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概要

This guide is designed to help developers and enterprises navigate the complex landscape of rollup frameworks. With the rise of Layer 2 (L2) solutions, launching your own rollup has become an attractive option for scalability, security, and cost efficiency.

このガイドでは、OP Stack、ZK Stack、Arbitrum 、Polygon 4つの人気のあるstacks解説し、比較していきます。本ガイドの目的は、各フレームワークの長所、短所、そして独自の特徴について、皆様に明確に理解していただくことです。

Whether you're a blockchain developer looking to launch your own rollup or a company exploring Layer 2 solutions for your blockchain application, this guide will serve as a valuable resource in your decision-making process.

レイヤー2とロールアップの理解

レイヤー2ソリューションとは何ですか？

Layer 2 (L2) solutions are protocols built on top of existing blockchain networks (Layer 1) to improve their scalability and efficiency. These solutions process transactions off the main chain while inheriting the security guarantees of the underlying blockchain.

The primary goal of L2 solutions is to address the scalability trilemma faced by many blockchain networks, which involves balancing scalability, security, and decentralization.

ロールアップの解説

Rollups, a specific type of Layer 2 solution, bundle or "roll up" multiple transactions into a single batch, which is then submitted to Layer 1 blockchain. This approach significantly reduces transaction costs and increases throughput while maintaining the security of the underlying Layer 1.

ロールアップは、トランザクションデータをレイヤー1（Ethereum）に送信し、そこで検証・保存されることで、このセキュリティを実現しています。これにより、ロールアップはトランザクションの実行をオフロードしつつ、レイヤー1のコンセンサスメカニズムからセキュリティを享受することができ、より安価で効率的な処理が可能になります。ロールアップについてさらに詳しく知りたい方は、当社の「Ethereum 」をご覧ください。

ロールアップの種類：オプティミスティック型とZK型

ロールアップには、主に「ゼロ知識（ZK）ロールアップ」と「オプティミスティック・ロールアップ」の2種類があります。どちらもスケーラビリティの向上を目的としていますが、トランザクションの有効性を保証するアプローチが異なります。

楽観的ロールアップ

オプティミスティック・ロールアップは、デフォルトですべてのトランザクションが有効であると仮定するため、処理時間を短縮できます。ただし、この方式には「チャレンジ期間」が設けられており、この期間中は誰でもトランザクションの有効性に異議を申し立てることができるため、最終確定に至るまでに遅延が生じます。

This challenge period typically lasts between 1 and 7 days, depending on the specific implementation. Some projects may adjust this duration based on security requirements or user preferences for faster finality. For example, Optimism has a standard 7-day challenge period, while other rollup implementations may opt for shorter or longer durations.

異議申し立て期間中、「異議申立人」（異議申立人の選定はLayer2の実装によって異なります）は、不正な取引が疑われる場合、不正証明を提出することができます。異議申し立てが認められた場合、その取引はLayer1上で再実行され、その正当性が検証されます。 無効な異議申し立てを防ぐため、チャレンジャーは、トランザクションを提出する当事者と同様に、保証金をステークする必要があります。トランザクションが不正とみなされた場合、提出者の保証金は没収され、これにより有効なトランザクションを確保するための金銭的インセンティブが生まれます。

オプティミスティック・ロールアップ - パーミッションレスなフォールトプルーフ（画像出典）

まとめると、

• 楽観的ロールアップでは、トランザクションはデフォルトで有効であると見なし、紛争が発生した場合にのみ計算を実行します。
• オプティミスティック・ロールアップには、「チャレンジ期間」と呼ばれる期間があり、この期間中はトランザクションが確定する前に異議を申し立てることができます。
• The selection of challengers depends on the L2 protocol; for example, anyone can be a challenger on OP Mainnet (Optimism), while Arbitrum uses a whitelist of actors for fraud proofs.
• 一般的に、実装が容易であり、既存のEthereum との互換性も高い。

