコミットすることで、Ethereumをスケーリングできる可能性が高まる。

Polygon ZK rollupsは、Ethereumの処理能力を大幅に向上させ、マスアダプションを後押しする可能性を秘めている。AlchemyはEthereumのスケーリングにコミットしており、Polygon上での開発を行う開発者を支援している。

よくある質問

Polygon ZK rollupとは何か

Polygon zero-knowledge rollupは、複数のオフチェーントランザクションを1つのオンチェーントランザクションに集約するスケーリングソリューションであり、validity proofsを用いることで、セキュリティや分散性を犠牲にすることなくトラストレスな検証を可能にする。

Polygon ZK rollupsは他のZK rollupsとどう違うのか

Polygon ZK rollupsは、より高速な証明生成（約170ミリ秒）、より小さな証明サイズ（45KB）、Ethereumアプリの移行を容易にするEVM互換性、そして一般消費者向けハードウェアで済む要件による低コストを提供する。

Polygon zeroとは何であり、どのように機能するのか

Polygon Zeroは、Plonky2によるrecursive proofsを利用して計算コストを削減するZK rollupソリューションであり、validity proofsを0.17秒で生成し、1ブロックあたり最大3,000件のトランザクションを、完全なEVM互換性を保ちながらバッチ処理する。

Polygon hermezがZK rollupsの中で独自である点は何か

Polygon Hermezは、Ethereum上で稼働する唯一の分散型ZK rollupであり、誰でもSequencerまたはAggregatorになれるProof-of-Efficiencyコンセンサスシステムを用いて、1バッチあたり最大2,000件のトランザクションをサポートする。

Polygon ZK rollupsはOptimistic rollupsとどう比較されるのか

Polygon ZK rollupsは暗号学的なvalidity proofsによりトランザクションの即時ファイナリティを提供する一方、Optimistic rollupsは待機期間を必要とし、セキュリティのために数学的な保証ではなく経済的インセンティブに依存する。

Polygon midenとは何か

Polygon Midenは、STARKベースでEVM互換のZK rollupであり、5秒ごとに1ブロックあたり最大5,000件のトランザクションを処理でき、Miden Virtual Machineを用いてローンチ時には1,000 TPS超を目指している。

Polygon ZK rollupsはEthereumのスケーリングにどのようなメリットをもたらすのか

これらは、スループットを1秒あたり数千トランザクションにまで引き上げ、ガス代を大幅に削減し、暗号学的証明によって高いセキュリティを維持し、トランザクションデータをEthereum上に投稿することでEthereumから保護を継承する。

Polygon nightfallは何のために設計されたのか

Polygon Nightfallは、Optimistic rollupsとゼロ知識暗号技術を組み合わせたエンタープライズ向けrollupソリューションであり、企業向けのプライベートトランザクションを実現し、ERC-20、ERC-1155、ERC-777トークンを約100 TPSでサポートする。