まとめ
ブロックチェーンが 1 秒あたりに処理できるトランザクションの数には制限があります。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広く採用されると、データ処理能力と速度が大幅に向上し、ユーザー数の増加によってネットワークが遅くなったり、コストが増加したりすることはありません。ただし、多くの分散型ネットワークの基本設計原則は、多くの場合、分散化やセキュリティを犠牲にしてスケーラビリティの向上に焦点を当てています。これはいわゆる「ブロックチェーンのトリレンマ」です。開発者は、この問題を解決することを期待して、さまざまなコンセンサス メカニズムや、シャーディング、サイドチェーン、ステート チャネルなどのスケーラビリティ ソリューションを実験しています。
導入
一言で言えば、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 チャンクは時系列順に編成されます。ブロックは暗号証明を通じて接続され、安全に保護されます。このテクノロジーは業界全体に導入されており、すでに私たちの働き方や生活の仕方を変えています。
その考えは、安全な分散型ブロックチェーンの出現により、人々はサードパーティのネットワークや市場に依存することなく世界を運営し続けることができるというものです。しかし、専門家は一般に、このテクノロジーを大規模に普及させるには、まず中心的な問題、つまりよく議論されている「ブロックチェーンの三元パラドックス」問題を解決する必要があると考えています。
この用語は、イーサリアムの共同創設者ヴィタリック・ブテリンによって広められました。この概念を理解するには、まずブロックチェーンの 3 つの主要な要素、つまり分散化、セキュリティ、スケーラビリティ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」の概念は、ブロックチェーンがこれら 3 つの属性の最適なレベルを同時に達成することの難しさを指します。多くの場合、1 つの属性が増加すると、別の属性が減少します。
この記事では、トリレンマの 3 つの主要な要素を検討し、1 つずつ詳しく説明します。各要素とそれがどのように相互に組み合わされるかを詳細に議論することは、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についての理解をさらに深めるのに役立ちます。この記事では、開発者が提案するいくつかの解決策についても取り上げます。
分散化とは何ですか?
ビットコインは、他の同様のブロックチェーン ネットワークと同様に、設計上分散化されています。このタイプのネットワークの全体的なアーキテクチャは、個人または単一の組織によって管理されるのではなく、分散化されています。ネットワーク レベルはすべての参加者に公開されています。その結果、制御は単一の主体の手に委ねられるのではなく、完全に分散化されます。誰もが同じデータにアクセスできます。誰かが自分の意志で記録を改ざんしてシステムを騙そうとした場合、他の参加者は誤ったデータを拒否することができます。
この操作は非常に技術的ですが、サードパーティの制御が関与しないビットコイン ネットワークを例に挙げてみましょう。これを金融システムにおける銀行への依存と比較してみます。銀行は取引当事者間の信頼を強化し、すべての記録が適切に維持されるようにします。ただし、ビットコイン ブロックチェーンは、デジタル データベースに追加される前にデータが検証されることを保証するために、ネットワーク内のすべてのユーザーとデータを共有します。その結果、サードパーティの介入を必要としないシステムが実現します。
分散化は、いわゆる Web3 の可能性をもたらします。現在のインターネットは Web2 段階にあります。 Web2 の Web サイトとアプリケーションはすべて大手企業によって管理されていますが、コンテンツを作成するのはユーザーです。 Web3 は次の開発トレンドです。 Web3 インターネットでは、人々は分散型ブロックチェーン技術を利用して自分のデータとオンライン生活を管理します。
ただし、注意すべき点が 1 つあります。これらの分散システムの動作方法では、多数の参加者がすべてのデータの有効性について同意する必要があり、そのために情報を共有して処理する必要があるため、トランザクション時間が遅くなるということです。したがって、ブロックチェーンはスケールする必要があります。つまり、より多くのデータをより高速に処理できるようにする必要があります。これについては、スケーラビリティについて説明するときに続けます。
さらに、分散化を実現するには、まず基盤となるブロックチェーンのセキュリティを確保する必要があります。ブロックチェーンにセキュリティが欠けている場合、犯罪者がデータを改ざんする機会が得られます。これは、トリレンマの 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?
