暗号通貨の有向非巡回グラフ (DAG) とは何ですか?

目次
導入
有向非巡回グラフとは何ですか?
有向非巡回グラフはどのように機能するのでしょうか?
有向非巡回グラフの長所と短所
有向非巡回グラフの利点
有向非巡回グラフの欠点
要約する

導入暗号通貨について考えるとき、ブロックチェーンや「分散型台帳技術」のような概念がすぐに思い浮かびます。ビットコインの出現以来、何百もの暗号通貨が市場に登場しており、そのほとんどは同様のネットワーク アーキテクチャ基盤を備えています。ユーザーは、これらのデータ構造を通じて、価値を転送したり、分散型アプリケーションと対話したりできます。
ブロックチェーンでは、成長するチェーンに新しいブロックが定期的に追加されます。各ブロックは、ある種の暗号化リンク (正確にはハッシュ) を使用して前のブロックに接続されています。各ブロックには、ユーザーが発行した最新のトランザクションが含まれています。
ただし、取引を発表してからブロックに含まれるまでの間には、通常待機期間があります。これは、駅で電車を待つのと同じです。車両のサイズ（ブロックサイズ）や待機者数（処理待ちの取引）によって、乗客は次の電車に乗れないかもしれません。取引の確認を待つ時間は数秒から数時間までさまざまです。
多くの人にとって、これは価値があります。結局のところ、この方法は非常に高い安全性を提供し、中央集権的な調整機関に依存する必要がありません。一部の人は、ブロックチェーン技術が最終的に廃れると考えています。反対者は、長期的にはスケーラビリティの問題がブロックチェーン技術の大規模な普及を阻害すると主張しています。
支持者は、将来の暗号通貨決済ネットワークが完全に異なるアーキテクチャ、すなわち有向非循環グラフ（DAG）の上に構築されると信じています。

有向非循環グラフとは何ですか？有向非循環グラフは、異なる情報を接続するデータベースとして考えることができるまったく異なるデータ構造です。「有向非循環グラフ」というのは非常に情報量の多い概念であり、私たちが段階的に分解していきましょう。

有向非循環グラフ。

概念的観点から、有向非循環グラフは上図に示されるように、頂点（球体）と辺（接続線）から構成されています。どちらも指向性があり、矢印が示すように一方向を向いており、循環がない、つまりループがなく、頂点が初めの出発点に戻ることはありません。言い換えれば、ある点から始めて、グラフに沿って進むと、同じ出発点に戻ることはできません。以下では、さらに詳しく説明します。
このデータ構造は通常、データモデルの構築に使用されます。科学や医学の分野では、有向非循環グラフを使用して変数間の関係を観察し、それらの相互影響を特定します。たとえば、このグラフを利用して栄養、睡眠サイクル、身体症状などの間の関連性を構築し、これらの指標が患者に与える影響を特定します。
私たちは、どのようにこのグラフを利用して分散型暗号通貨ネットワークの合意を達成するかにさらに焦点を当てています。

有向非循環グラフはどのように機能しますか？有向非循環グラフに基づく暗号通貨では、構造内の各頂点が1つの取引を表します。ここではブロックの概念は関与せず、データベースを拡張するために必要なマイニングもありません。したがって、取引はブロックに集中することなく、別の取引の上に構築されます。ノードが取引を提出する際には、少量の作業証明操作が存在し、ネットワークがゴミ情報に干渉されないようにしながら、以前の取引を検証します。
新しい取引を追加するには、以前の取引の上に構築する必要があります。たとえば、アリスが新しい取引を作成するとします。その取引が確認を得るには、以前の取引を参照する必要があります。これは、ビットコインの1つのブロックが前のブロックを参照するのに似ていますが、ここでは複数の取引を参照する必要があります。
特定のシステムでは、アルゴリズムが新しい取引がどの取引（または「エンド」）の上に構築されるべきかを選択します。エンドの累積重みが高いほど、選ばれる可能性が高くなります。累積重みは、エンドへの経路における確認の数を測定することができます。
アリスは、上記の取引が未確認であることを作成しようとしています。しかし、これらの取引はアリスが参照することで確認を得ることができます。アリスの現在の取引はまだ確認されていないため、他の人はその取引が承認される前に、その上に取引を作成する必要があります。
ユーザーは「より高い」重みを持つ取引を確認することを好みます。そうすることで、システムは常に成長し続けます。そうでなければ、ユーザーは古い取引の上に取引を作成し続けます。
ブロックチェーンは二重支払い問題を簡単に防止できます。同じ資金を1つのブロック内で2回使用することはできず、ノードはこのような試みを簡単に検出し、衝突する取引を含むすべてのブロックを拒否します。マイナーがブロックを生成するコストは非常に高いので、メカニズムは公正な競争を促進します。
有向非循環グラフも二重支払い問題を防ぐことができ、そのメカニズムは類似していますが、マイナーは参加しません。ノードは古い取引を確認する際に、有向非循環グラフの最初の取引までの全経路を評価し、送信者の残高が十分であることを確認します。経路は多数存在する可能性がありますが、1つの経路を検証するだけで済みます。


