[論文レビュー] Optimistic and Validity Rollups: Analysis and Comparison between Optimism and StarkNet

Luca Donno|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、イーサリアムのスケーラビリティを高めるために、オプティミスティック・ルールアップ（Optimism）とバリディティ・ルールアップ（StarkNet）を分析・比較し、そのアーキテクチャ、セキュリティモデル、パフォーマンス上のトレードオフを評価している。本稿は、OptimismがオープンソースのライセンスによりEVM互換性を提供し、市場への迅速な導入を可能にしている一方、StarkNetがSTARK証明を用いた強固なセキュリティ保証、高速な出金、再帰的手法による優れたスケーラビリティを提供していることを示している。これは、ルールアップ設計におけるアジリティと暗号的堅牢性の根本的なトレードオフを示している。

ABSTRACT

The thesis addresses the problem of scalability in decentralized blockchains in the context of the trade-off between transaction throughput and hardware requirements to participate in the network. Rollups are presented, that is technologies to verify on-chain blocks executed off-chain by minimizing the assumptions of trust. The variant of the Optimistic Rollups, in particular of Optimism and the use of invalidity proofs through interactive binary search and of the Validity Rollups, in particular of StarkNet, and the use of validity proofs through STARKs are discussed. Finally, the two solutions are compared on withdrawal time, on the cost of transactions and techniques to minimize it, on the possibility of applying the technology recursively, on compatibility with Ethereum and on the licenses used.

研究の動機と目的

• イーサリアムのスケーラビリティを文脈として、オプティミスティック・ルールアップ（Optimism）とバリディティ・ルールアップ（StarkNet）のアーキテクチャ的・運用的差異を分析すること。
• セキュリティモデル、出金遅延、取引コスト、開発者互換性の間のトレードオフを評価すること。
• オープンソースとクローズドソースの実装がエコシステム成長と信頼性のなさ（trustlessness）に与える長期的影響を評価すること。
• モジュラー設計の原則に従い、Optimismがオプティミスティック・ルールアップからバリディティ・ルールアップへ移行可能かどうかを調査すること。

提案手法

• minigethをMIPSにコンパイルしたCannon不正証明システムに基づく、Optimism Bedrockのアーキテクチャ、特に預け入れ／出金フロー、シーケンシングを分析する。
• STARK証明を用いたバリディティの確保、コントラクトデプロイメント、およびプローバと検証者コンponentの役割に注目した、StarkNetの設計を検討する。
• 出金時間、取引コスト、イーサリアム互換性を比較し、calldataキャッシュやBloomフィルタなどの最適化を評価する。
• ライセンスモデル（OptimismのMITライセンス対StarkNetの独自のPolarisライセンス）がエコシステム開発およびフォーク耐性に与える影響を評価する。
• 再帰的証明構成がL3チェーンや将来のスケーラビリティを可能にする仕組み、特にStarkNetにおける再帰的証明の役割を評価する。
• SNARKs、STARKs、およびホモモーフィックハッシュなどの暗号基盤を用いて、各システムの背後にあるセキュリティ保証を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不正検出と証明生成の観点から、オプティミスティック・ルールアップとバリディティ・ルールアップのセキュリティモデルにはどのような相違があるか？
• RQ2 OptimismとStarkNetの間で、出金遅延、取引コスト、EVM互換性のトレードオフはどのように異なるか？
• RQ3 ライセンス選択（オープンソース対プロprietary）が、ルールアッププロトコルの長期的採用と拡張性に与える影響はどの程度か？
• RQ4 Optimismのモジュラー・アーキテクチャは、実際にオプティミスティックからバリディティ・ルールアップへの移行が可能であり、その技術的要件は何か？
• RQ5 StarkNetにおける再帰的証明システムは、マルチレイヤーブロックチェーンアーキテクチャにおける将来のスケーラビリティとコンポジタビリティをどのように可能にするか？

主な発見

• StarkNetはバリディティ証明のおかげで、潜在的に即時出金が可能である一方、Optimismは不正検出のための7日間のチャレンジ期間を必要としている。
• OptimismのMITライセンスの採用により、急速なエコシステム成長が実現し、Metis Andromeda や Boba Network といったフォークが生まれた。一方、StarkNetのクローズドソースのプローバは、独立したフォークを制限している。
• StarkNetのSTARKベース証明は、不正なステート遷移が構造的に不可能であることを含め、Optimismの不正証明モデルに比べてより強固なセキュリティ保証を提供している。
• 証明生成の効率化とオンチェーンデータのボリューム削減のおかげで、StarkNetの取引コストは低くなると予想されるが、これは証明サイズと検証コストに依存する。
• OptimismのBedrockアーキテクチャはモジュラーであり、minigethの回路コンパイルを介して将来的にバリディティ証明をサポートできる可能性があり、ハイブリッドまたは完全なバリディティ・ルールアップへの道筋が示唆されている。
• 本稿は、StarkNetが優れた暗号的セキュリティとパフォーマンスを提供している一方で、複雑な数学的構造とクローズドソースのプローバコードに依存しているため、暗号的専門知識のないユーザーにとっては信頼性と採用の障壁となる可能性があると特定している。