TL;DR

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のであれば、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なります。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。この問題の解決を目指す開発者は、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 ソリューションを実験しています。

導入

基本的に、ブロックチェーンは分散型デジタル データベースです。データのブロックは時系列順に編成されます。ブロックはリンクされており、暗号証明によって保護されています。このテクノロジーをさまざまな業界に導入することで、私たちの働き方や生活の仕方がすでに変わりつつあります。

分散型で安全なブロックチェーンによって、ネットワークや市場が機能するためにサードパーティに依存する必要がない世界が実現するという考えです。しかし、専門家は一般に、この技術がさらに広く採用される場合には、解決すべき根本的な問題があることに同意しています。問題となっている問題は「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。これを理解するには、ブロックチェーンに望ましい 3 つの異なる要素 (分散化、セキュリティ、スケーラビリティ) を認識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 つの特性すべての最適なレベルを同時に達成するのは難しいという考えを指します。通常、一方を増やすと、もう一方が弱くなることにつながります。

この記事では、トリレンマの 3 つの要素すべてを検証し、それぞれが何であるかを詳しく説明します。それぞれをより深く議論し、それらがどのように組み合わされるかにより、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深く理解できるようになります。この記事では、開発者によって提案された解決策のいくつかについても取り上げます。

分散化とは何ですか?

ビットコインおよび同様のブロックチェーン ネットワークは、設計上分散化されています。全体の構造は、担当者や組織が 1 人もいないという構造になっています。むしろ、分散化されています。ネットワーク層には、参加したい人なら誰でも参加できます。その結果、制御は単一のエンティティによって保持されるのではなく、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レコードを変更してシステムを騙そうとした場合、残りの参加者は欠陥のあるデータを拒否します。

これはかなり技術的な話になりますが、ビットコイン ネットワークを例に考えてみましょう。第三者が管理することはありません。これを金融システムにおける銀行の必要性と比較してください。銀行は取引を行う人々の間の信頼を強化し、すべての記録が正しく保管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そのすべてのデータをネットワーク上の全員と共有するため、デジタル データベースに追加される前にチェックおよび確認できます。その結果、サードパーティを必要とせずに存在できるシステムが誕生しました。

分散化は、いわゆる Web3 の可能性をもたらします。現在、Web2、つまり今日のインターネットが存在します。企業が管理しているサイトやアプリがたくさんありますが、コンテンツはユーザーが作成したものです。 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コントロールできるインターネット。

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仕組みにより、データの有効性について幅広い参加者が同意する必要があるため、情報の共有方法や必要な方法によりトランザクション時間が遅くなる可能性があります。加工された。したがって、ブロックチェーンは拡張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。スケーラビリティについて議論するときに、この点に戻ります。

さらに、分散化の夢は、基礎となるブロックチェーンが安全である場合にのみ成り立ちます。ブロックチェーンにセキュリティが欠けている場合、悪意のある者が制御を奪い、自分たちに有利になるようにデータを変更する可能性があります。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れば意味がありません。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耐性がある必要があります。集中型システムのセキュリティは、システムが閉じられているという事実から得られます。制御している人は誰でも、データが干渉されてい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はどのようにしてこれを実現するのでしょうか?

これは複雑なトピックですが、分散型ブロックチェーン セキュリティの例としてビットコインに戻りましょう。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。暗号化の観点からは、各ブロックには一種のデジタル署名 (またはハッシュ) があります。データの各ブロックは、ブロックのハッシュを変更するため、改ざんできない方法で接続されています。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特定されます。

PoW のコンセンサス メカニズムもパズルの一部です。これは、暗号通貨の台帳を保護するのに役立ちます。 「Proof of Work を理解する」だけで 1 つの記事になりますが、ここではネットワークのメンバーが新しいトランザクションを検証し、マイニングと呼ばれるアクティビティを通じて台帳に追加することしかできないことに注意してください。これには、計算能力を使用して数学的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多数の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、これはスケーラビリティの問題に関係します。

また、ネットワーク内の参加者 (ノード) が多いほど、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。当事者の数が増えるほど、1 人の悪者がシステムを制御することが難しくなります。これは、いわゆる 51% 攻撃に関連しています。概要として: 単一のエンティティ (または悪意のあるグループ) がブロックチェーンの総ネットワーク ハッシュ レートの 50% 以上を制御できる場合、コンセンサスを無効にして、二重支出など、自分たちの利益になるようにチェーンのデータを変更することができます。トークン。

