ブロックチェーンのトリレンマとは何ですか?

まとめ
ブロックチェーンは 1 秒あたりに限られた数のトランザクションしか処理できません。たとえば、ビットコイン ネットワークは 1 秒あたり約 7 件のトランザクションを処理できます。ブロックチェーン技術が世界的に採用されるためには、より多くのデータをより高速に処理できるようになり、ネットワークが遅すぎたり高価になったりすることなく、より多くの人がネットワークを使用できるようにする必要があります。ただし、多くの分散型ネットワークの基本設計は、スケーラビリティの向上により分散化やセキュリティが弱まる傾向があることを意味します。これはブロックチェーンのトリレンマとして知られています。この問題を解決したい開発者は、シャーディング、サイドチェーン、ステート チャネルなど、さまざまなコンセンサス メカニズムやスケーラビリティ ソリューションを試しています。
導入簡単に言えば、ブロックチェーンは分散型デジタルデータベースです。データ ブロックは時系列順に整理されます。ブロックは暗号化証明によってリンクされ、保護されます。さまざまな業界でこのテクノロジーが導入され、私たちの仕事や生活の仕方はすでに変化しています。 
分散型で安全なブロックチェーンにより、ネットワークや市場の運営に第三者に依存しない世界が実現するという考えです。しかし、この技術がより広く採用されるためには、まず「ブロックチェーンの三重苦」という根本的な問題を解決しなければならないことに専門家は概ね同意している。
イーサリアムの共同創設者であるヴィタリック・ブテリンがこの用語を広めました。これを理解するには、ブロックチェーンに望ましい 3 つの要素、つまり分散化、セキュリティ、スケーラビリティの存在を理解する必要があります。ブロックチェーンのトリレンマとは、ブロックチェーンが 3 つの特性すべてを同時に最適なレベルに達成することが難しいという考えです。通常、ある要素の最適化を高めると、別の要素が弱まります。
この記事では、トリレンマの 3 つの要素を分析し、それぞれが何であるかを詳しく説明します。それぞれを詳細に分析し、それらがどのように組み合わさるかを分析することで、ブロックチェーンのトリレンマがどのように、そしてなぜ存在するのかをよりよく理解できるようになります。この記事では、開発者が提案した解決策のいくつかも紹介します。
分散化とは何ですか?ビットコインやその他の類似のブロックチェーン ネットワークは分散型設計になっています。全体の構造は、単一の担当者または組織が担当するのではなく、分散化されるように構成されています。ネットワーク層は、参加を希望するすべての人に公開されています。その結果、制御は単一のエンティティに集中するのではなく、完全に分散されます。誰もが同じデータにアクセスできます。誰かが自分に有利になるように記録を変更してシステムを不正に操作しようとした場合、残りの参加者は不正なデータを拒否します。
かなり技術的な話になるかもしれませんが、例としてビットコイン ネットワークを見てみましょう。管理を行う第三者は存在しません。これを従来の金融システムにおける銀行の必要性と比較してみましょう。銀行は取引を行う人々の間の信頼を強化し、すべての記録が適切に維持されるようにします。しかし、ビットコイン ネットワークでは、すべてのデータがネットワークのメンバー全員と共有されるため、デジタル データベースに追加される前に検証および確認することができます。その結果、第三者の関与を必要とせずに存在できるシステムが実現します。
分散化により、Web3 と呼ばれるものが可能になります。今、私たちには今日のインターネットである Web2 があります。企業が管理しているが、ユーザーが作成したコンテンツを掲載しているサイトやアプリが満載です。 Web3は次のステップです。分散型ブロックチェーン技術により、人々が自分のデータとオンライン生活を制御できるインターネット。 
ただし、考慮すべき点の 1 つは、これらの分散システムは、さまざまな参加者がデータの有効性について合意する必要があるため、情報の共有と処理の方法が原因でトランザクション時間が遅くなる可能性があることです。このため、ブロックチェーンは拡張する必要があり、つまり、より多くのデータをより高速に処理できる必要があります。スケーラビリティについて説明するときに、この点に戻ります。
さらに、分散化の夢は、基盤となるブロックチェーンが安全である場合にのみ有効です。ブロックチェーンにセキュリティが欠けていると、悪意のある人物がデータを制御して、自分に有利なように変更する可能性があります。これが、三難問題の 2 番目の部分であるセキュリティにつながります。
ブロックチェーンのセキュリティとは何ですか?ブロックチェーンにセキュリティがなければ、どれだけ分散化されていても意味がありません。優れたブロックチェーン ネットワークは、悪意のあるエンティティからの攻撃に対して耐性を持つ必要があります。集中型システムのセキュリティは、システムが閉鎖されているという事実に基づいています。制御権を持つ者は誰でも、データが干渉を受けないことを保証できます。しかし、誰でも参加できる分散型システムでは、これはどのように実現されるのでしょうか?