ブロックチェーンがどれほど分散化されていても、セキュリティが欠けていては役に立ちません。堅牢なブロックチェーン ネットワークは、悪意のあるエンティティによる攻撃に耐性がなければなりません。集中管理されたシステムは閉じられているため、セキュリティが確保されます。コントローラーはデータが妨害されないことを保証できます。しかし、誰もが参加できる分散型システムでセキュリティを実現するにはどうすればよいでしょうか?
これは複雑なテーマです。例として、ビットコインとその分散型ブロックチェーン セキュリティに戻りましょう。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 コンセンサス メカニズムを組み合わせて使用します。暗号化の観点から見ると、各ブロックにはデジタル署名、つまり「ハッシュ」があります。変更を加えるとブロックのハッシュが変更されるため、データの各ブロックは改ざんできない方法で接続されます。データを変更しようとする試みは、ネットワークの残りの部分によってすぐに認識されます。
Proof-of-Workコンセンサスメカニズムもこれに役割を果たし、仮想通貨台帳のセキュリティを効果的に確保します。 Proof-of-Work を理解すること自体は重要なことですが、この記事の目的として、ネットワーク メンバーは「マイニング」という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、台帳に追加できることを覚えておいてください。これには、コンピューティング能力を使用して、難しい数学的問題を解決することが含まれます。計算プロセスでは、これらのコンピューターが多数のハッシュ関数を実行する必要があります。 Proof-of-Work 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が生じます。
また、ネットワークの参加者 (ノード) が増えるほど、ネットワークの安全性が高まることにも注意してください。参加者の数が増えるほど、悪意のある者がシステムを制御することが難しくなります。これには、いわゆる「51% 攻撃」が含まれます。この概念の一般的な意味は、単一の組織 (または犯罪者のグループ) がブロックチェーン ネットワーク全体のハッシュ レートの 50% 以上を制御している場合、その合意を恣意的に覆し、チェーン上のデータを改ざんできるということです。二重支払いトークンとして。
つまり、セキュリティはブロックチェーンの成功の基礎です。セキュリティと攻撃者が意のままに制御しなければ、ブロックチェーンは価値がありません。
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 秒あたりのトランザクション速度を向上させるブロックチェーンを構築する目標を指します。ブロックチェーン技術がより広範な社会や何十億ものユーザーにサービスを提供するには、拡張が不可欠です。ただし、これは多くのブロックチェーンが依然として取り組んでいることです。
その理由は、分散化とセキュリティはブロックチェーンの基本的な問題であるため、常に優先的に注目されるためです。分散化はブロックチェーンの哲学と目標の中核です。ほとんどのよく知られたブロックチェーンはこのコアに固執しています。上で述べたように、セキュリティはブロックチェーンの成功と価値にとって中心的な要件です。
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。単一のチェーンが処理できるトランザクションの数は厳しく制限されています。 Visa などの集中決済システムは、ネットワークが閉鎖されており、パブリック ノードやコンセンサスの影響を受けないため、1 秒あたり 24,000 件のトランザクションを処理できると主張しています。さまざまな有名なブロックチェーンを比較してみましょう。
2022年のブルームバーグによると、「9月の時点で、ビットコインは1秒あたり7件以上のトランザクションを処理するのに苦労していたが、2番目に人気のあるイーサリアムネットワークは1秒あたり約15件のトランザクションに制限されていた。従来の取引プラットフォームと比較すると、これは単純に非常に遅い。その人は人生を疑っているのです。」
前述したように、これらのブロックチェーンでのトランザクション速度は、分散型ネットワークの参加者が情報を処理する方法と、プルーフ・オブ・ワークのコンセンサス・メカニズム自体の性質により制限されます。社会でブロックチェーン技術を利用する人が増えると、ネットワークのトランザクション処理能力が制限され、ネットワークの混雑が発生します。
ブロックチェーンの三元パラドックスはなぜ存在するのでしょうか?
