ブロックチェーンのスケーラビリティ
ブロックチェーンの分散型ネットワークの基礎となる構造は現在、ブロックチェーンのトリレンマと呼ばれる独特の課題に直面しています。これは、ブロックチェーン インフラストラクチャにおける分散化、セキュリティ、スケーラビリティのバランスをとることです。
ブロックチェーンの分散化とは、ネットワーク全体でのコンピューティング能力とコンセンサスを有意義に分散することを指します。一方、セキュリティは悪意のある行為者やサイバー攻撃に対するブロックチェーン プロトコルの防御を反映しています。どちらもブロックチェーン ネットワークの機能に不可欠であると考えられています。
スケーラビリティとは、高いトランザクション スループットと将来の成長をサポートするブロックチェーン ネットワークの能力を指します。スケーラビリティは、ブロックチェーン ネットワークが迅速な決済時間で集中型プラットフォームと合理的に競争できる唯一の方法であるため、重要です。
スケーラビリティのギャップを指摘するためによく使用される比較は、ビットコインが 1 秒あたり 4 ～ 7 トランザクション（TPS）を処理するというものです。一方、Visa は数千の TPS を処理します。これらの既存のシステムと競合するには、ブロックチェーン テクノロジーがこの高いレベルの拡張性と同等かそれを上回る必要があります。
レイヤ 1 およびレイヤ 2 のスケーリング ソリューションは、これらの問題を克服するために生まれました。
レイヤ 1 とレイヤ 2 の基本概念
レイヤー 1 (レイヤー 1) は、ビットコイン、イーサリアムなどの基盤となるブロックチェーンを指します。
レイヤー 2 (レイヤー 2) は、レイヤー 1 ブロックチェーンで使用できるライトニング ネットワーク、ポリゴンなどのプラットフォーム ブロックチェーン上のオーバーレイ ネットワーク層です。
レイヤ 1 拡張ソリューション
レイヤ 1 スケーリング ソリューションは、ブロックチェーン プロトコル自体のベース レイヤを強化してスケーラビリティを向上させます。
レイヤ 1 の仕組みは次のとおりです。 レイヤ 1 ソリューションは、プロトコル ルールを直接変更して、より多くのユーザーとデータに対応しながら、トランザクションの容量と速度を向上させます。
レイヤ 1 スケーリング ソリューションには、ネットワーク全体のスループットを向上させるために、各ブロックに含まれるデータ量の増加やブロックの確認速度の向上などの要件が伴う場合があります。
一般的なレイヤー 1 ソリューションは次の 2 つです。
コンセンサスプロトコルを変更する
シャーディング
コンセンサスプロトコルを変更する
Proof of Work（PoW）は、ビットコインなどの人気のあるブロックチェーンで現在使用されているコンセンサスプロトコルです。 PoW は安全ですが、遅いです。そのため、多くの新しいブロックチェーンはプルーフ オブ ステーク（PoS）コンセンサス メカニズムを支持しています。
PoW のように、マイナーがコンピューティング能力を使用して暗号アルゴリズムを解くことを要求するのではなく、PoS システムは、ネットワーク内の資産を賭けている参加者に基づいて、取引データの新しいブロックを処理し、検証します。
イーサリアム 2.0 は PoS に移行し、分散化を強化してネットワーク セキュリティを保護しながら、ネットワーク容量を大幅に増加させることが期待されます。
シャーディング
シャーディングは分散データベースを応用したメカニズムであり、最も人気のあるレイヤー 1 スケーリング ソリューションの 1 つとなっています。
シャーディングには、ブロックチェーン ネットワーク全体の状態を「シャード」と呼ばれる個別のデータセットに分割することが含まれます。これらのセグメントはネットワークによって同時に並列処理されるため、複数のトランザクションで順次作業を実行できます。
さらに、各ノードは、ブロックチェーン全体のコピーを維持するのではなく、特定のシャードに割り当てられます。個々のシャードはメインチェーンに証拠を提供し、シャード間通信プロトコルを使用して相互にやり取りしてアドレス、残高、共通状態を共有します。
イーサリアム 2.0 は、Zilliqa、Tezos、Qtum とともにシャードを検討しているハイエンド ブロックチェーン プロトコルです。
レイヤ 2 拡張ソリューション
レイヤ 2 は、ブロックチェーンのスケーラビリティと効率を向上させるために、基礎となるブロックチェーン プロトコル上で動作するネットワークまたはテクノロジーを指します。
レイヤ 2 スケーリング ソリューションでは、ブロックチェーン プロトコルのトランザクション負荷の一部を隣接するシステム アーキテクチャに移行し、その後処理してメイン ブロックチェーンに報告します。これにより、ベースレイヤーのブロックチェーンの混雑が軽減され、最終的にはスケーラビリティが向上します。
レイヤ 2 ソリューションには次のものが含まれます。
ネストされたブロックチェーン
州のチャンネル。
サイドチェーン。
入れ子になったブロックチェーン
ネストされたブロックチェーンは、本質的には、別のブロックチェーン内のブロックチェーン、または別のブロックチェーン上のブロックチェーンです。ネストされたブロックチェーン アーキテクチャには通常、より広範なネットワークのパラメーターを設定するメイン ブロックチェーンが含まれます。実行は相互接続された二次チェーンのウェブ上で行われます。
複数のレベルのブロックチェーンをメイン チェーンの上に構築でき、各レベルでは親子接続が使用されます。親スレッドは子スレッドに処理を委任し、完了時に結果を親スレッドに返します。基礎となるブロックチェーンは、紛争解決が必要でない限り、セカンダリ チェーンのネットワーク機能には参加しません。