複雑なトピックですが、分散型ブロックチェーンのセキュリティの例として、再びビットコインを挙げることができます。ビットコイン ブロックチェーンは、暗号化と Proof of Work (PoW) と呼ばれるネットワーク合意メカニズムの組み合わせを使用します。暗号用語で言えば、各ブロックには一種のデジタル署名またはハッシュがあり、変更を加えるとブロックのハッシュも変わるため、改ざんできないような方法で接続されています。データの変更を試みると、ネットワークの残りの部分によってすぐに識別されます。
PoW コンセンサス メカニズムはパズルのもう 1 つの部分です。暗号通貨台帳の保護に役立ちます。プルーフ・オブ・ワークのコンセンサスを理解するには別の記事が必要になりますが、ここでは、ネットワーク メンバーはマイニングと呼ばれるアクティビティを通じてのみ新しいトランザクションを検証し、それを元帳に追加できることに留意してください。これには、計算能力を使用して数学パズルを解くことが含まれます。プロセスの一部では、これらのコンピューターがさまざまなハッシュ関数を実行する必要があります。 PoW メカニズムは安全ですが、比較的遅いため、スケーラビリティの問題に影響します。
また、ネットワーク内の参加者（ノード）が増えるほど、セキュリティが強化されると考えられます。部品の数が増えるほど、悪意のある人物がシステムを制御することが難しくなります。これは、51% 攻撃と呼ばれるものに関係します。要約すると、単一のエンティティ（または悪意のある行為者のグループ）がブロックチェーンのネットワークハッシュレート全体の 50% 以上を制御できた場合、コンセンサスを無視して、トークンの二重支払いなど、自らの利益のためにチェーンのデータを変更する可能性があります。 
簡単に言えば、セキュリティはブロックチェーンが成功するための基本的な要件です。セキュリティがなければ、攻撃者がチェーンを制御し、使用不能にすることができるからです。
スケーラビリティとは何ですか?スケーラビリティとは、1 秒あたりにサポートできるトランザクション数を増やすことができるブロックチェーンを構築するという目標を指します。ブロックチェーン技術をより広い社会、そして潜在的に数十億人のユーザーに届けるためには、スケーラブルでなければなりません。しかし、ほとんどのブロックチェーンはここで苦労します。 
これは、分散化とセキュリティがブロックチェーンにとって非常に基本的なものであり、最初に考慮される要素となる傾向があるためです。分散化は、最も認知されているブロックチェーンのまさに中心にあるブロックチェーン技術の哲学と目標にとって非常に重要です。すでに述べたように、セキュリティはブロックチェーンが成功し、有用であるための中心的な要件です。
ただし、分散化とセキュリティを優先すると、スケーラビリティが課題になります。チェーンが処理できるトランザクションの数は大幅に制限される可能性があります。 Visa などの集中型決済システムは、1 秒あたり最大 24,000 件の取引を処理できると主張しています。ネットワークはクローズドであり、パブリックノードやコンセンサスなどの考慮事項を気にする必要がないため、これが可能になります。これを、より認知度の高いブロックチェーンのいくつかと比較してみましょう。 
2022年のブルームバーグによると、「今年9月の時点で、ビットコインは1秒あたり7件を超える取引を処理できず、2番目に人気のあるネットワークであるイーサリアムは1秒あたり約15件に制限されていました。これは、従来の取引所と比較すると一生分の取引です。」
前述したように、これらのブロックチェーン上のトランザクション速度は、分散型ネットワークと PoW コンセンサス メカニズム自体の性質に応じて、さまざまな参加者が情報を処理する必要がある方法によって制限されます。社会でブロックチェーン技術を利用する人が増えると、処理できる取引数が限られるため、ネットワークが詰まってしまいます。
ブロックチェーンのトリレンマが存在する理由この問題に対する最も明白で基本的な解決策は、拡張性と速度を向上させるために、ネットワークにデータを確認して追加する参加者の数を減らすことです。しかし、そうすると、管理権が少数の参加者に渡されるため、分散化が弱まることになります。参加者が少ないということは攻撃を受ける可能性が高くなるため、セキュリティにも悪影響を及ぼします。
そこに三難題が存在します。分散化とセキュリティという非常に望まれている特性が関係しているため、ブロックチェーンの仕組みの基本的な設計により、拡張が困難になっています。一方を増やすと、もう一方は弱まります。分散化、セキュリティ、またはその両方を損なうことなく、スケーラビリティを高めるにはどうすればよいでしょうか? 