上記の問題に対する最も明白かつ基本的な解決策は、ネットワーク データを確認および追加する参加者の数を減らしてネットワークを拡張し、速度を向上させることです。ただし、そうすると分散化が低下し、少数の参加者の手に制御が渡されてしまいます。参加者が少ないということは、攻撃される可能性が高まることを意味し、セキュリティが弱くなる可能性もあります。
したがって、トリレンマが形成されます。ブロックチェーンの動作原理の基本設計では、分散化とセキュリティという 2 つの必要な属性が密接に関連しており、スケーラビリティの達成が困難になります。 3人は栄枯盛衰の状態にある。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
トリレンマに対する万能の解決策はありません。この問題を解決することの重要性を考慮して、コミュニティはさまざまなソリューションを考案し、有望な結果をもたらしています。この分野の最新の開発について誰もが理解できるように、トップトレンドを概説しましょう。
1.シャーディング
これは、ブロックチェーンまたは他のタイプのデータベースをブロックチェーンの小さなパーティションに分割して、データの特定のセグメントを管理する方法です。この設定により、単一チェーンですべてのネットワーク トランザクションと対話を処理するというプレッシャーが軽減されます。ブロックチェーンの各パーティションは「シャード」と呼ばれ、独自の特定の台帳を持ちます。これらのシャードは独自にトランザクションを処理できますが、ビーコン チェーンまたはメイン チェーンがシャード間の相互作用を管理します。これはブロックチェーンのメインネットに対する変更であるため、シャーディングはレイヤー 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. さまざまな合意メカニズム
ビットコイン ネットワークに三項パラドックスが存在する理由の 1 つは、セキュリティを確保するためにプルーフ オブ ワークが機能する方法にあります。システムのセキュリティを実現するには、マイナー、暗号通貨アルゴリズム、巨大な分散型コンピューティング能力が不可欠ですが、それらはシステムの速度低下にもつながります。確実にコンセンサスを得る他の方法を見つけることも、トリレンマを解決する方法です。これが、イーサリアムが Proof-of-Work から Proof-of-Stake (PoS) に移行した理由の 1 つです。
プルーフ・オブ・ステーク・ブロックチェーンでは、参加者はトランザクション検証に参加するためにトークンをステーキング（ロック）する必要がありますが、高度に特殊化されたマイニングマシンは必要ありません。ネットワークにバリデータを追加する方が簡単で便利です。プルーフ・オブ・ステークのコンセンサスメカニズムは、スケーラビリティに対処する多くの方法の 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、基盤となるネットワークの基本的な設計を変更することを目的とした、いわゆるレイヤー 1 ソリューションです。ただし、他の開発者は、トリレンマ問題を解決するために、既存のネットワーク構造の上にソリューションを構築することを検討しています。言い換えれば、彼らは解決策はレイヤー 2 ネットワーキング、つまり「レイヤー 2」にあると信じています。関連する例には、サイドチェーンやステート チャネルが含まれます。
サイドチェーンは本質的にメインチェーンに接続された独立したブロックチェーンです。この設定により、アセットは 2 つのチェーン間を自由に流れることができます。重要なのは、サイドチェーンはさまざまなルールの下で動作して、高速化とスケーラビリティを実現できることです。同様に、ステート チャネルは、メイン チェーンからトランザクションを削除することでレイヤー 1 を軽減するもう 1 つの方法です。個別のチェーンを使用する代わりに、状態チャネルはスマート コントラクトを使用し、ブロックチェーン上にトランザクションを公開せずにユーザーが相互に対話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を記録するだけで済みます。
要約する
ブロックチェーンのトリレンマは、世界を変えるブロックチェーン技術の可能性を妨げています。ブロックチェーン ネットワークが分散化と安全性を維持するために 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、大量導入を達成することは困難になります。しかし、この問題を解決するために開発者によって提案された最新のソリューションから判断すると、ブロックチェーンネットワークは、現在の技術の進歩を続けた場合にのみ、将来のデータ処理能力の飛躍的な向上を期待できます。