Examples of Optimistic Rollups: OP Mainnet (Optimism), Arbitrum, Base, Blast

オプティミスティック・ロールアップを採用しているプロジェクトの一覧や、より詳細な分析については、L2Beatをご覧ください。

ゼロ知識（ZK）ロールアップ

ZKロールアップは、暗号学的証明を用いてオフチェーンでトランザクションの有効性を検証し、その結果をレイヤー1に送信します。このアプローチにより、チャレンジ期間を必要とせずに迅速なファイナリティを実現できますが、より複雑な計算が必要となります。

• 暗号学的証明（すなわち、ZK-SNARKs）を用いて、トランザクションの妥当性を検証する。
• メインチェーン上でプルーフが検証され次第、near即時に確定性を提供します。
• 一般的にスループットは高くなりますが、実装が複雑になる場合があります。

ZKロールアップの例：ZKsync 、Scroll、Linea、Starknet

ZKロールアップのその他の事例については、L2Beatをご覧ください。

主要な構成要素：決済層、データ可用性層、コンセンサス層、および実行層

ロールアップの基本について解説したところで、次はロールアップアーキテクチャを構成する主要な要素についてさらに詳しく見ていきましょう。これらの要素と、ロールアップエコシステムにおけるそれぞれの役割について探ってみましょう：

データ可用性（DA）レイヤー

• このレイヤーは、トランザクションデータを保存し、検証のために利用可能にする役割を担っています。
• Data can be stored onchain (Layer 1) or offchain (using separate data availability solutions such as Celestia).
• これは、誰もがロールアップの状態を再現し、その完全性を確保できるようにするために極めて重要です。
• データ可用性レイヤーでは、多くの場合、データ圧縮技術やコールデータの最適化が用いられ、場合によっては独立したDAネットワークが導入されることもあります。

Onchain vs. OffChain Data Availability

Onchain (Layer 1): Storing data on Layer 1 provides the highest level of security, as the data inherits the security guarantees of the base layer (Ethereum). However, it can be expensive due to high costs associated with storing data directly onchain. The introduction of blob storage (EIP-4844) has improved scalability and reduced costs, making onchain storage more efficient for rollups.

Offchain: Offchain solutions, offer more cost-effective and scalable options by moving data storage outside of Layer 1. This allows rollups to handle a higher volume of transactions at a lower cost. The downside is that offchain solutions may not always provide the same level of security as onchain storage, although they often use robust verification methods to ensure data integrity.

コンセンサス層

• このレイヤーは、ノードがロールアップの状態についてどのように合意を形成するかを決定します。
• フレームワークによって異なる場合があります（例：シングルシーケンサー、マルチパーティ計算など）。
• コンセンサス層は、ロールアップの分散性とセキュリティ特性に大きな影響を及ぼします。
• これには、シーケンサー選択メカニズム、リーダー選出アルゴリズム、あるいは閾値署名方式などがしばしば含まれる。

決済層

• This is the blockchain where the final state of the rollup is settled and secured, typically the Layer 1 chain (e.g., Ethereum mainnet).
• これは、プルーフ（オプティミスティック・ロールアップの場合は不正防止プルーフ、ZKロールアップの場合は有効性プルーフ）の検証と仲裁を行うことで、ロールアップ上で処理される取引の安全性と最終性を保証します。
• 決済レイヤーでは、L1上のスマートコントラクトが、ステートルート管理、入出金の処理、および不正防止証明や有効性証明の処理を行います。

実行層

• ここで実際にトランザクションが処理され、状態の変化が生じます。
• 通常、仮想マシン（VM）環境（例：EVM、zkEVM、AVM）が使用されます。
• 実行レイヤーは、ロールアップの計算環境とスマートコントラクトの機能を決定します。

ロールアップの立ち上げにおける重要な考慮事項

チェーンやロールアップのフレームワークについて詳しく説明する前に、ロールアップの立ち上げや運用において直面する可能性のある重要な概念や課題を理解しておくことが不可欠です。

ロールアップの成熟段階

Rollups typically go through several stages of maturity, often referred to as "training wheels" stages. These stages reflect the level of decentralization and the extent of control retained by the developers.