つまり、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、ブロックチェーンを役に立たなくしてしまう可能性があるからです。

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 秒あたりより多くのトランザクションをサポート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がより広範な社会、そしておそらく数十億のユーザーにサービスを提供するには、規模が必要です。しかし、これは多くのブロックチェーンが依然として苦戦しているところです。

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るため、最初に焦点が当てられる傾向があるためです。分散化はブロックチェーンの精神と目標の中心であり、最も認識されているブロックチェーンの中心にあります。これまで説明してきたように、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核的な要件です。

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場合があります。 Visa などの集中決済システムは、1 秒あたり 24,000 件のトランザクションをサポートできると述べています。これは、ネットワークが閉じており、パブリック ノードやコンセンサスなどの考慮事項がないためです。これをいくつかの最もよく知られたブロックチェーンと比較してください。

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件に制限されており、これは従来の取引所と比較して寿命に相当する。」

前述したように、これらのブロックチェーンのトランザクション速度は、分散型ネットワークを構成するさまざまな参加者による情報の処理方法と、PoW 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使用する人が増えれば、処理できるトランザクション数が限られているため、ネットワークが混雑してしまいます。

ブロックチェーンのトリレンマが存在する理由

上で概説した問題に対する最も明白かつ基本的な解決策は、規模と速度の向上と引き換えに、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すことです。しかし、そうすることは、少数の参加者に制御が渡され、分散化の弱体化につながります。また、プレイヤーが少ないほど攻撃される可能性が高まるため、セキュリティの弱体化にもつながります。

つまり、ここにトリレンマがあります。分散化とセキュリティの望ましい特性との関係を考えると、ブロックチェーンの仕組みの基本的な設計によって拡張が困難になります。 1つを増やすと、もう1つが弱まります。分散化、セキュリティ、あるい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唯一の黄金の解決策はありません。しかし、この問題を解決することの重要性を考慮して、コミュニティ内でさまざまなアプローチが数多く行われ、興味深い結果が得られています。この分野で何が起こっているかを理解するために、最も人気のある開発のいくつかを概観してみましょう。

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、特定のデータ セグメントを管理する小さなパーティション化されたブロックチェーンに分割する方法です。この設定により、ネットワーク上のすべてのトランザクションと対話を処理する単一チェーンのストレスが軽減されます。パーティション化された各ブロックチェーンはシャードとして知られ、それぞれに固有の台帳があります。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、ビーコン ブロック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るため、レイヤー 1 ネットワークのスケーラビリティがアップグレードされます。

2. 異なるコンセンサスメカニズム

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、セキュリティを確保するための PoW の仕組みにあります。マイナー、暗号アルゴリズム、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、安全なシステムが実現されますが、システムの速度は遅くなります。コンセンサスを確保するための別の方法を見つけることは、トリレンマを解決するための 1 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) に移行した理由の 1 つでした。

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 (ロック) する必要があります。高度に特殊な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ことは、より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念頭に置いたコンセンサス メカニズムへのさまざまなアプローチの 1 つにすぎません。

3. レイヤ 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 メカニズムは両方とも、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、トリレンマの解決を目指す他の開発者は、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、答えは第 2 層、つまりレイヤー 2 にあると彼らは考えています。この例には、サイドチェーンやステート チャネルが含まれます。

サイドチェーンは基本的に、メインチェーンに接続された別個のブロックチェーンです。資産が 2 つの間で自由に行き来できるように設定されています。重要なのは、サイドチェーンはさまざまなルールに基づいて動作できるため、速度とスケールが向上するということです。同様に、ステート チャネルは、トランザクションをメイン チェーンから外し、レイヤー 1 への圧力を軽減するもう 1 つの方法です。ステート チャネルは、別個のチェーンではなくスマート コントラクトを使用して、ユーザーがトランザクションをブロックチェーンに公開せずに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のみを記録します。

最後に

スケーラビリティのトリレンマは、世界を変えるテクノロジーとしてのブロックチェーンの可能性を実現する邪魔になっています。分散化とセキュリティを維持するために、ブロックチェーン ネットワークが 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、大量導入は困難になります。しかし、この問題の解決を目指して開発者が現在提案している解決策は、ブロックチェーンによってすでに行われている技術の進歩は今後も続くことを示唆しており、これらのネットワークは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があります。