このモデルに従って作業を分散すると、メイン チェーンの処理負荷が軽減され、スケーラビリティが飛躍的に向上します。 OMG Plasma プロジェクトは、レイヤー 2 のネストされたブロックチェーン インフラストラクチャの一例であり、レイヤー 1 イーサリアム プロトコルの上で使用され、より高速で安価なトランザクションを促進します。
州チャンネル
ステート チャネルは、ブロックチェーンとオフチェーンのトランザクション チャネル間の双方向通信を促進し、全体的なトランザクションの容量と速度を向上させます。
状態チャネルは、レイヤー 1 ネットワーク ノードによる確認を必要としません。代わりに、マルチシグ メカニズムまたはスマート コントラクトを使用してブロックされるネットワーク隣接リソースです。
状態チャネル上でトランザクションまたは一連のトランザクションが完了すると、「チャネル」の最終的な「状態」とそれに固有のすべての遷移が基礎となるブロックチェーンに記録されます。リキッド ネットワーク、Celer、ビットコイン ライトニング、イーサリアムの雷電ネットワークは、ステート チャネルの例です。
ブロックチェーン トリオ間のバランスにおいて、犠牲状態チャネルは、より優れたスケーラビリティを達成するために、ある程度の分散化を犠牲にする必要があります。
サイドチェーン
サイドチェーンは、ブロックチェーンに隣接するトランザクションのチェーンであり、大規模なバッチ トランザクションによく使用されます。サイドチェーンは、速度とスケーラビリティを最適化できる独立したコンセンサス メカニズム、つまり元のチェーンとは別のメカニズムを使用します。
サイドチェーンアーキテクチャでは、メインチェーンの主な役割は、全体のセキュリティを維持し、トランザクション記録をバッチで確認し、紛争を解決することです。サイドチェーンは、さまざまな統合された方法でステート チャネルと区別されます。
まず、サイドチェーンのトランザクションは秘密ではなく、台帳に公的に記録されます。さらに、サイドチェーンのセキュリティ侵害は、メインチェーンや他のサイドチェーンには影響しません。インフラストラクチャは最初から構築されることが多いため、サイドチェーンのセットアップには多大な労力が必要となる場合があります。
2 つのソリューションの利点
レイヤ 1 では、既存のアーキテクチャの上に何も追加する必要はありません。
レイヤ 2 は、基礎となるブロックチェーン プロトコルを混乱させません。ステートチャネル、特にライトニングネットワークのようなレイヤー2ソリューションにより、マイナーの検証に時間を浪費したり不必要な取引手数料を支払うことなく、複数のマイクロトランザクションを可能にします。
どちらの解決策にも問題は存在します
レイヤ 1 およびレイヤ 2 のスケーラビリティ ソリューションには 2 つの重要な問題があります。
まず、これらのソリューションを既存のプロトコルに追加するのは困難です。
イーサリアムとビットコインは両方とも数十億ドルの時価総額を持っています。毎日数百万ドルが取引されています。このため、これらのプロトコルの実験に不必要なコードや複雑さを追加し、多額の資金を投じて実験することは意味がありません。
第 2 に、これらの手法を組み込んだプロトコルを最初から作成したとしても、スケーラビリティのジレンマは解決できない可能性があります。
「スケーラビリティ トライアド」という用語は、イーサリアムの創設者ヴィタリック・ブテリンによって造られました。これは、ブロックチェーン プロジェクトが、分散化、セキュリティ、スケーラビリティという 3 つの特性のバランスをとってアーキテクチャを最適化する方法を決定する際に行わなければならないトレードオフです。
例: ビットコインはセキュリティと分散化の最適化を望んでおり、そのためスケーラビリティに関して妥協する必要があります。
解決策
解決策は、これらのソリューションを組み込んだプロトコルを最初から構築することです。さらに、スケーラビリティのジレンマも解決できます。
チューリング賞受賞者のシルビオ・ミカリ氏は、まさにそれを実現しようとしている「アルゴランド」というプロジェクトを構築している。アルゴランドは、純粋なプルーフ・オブ・ステーク（PPoS）と呼ばれるコンセンサスプロトコルを使用しています。
PPoS の場合:
ビザンチン協定の各段階からリーダーと選ばれた検証者（SV）が選ばれます。
ユーザーが直面する計算コストは、署名の生成と検証、および単純なカウント操作にのみ関係します。
コストは、各ブロックで選択されたユーザーの数には依存しません。この数は一定であり、ネットワーク全体のサイズには影響されません。
コンピューティング能力の向上によりパフォーマンスが直接向上し、アルゴランドは完全にスケーラブルになります。これは、ネットワークのサイズが大きくなっても、追加コストを発生させることなく高いトランザクション速度を維持できることを意味します。
結論する
スケーラビリティは、暗号通貨の主流採用を妨げる最大の理由です。暗号通貨がスケーラブルで、日常の取引に十分な速度を確保するには、この問題を解決するために特別に構築されたプロトコルが必要です。
レイヤー 1 とレイヤー 2 のスケーリング ソリューションは、同じ暗号通貨コインの表裏の関係にあります。これらは、ブロックチェーン ネットワークをより高速にし、急速に成長するユーザー ベースへの対応力を高めるために設計された戦略です。
これらの戦略も相互に排他的ではありません。多くのブロックチェーン ネットワークは、セキュリティや完全な分散化を犠牲にすることなく、スケーラビリティの向上を実現するために、レイヤー 1 とレイヤー 2 のスケーリング ソリューションを組み合わせることを検討しています。
出典: 編集済み (Gemini-Cryptopedia、Petro Wallace)