1. 補助輪付き（ステージ0）：

• High centralization with developers having significant control.
• ガバナンスの手続きを経ることなく、システムを迅速にアップグレードできる機能。
• 迅速な反復開発やバグ修正に役立ちます。
• 中央集権化によるリスクが高まる。

2. 補助輪の使用制限（ステージ1）：

• 開発者による一定の管理権限を伴う部分的な分散化。
• アップグレードには、時間的な遅れやマルチシグによる承認が必要になる場合があります。
• 柔軟性と分散化のバランス。

3. 補助輪なし（ステージ2）：

• コミュニティによるガバナンスを伴う完全な分散化。
• すべての重要な決定およびアップグレードは、トークン保有者によって決定されます。
• 分散化のレベルは最高だが、変更の実施には時間がかかる。

L2Beat.comのロールアップ・ステージ

Windowsの終了および引き出し期間

Exit windows are a critical security feature in rollup systems. They refer to the amount of time users have to withdraw their assets from the rollup to the main chain before a potentially unwanted upgrade takes effect. This concept is crucial for user protection and system integrity.

Withdrawal periods refer to the period during which users can withdraw their assets from a rollup to the main chain. This is particularly longer for Optimistic rollups due to their challenge period compared to ZK rollups.

業務上の一般的な課題

ロールアップを運用する際には、システムの回復力や分散性を試すような課題がいくつか生じることがあります。こうした課題と、さまざまなフレームワークがそれらにどのように対処しているかを理解することは、安全かつ効率的なロールアップを維持するために極めて重要です。

ここでは、よく見られる2つの課題、すなわちシーケンサーの障害とプロポーザーの障害について見ていきましょう。

シーケンサーの故障

シーケンサーは、ロールアップ内のトランザクションの順序付けを担当します。シーケンサーに障害が発生すると、トランザクションの処理が停止したり遅延したりする可能性があります。

フレームワークによって、シーケンサーの障害への対処方法はさまざまです：

L1 キューへの提出：

• Users can submit transactions to a queue on the Layer 1 (L1) blockchain.
• シーケンサーはこのキューを処理し、たとえ遅延が生じた場合でもトランザクションが確実に含まれるようにします。
• 実装によっては、シーケンサはトランザクションを選択的にスキップすることはできず、キュー全体の処理を停止する場合があります。

遅延を伴う自己シーケンス：

• Users can force transaction inclusion by submitting them directly to L1.
• これには、プライマリ・シーケンサーが回復するまでの間、しばしば（例えば24時間程度の）遅延が生じます。
• セキュリティと、タイムリーな取引処理の必要性とのバランスを図っています。

即時のメカニズムはない：

• Some frameworks may not have an active mechanism for users to bypass a failed sequencer.
• This approach relies on the sequencer's reliability but may lead to temporary system halts if the sequencer fails.

分散型シーケンサー・プール：

• プライマリが故障した場合、複数のバックアップシーケンサが引き継ぐことができます。
• 分散化と回復力を高める一方で、複雑さが増す可能性がある。

提案者の不履行

プロポーザーは、ロールアップからL1チェーンへステート更新情報を送信します。プロポーザーの障害は、ファイナリティの確定を遅らせ、出金に影響を与える可能性があります。

フレームワークによって、プロポーザーの障害への対処方法は異なります：

ホワイトリストに登録された提案者のみ：

• 事前承認を受けた提案者のみが、L1上にステートルートを発行することができます。
• 万が一、すべての対策が失敗した場合、問題が解決するまで出金を停止する可能性があります。
• 制御機能を提供するが、その代償として一元化が進む。

遅延付き自己提案：

• 一定期間（例：12日間）活動がない場合、誰でも提案者になることができます。
• 信頼性の高い既知のプロポーザーの必要性と、耐障害性を確保するためのフォールバック策とのバランスを取っています。

遅延付きオープン・プルービング：

• Users can submit proofs to the L1 bridge after a delay.
• 状態の検証や確定に、それぞれ個別の遅延が生じる可能性があります。
• 分散型のフォールバック機能を提供しますが、時間的な制約が生じる可能性があります。

複数のバックアップ提案者：

• 複数の事業体が提案者として活動する権限を有しています。
• 一人が失敗しても、他の人がその穴を埋めることができるため、回復力が向上する。

これらのアプローチを理解することで、分散化、セキュリティ、運用効率といったプロジェクトの目標に沿ったフレームワークを選択するのに役立ちます。

チェーンフレームワーク入門

In the context of blockchain development, a chain framework or stack refers to a set of software components, tools, and protocols that work together to create a functional blockchain network or, in this case, a rollup solution.