ユーザーが無効な経路の上に取引を構築すると、自分の取引が無視されることになります。これらのユーザーの取引は有効である可能性がありますが、前の取引が無効であるため、誰もその経路を拡張しようとしません。
一見すると直感的ではないように思えます——異なるブランチ間に全くお互いの存在を知らない状況が存在するのでしょうか？それとも、ユーザーが異なるブランチで同じ資金を使うことになるのでしょうか？


確かにその可能性はあります。しかし、選択アルゴリズムによってエンドの累積重みにボーナスを与えることで、この問題は解決できます。つまり、長期的には、あるブランチが他のブランチよりも繁栄することになります。弱いブランチは放棄され、ネットワークは最も重みのあるブランチで成長し続けます。
ブロックチェーンの場合と同様に、このネットワークにも絶対的な確認は存在せず、取引が逆転するかどうかを完全に確信することはできません。可能性は非常に低いですが、理論的にはビットコインやイーサリアムのブロックは「取り消す」ことができ、それによりすべての取引が逆転する可能性があります。取引後に追加されるブロックが多いほど、その取引の安全性は高まります。これが、私たちがユーザーに資金を投入する前に6回の確認を待つことを推奨する理由です。
IOTAの絡み合いのような有向非循環グラフでは、「確認信頼度」と呼ばれる概念があります。選択アルゴリズムは100回実行され、選択されたエンドにおいて直接的または間接的に承認された取引の数を計算します。割合が高いほど、取引が「決済」状態を維持する信頼度が高くなります。
こう見えると、ユーザー体験が悪化するように思えます。しかし、実際にはそうではありません。アリスがボブに10枚のMagicDAGTokenを送信する場合、彼女はグラフ上の正しいエンドを選択したかどうかを心配する必要はありません。なぜなら、彼女のウォレットがバックグラウンドで以下の操作を実行するからです：
重みの大きいエンドを選択します（累積確認情報が最も多いエンドです）。
以前の取引に遡って経路を追跡し、エンドに支払いに十分な残高があることを確認します。
上記の要件を満たすと、取引は有向非循環グラフに追加され、作成された取引が確認されます。
アリスにとって、これは通常の暗号通貨の運用プロセスです。彼女はボブのアドレスと支払い希望額を入力し、送信ボタンを押します。上記のリストは、各参加者が取引を作成する際に実行する作業量証明です。

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有向非循環グラフの利点と欠点有向非循環グラフの利点速度ブロック生成時間の制限がなく、誰でもいつでも取引を発表および処理できます。以前の取引を確認すれば、ユーザーは取引を提出する回数の制限を受けることはありません。

マイニングは不要有向非循環グラフは、従来の作業量証明合意アルゴリズムを使用しません。暗号通貨がマイニングによってブロックチェーンネットワークを維持するのに対し、有向非循環グラフの炭素フットプリントはごくわずかです。

取引手数料がないマイナーがいないため、ユーザーは取引を発表するために手数料を支払う必要がありませんが、特定の種類のノードに対して少額の手数料を支払う必要がある場合もあります。低い手数料（可能であれば無料）は、小額支払いのユーザーにとって非常に魅力的です。なぜなら、高額なネットワーク手数料は彼らを無駄にさせるからです。

スケーラビリティの問題がない従来のブロックチェーンネットワークと比較して、有向非循環グラフはブロック生成時間の制限を受けず、1秒あたりの取引処理数が大幅に増えます。多くの支持者は、これが有向非循環グラフをさまざまな機械の相互作用におけるIoTのユースケースにより価値のあるものにすると信じています。

有向非循環グラフの欠点完全に非中央集権ではない有向非循環グラフに基づくプロトコルは、さまざまな中央集権的な特性を持っています。一部の人々は、これはネットワークを立ち上げるための短期的な解決策だと考えていますが、有向非循環グラフが第三者の介入なしに繁栄できるかどうかは今後の観察に委ねられています。成功しなければ、ネットワークは攻撃ベクトルに対して開かれ、最終的には深刻な損傷を受けることになります。

大規模なテストを受けていない有向非循環グラフに基づく暗号通貨は数年前から登場していますが、広く普及するには時間が必要です。したがって、将来的にユーザーがこのシステムを使用する際に享受するであろうインセンティブメカニズムを予測することは困難です。

まとめ疑いなく、有向非循環グラフは暗号通貨ネットワークを構築するための興味深い技術です。現時点では、このデータ構造を使用しているプロジェクトは比較的少なく、成熟していません。
それでも、有向非循環グラフがその潜在能力を発揮すれば、多くのスケーラビリティエコシステムに持続的な推進力を提供することは間違いありません。高スループットかつ無料の分野では、有向非循環グラフ技術にはIoTや小額支払いなど無数のユースケースがあります。