ブロックチェーンのトリレンマを解決する方法この三重苦に完璧な解決策は存在しません。しかし、それを解決することの重要性を考慮して、コミュニティ内ではさまざまなアプローチが開発され、興味深い結果が得られました。この分野で何が起こっているかをよりよく理解するために、最も人気のある開発の概要をいくつか見てみましょう。
1. 断片化または「シャーディング」これは、ブロックチェーン (または他の種類のデータベース) を、特定のデータ セグメントを管理する、より小さな分割されたブロックチェーンに分割する方法です。この構成により、単一のチェーンがネットワーク上のすべてのトランザクションとやり取りを処理できなくなります。分割された各ブロックチェーンはシャードと呼ばれ、独自の元帳を持ちます。これらのシャードは独自のトランザクションを処理できますが、ブロックチェーン ビーコンまたはマスターがシャード間のやり取りを管理します。これにより、シャーディングはブロックチェーンのメインネットへの変更となり、レイヤー 1 ネットワークのスケーラビリティのアップグレードになります。
2. 異なる合意形成メカニズムビットコイン ネットワークにトリレンマが存在する理由の 1 つは、PoW コンセンサスがセキュリティを確保するために機能する方法にあります。マイナー、暗号化アルゴリズム、および大量の分散型コンピューティング能力の必要性により、システムは安全ではあるが低速になります。合意を守るための別の方法を見つけることは、三難問を解決するための一つのアプローチです。これが、イーサリアムが PoW から Proof of Stake (PoS) に切り替えた理由の 1 つです。
PoS ブロックチェーンでは、トランザクションの検証に関与する参加者はトークンをステークする必要があります。高度に特殊化された採掘機械は必要ありません。ネットワークにバリデーターを追加する方が簡単でアクセスしやすくなります。 PoS は、スケーラビリティを目的とした多くのコンセンサス メカニズムの 1 つにすぎません。 
3. レイヤー2ソリューションシャーディングとさまざまなコンセンサス メカニズムは、どちらもレイヤー 1 ソリューションとして知られています。彼らは、基盤となるネットワークの基本的な設計を変更しようとしています。しかし、この三難題を解決しようとしている他の開発者たちは、既存のネットワーク構造の上に構築するソリューションに取り組んでいます。言い換えれば、彼らは解決策が第 2 層、つまりレイヤー 2 にあると考えています。その例としては、サイドチェーンやステート チャネルが挙げられます。
サイドチェーンは基本的に、メインチェーンに接続する別のブロックチェーンです。両方のブロックチェーン間で資産が自由に流れるように構成されています。サイドチェーンは異なるルールに従って動作し、速度とスケーラビリティが向上する可能性があることに注意することが重要です。同様に、ステート チャネルは、トランザクションをメイン チェーンから移動し、レイヤー 1 の負荷を軽減するもう 1 つの方法です。ステート チャネルは、別のチェーンの代わりにスマート コントラクトを使用して、ユーザーがブロックチェーンにトランザクションを公開せずに相互にやり取りできるようにします。ブロックチェーンはチャネルの開始と終了のみを記録します。
結論ブロックチェーンのトリレンマは、ブロックチェーンが世界を変えるテクノロジーとしてその可能性を実現することを妨げています。ブロックチェーン ネットワークが分散化とセキュリティを維持するために 1 秒あたり少数のトランザクションしか処理できない場合、大規模な導入を実現することは困難です。しかし、開発者がこの問題に対して模索し提案してきた解決策は、ブロックチェーンによってすでに達成された技術的進歩が今後も継続し、これらのネットワークが将来さらに多くのデータを処理できるようになる可能性を示唆しています。