チェーン・フレームワークには、いくつかの重要な役割があります：

• Standardization: They provide a consistent set of tools and interfaces, making it easier for developers to build and deploy applications.
• Modularity: Frameworks often have a modular design, allowing developers to customize or replace specific components as needed.
• Abstraction: They abstract away much of the underlying complexity of blockchain systems, enabling developers to focus on building applications rather than reinventing core functionalities.
• Ecosystem Support: Frameworks often come with extensive documentation, community support, and additional tools that facilitate development and deployment.
• Interoperability: Many frameworks are designed with interoperability in mind, making it easier to connect with other blockchain networks or Layer 1 solutions.

In the context of rollups, chain frameworks provide the necessary components to create, deploy, and operate a Layer 2 solution. This includes tools for transaction processing, state management, proof generation (for ZK rollups), fraud proof systems (for Optimistic rollups), and interfaces with the underlying Layer 1 blockchain.

フレームワークの選択は、ロールアップのさまざまな側面に大きな影響を与える可能性があります。具体的には、次のような点が挙げられます：

• パフォーマンスとスケーラビリティ
• セキュリティモデル
• 開発者の体験
• 既存のツールやアプリケーションとの互換性
• カスタマイズ性と柔軟性
• Community support and ecosystem growth

As we explore the four main rollup frameworks (OP Stack, ZK Stack, Arbitrum Orbit, and Polygon CDK), we'll examine what features they provide to developers.

ロールアップ・フレームワークの詳細な分析

OP Stack

The OP Stack, developed by Optimism, is an open-source framework for building optimistic rollups. It's designed to be modular and customizable, allowing developers to create their own Layer 2 (L2) and Layer 3 (L3) solutions with varying degrees of similarity to the Optimism mainnet.

主な特徴：

• オプティミスティック・ロールアップ・アーキテクチャ
• Ethereum シームレスなEthereum を実現するEVM等価性
• さまざまなコンポーネントをカスタマイズできるモジュール式設計
• トランザクション検証のためのフォールトプルーフシステム
• 相互接続されたL2チェーンのためのスーパーチェーン・コンセプト
• カスタムネイティブガストークンに対応

スーパーチェーン

The Superchain is OP Stack's vision for a network of standardized L2 chains (OP Chains) that share security, communication protocols, and core technology. This approach aims to create a unified layer of interoperable chains, allowing developers to build applications that can seamlessly operate across multiple chains within the ecosystem.

アーキテクチャ：

• コンセンサス層／トランザクションのシーケンス処理：シングル・シーケンサー・モデルを採用（カスタマイズにより、マルチ・シーケンサー・モデルを選択することも可能）
• Data Availability: Onchain data posting to Ethereum (using other EVM or non-EVM chains as DA is possible with customization)
• 実行レイヤー：EVMと同等の環境
• Settlement Layer: Ethereum mainnet (settlement mechanisms on multiple external chains are possible with customization)

ZK Stack

The ZK Stackは、Matter Labsによって開発された、ZKロールアップ（L2およびL3）を構築するためのフレームワークです。これは、Ethereum における主要なZKロールアップソリューションの一つZKsyncを支える技術です。

主な特徴：

• ゼロ知識ロールアップアーキテクチャ
• EVMとの高い互換性を実現するLLVMベースのzkEVM
• アカウント抽象化機能が標準搭載
• 再帰的証明によるハイパースケーラビリティ
• ネイティブ・トークンのブリッジング
• カスタムネイティブガストークンに対応
• スケーラブルで相互接続されたZKロールアップのための弾性チェーンアーキテクチャ

ZKsync ・チェーン

「Elastic Chain Architecture」は、相互接続されたZKロールアップからなるスケーラブルなネットワークを構築するための、ZK Stackのアプローチです。これは主に3つの構成要素から成っています：

• ZK Router：Ethereum スマートEthereum ネットワーク全体の状態と共有流動性を管理する。
• ZK Gateway：ZKチェーン間の相互運用性を促進し、Ethereum連携を最適化するミドルウェア。
• ZKチェーン：ZKゲートウェイやEthereum を通じて相互接続を維持しつつ、独立して動作する、カスタマイズ可能な自律型ロールアップ。

このアーキテクチャは、ゼロ知識証明のセキュリティと効率性を活用しつつ、流動性の断片化を防ぎ、複数のZKロールアップにわたるシームレスなスケーリングを実現することを目的としています。

アーキテクチャ：

• コンセンサス層／トランザクションのシーケンス：さまざまな選択肢（集中型シーケンサー、分散型シーケンサー、優先度キュー、または外部プロトコル）
• Data Availability: Onchain data posting to Ethereum (with other options)
• 実行レイヤー：zkEVM環境
• Settlement Layer: Ethereum mainnet

ZK Stackのカスタマイズ -ソース

Arbitrum Orbit

Arbitrum Orbitは、Offchain Labsによって開発された、Arbitrumレイヤー2（L2）技術の上に構築された、カスタマイズ可能なレイヤー2（L2）およびレイヤー3（L3）チェーンを作成するためのフレームワークです。

主な特徴：

• Arbitrumオプティミスティック・ロールアップ技術に基づいて構築されています
• カスタマイズ可能なモデル（AnyTrust または Rollup）
• 柔軟なデータ利用オプション
• カスタムネイティブガストークンに対応
• Stylus that Allows developers to write smart contracts in popular programming languages like Rust, C, C++, and any language that compiles to WASM.

Arbitrum - Stylus（画像出典）

アーキテクチャ：

• コンセンサス層／トランザクションのシーケンス処理：カスタマイズ可能（単一のシーケンサーまたは分散型）
• Data Availability: Onchain data posting to Ethereum or using Arbitrum's AnyTrust protocol
• 実行レイヤー：EVM互換性にはArbitrum を、WASMベースのプログラミング言語にはStylusを採用。
• 決済レイヤー：Arbitrum レイヤー2）またはEthereum レイヤー1）

Polygon CDK

Polygon Development Kit (CDK) は、Ethereum上でZK技術を活用したL2チェーンやアプリチェーンを構築・立ち上げするためのモジュール式フレームワークです。

主な特徴：

• ZKロールアップモデルに対応しています
• カスタマイズ可能なデータ可用性ソリューション
• Native gas token support
• CDKで構築されたチェーン間の相互運用性を実現するAggLayer

AggLayer

The AggLayer is Polygon's developing interoperability protocol designed to enable seamless communication between chains built with Polygon CDK. It facilitates trustless token transfers and message-passing between different chains. While initially focused on CDK-built chains, the AggLayer aims to eventually support a wide range of blockchain architectures, including L2s, appchains, and non-EVM chains.

アーキテクチャ：

• コンセンサス層／トランザクションのシーケンス処理：柔軟（単一のシーケンサーまたは分散型）
• Data Availability: Customizable (onchain, offchain, or hybrid)
• 実行レイヤー：zkEVM環境
• Settlement Layer: Ethereum mainnet or other supported networks

Polygon のカスタマイズ -ソースコード

ロールアップ・フレームワークの比較

特集	OP Stack	ZK Stack	Arbitrum Orbit	Polygon CDK
ロールアップタイプ	楽観的	ZK	楽観的	ZK
EVM互換性	EVM相当	High (zkEVM)	EVM相当	EVM相当
証明システム	誤りの証明	ZK証明	誤りの証明	ZK証明
相互運用性	スーパーチェーン	弾性チェーンアーキテクチャ	Arbitrum Orbit	AggLayer
データの入手可能性	Ethereum、各種DAレイヤー	Ethereum、さまざまなDAの選択肢	Ethereum、データ可用性委員会（DAC）、Celestia、アベイル	Ethereum、データ可用性委員会（DAC）
仮想マシン	EVM	zkEVM	EVM + WASM (Stylus)	Polygon zkEVM
最終性	約7日間	分／時間	約7日間	分／時間
トランザクションの順序付け	シングル・シーケンサー、マルチ・シーケンサー	集中型シーケンサ、分散型シーケンサ、優先度キュー、外部プロトコル	集中型シーケンサー、分散型シーケンサー	集中型シーケンサー、分散型シーケンサー
ロールアップの成熟段階 [以下の注を参照]	ステージ0	ステージ0	第1段階	ステージ0
カスタムガストークン	対応済み	対応済み	対応済み	対応済み
必要な計算	中程度	高	中程度	高
Programming Language Support	Solidity	Solidity、Vyper	Solidity、Rust、C、C++など	Solidity、Vyper
TPS（1秒あたりのトランザクション数） [以下の注を参照]	140 TPS	180 TPS	不明	5 TPS
ネットワーク層の柔軟性	L2およびL3に対応	L2およびL3に対応	L2およびL3に対応	L2に対応しています

ロールアップの成熟段階に関する注記

これらの成熟度段階はL2Beatから得られたものであり、これらのフレームワーク（例：ZKsync 、Arbitrum ）上に構築された特定のチェーンを反映したものです。したがって、フレームワーク自体を使用して作成されたすべてのロールアップに当てはまるとは限りません。分散化の程度や成熟度は、ロールアップのカスタマイズや実装方法によって大きく異なる場合があります。

詳細については、こちらをご覧ください。

TPSに関する注記：AMM TPSテスト

TPSデータは、Uniswap V2形式のAMMプールにおけるトークンスワップ取引を用いてスループットを測定するためのAMMテストから取得されます。

It is important to note that these results are specific to ZKsync, OP Mainnet, and Polygon zkEVM, and the maximum TPS of rollup frameworks may vary based on different configurations, network conditions, and optimizations.

なお、このテストにはArbitrum 含まれていません。

詳細については、こちらの研究報告全文をご覧ください。

ロールアップに適したフレームワークの選び方

適切なロールアップ・フレームワークの選択は、プロジェクトのニーズに特有のさまざまな要因によって異なります。決定の参考となるよう、以下にいくつかの検討事項を挙げます：

互換性の要件：

• EVMとの完全な互換性が不可欠である場合は、OP StackArbitrum 適しているかもしれません。
• わずかな違いに対応できるプロジェクトに対しては、ZK StackはzkEVMによる高いEVM互換性を提供します。

パフォーマンスとスケーラビリティの要件：

• 理論上のスループットを最大化する点では、ZKベースのソリューション（ZK Stack やPolygon ）が有利となる可能性があります。
• 低レイテンシでのファイナリティが不可欠な場合、ZKソリューションはより迅速な決済時間を実現します。

セキュリティモデルの設定：

• シンプルさと、不正防止のための検証の容易さを重視するプロジェクトでは、オプティミスティック・ロールアップ（OP Stack やArbitrum ）が適しているかもしれません。
• プライバシーの強化と最終確定の迅速化という点では、ZKベースのソリューションが有利です。

開発者の経験と既存のスキル：

• Teams with strong Ethereum development experience might find OP Stack or Arbitrum Orbit easier to adopt.
• 新しい概念の習得に投資する意欲のあるプロジェクトは、ZK Stackの高度な機能やPolygon の柔軟性を活用できるでしょう。

Ecosystem and Community Support:

• 各フレームワークの開発者コミュニティの規模と活発さを考慮してください。
• 助成金、教育リソース、およびサードパーティ製ツールの利用可能性を評価する。

将来への対応と相互運用性：

• 各フレームワークのロードマップや今後のアップグレード計画を考慮してください。
• 各ソリューションがクロスチェーン相互運用性にどのように取り組んでいるかを評価する。

規制遵守：

• プロジェクトに特定の規制要件がある場合は、各フレームワークのデータの可用性や分散化に対するアプローチが、これらの要件とどの程度整合しているかを検討してください。

結論

ロールアップのエコシステムは急速に進化しており、各フレームワークにはそれぞれ独自の利点とトレードオフがあります。

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