ブロックチェーンのシャーディング: シャーディングがスケーラビリティを解決する方法

エグゼクティブサマリー - シャーディングは、ブロックチェーンネットワークを独立した断片に分割し、同時にトランザクションを処理します。 - この技術はトランザクションの速度を向上させ、計算負荷を軽減し、ネットワークへの参加を民主化します。 - セキュリティと複雑さの課題を提示し、ネットワークはまだ評価しています。

はじめに: スケーラビリティのジレンマ

ブロックチェーンネットワークは、セキュリティや分散化を犠牲にすることなく成長するという根本的な課題に直面しています。これがブロックチェーンのトリレンマの核心です。より多くのユーザーがネットワークに参加するにつれて、取引量は指数関数的に増加しますが、従来の処理メカニズムはそのペースに追いつくことができません。

シャーディングは、この問題に対する有望な解決策として浮上しており、ネットワークが基本的な原則を損なうことなく、より多くのトランザクションを処理できるようにします。

シャーディングの理解：データのスマートな分割

シャーディングは、データベース管理の実証済みの概念であるデータのパーティションを採用しています。ブロックチェーンにおいて、これはネットワーク全体をより小さなサブセクションに分割することを意味し、それぞれが半独立のユニットとして機能します。

ブロックチェーンがシャーディングを実装すると、複数の「フラグメント」またはシャードを作成します。それぞれは独自のミニプロセッサとして機能し、ネットワーク全体との常時同期を必要とせずにトランザクションを検証および保存することができます。これにより、数百または数千のトランザクションが並行して処理されることが可能になります。

シャーディングのメカニズム：2つのパーティショニングアプローチ

水平パーティション: おすすめの選択

ブロックチェーン産業は、垂直的なものよりも水平的な分割を支持します。このモデルでは、データが行ごとに分割され、異なるサブセットが異なるノードに配布されます。各フラグメントはそのデータの完全な整合性を維持し、情報の損失を避けます。

このアプローチには3つの重要な利点があります:

改善されたスケーラビリティ: 各シャードは独立して機能し、処理能力を倍増させます。シャーディングのないブロックチェーンが1秒あたり100トランザクションを処理する場合、64のシャードを持つものは理論的に6,400を処理できる可能性があります。

真の分散化: 各ノードの計算要件を削減することで、より多くの人々がバリデーターとして参加できるようになります。エンタープライズレベルのハードウェアは必要なく、アクセスが民主化されます。

データの整合性が保証されます: 各フラグメントには完全かつ検証可能なトランザクションが含まれており、ブロックチェーンの特徴である堅牢性を維持しています。

列方向のパーティション分割が機能しない理由

縦のパーティションでは、データは列によって分割されます。論理的に聞こえますが、これはブロックチェーンにおいて問題を引き起こします：個々のノードはブロックやトランザクションの全体像を持たないことになります。任意の操作を検証するためには、複数の断片を照会する必要があり、複雑さを引き起こし、セキュリティを低下させます。

ブロックチェーンネットワークにおけるシャーディングの利点

トランザクション速度の高速化

シャーディングは真の並列処理を可能にします。シャードAが支払いを処理している間、シャードBがスマートコントラクトを検証し、シャードCが資産の転送を確認するということが、すべて同時に行われます。

Zilliqaのようなプロジェクトは、この可能性をすでに示しており、シャーディングアーキテクチャのおかげで、1秒あたり数千のトランザクションを処理しています。

ネットワークへの民主化されたアクセス

従来、各ノードは完全な取引履歴を保存する必要があります。これにはテラバイトのストレージと強力なプロセッサが必要であり、大規模なオペレーターに参加が制限されます。

シャーディングを使用すると、各ノードは断片の一部だけを保持する必要があります。これにより、ハードウェアの要件が大幅に削減され、一般的なコンピュータがバリデーターとして参加できるようになります。参加者が増えることで、より分散化され、耐障害性のあるネットワークになります。

サステナブルなパフォーマンス

従来のブロックチェーンは逆説に直面しています。ノードを増やすことはセキュリティを向上させるはずですが、必要な同期のために処理が遅くなります。シャーディングはこのダイナミクスを逆転させます。

各新しいノードは特定のフラグメントに割り当てられ、ノード間の通信を過負荷にすることなく能力を拡張します。ネットワークは成長するにつれてより効率的になります。

シャーディングの課題と制限

個別フラグメントの脆弱性

ユニークなフラグメントは、ネットワーク全体よりも少ない検証力を持っています。これにより攻撃者にとっての機会が生まれます：十分なリソースがあれば、個々のシャードを危険にさらすことができます。ネットワーク全体を攻撃するコストは高すぎますが、フラグメントを攻撃するコストははるかに低いです。

フラグメント間のトランザクションの複雑さ

複数のシャードを横断するトランザクションは問題があります。ユーザーがあるシャードから別のシャードに資金を送信する場合、両方のシャードは完璧に同期する必要があります。そうでない場合、資金が重複する可能性があります(二重支出)。

###分散データの可用性

もしシャードのバリデーターが多すぎると切断されると、そのシャードはアクセスできなくなり、トランザクションがブロックされる可能性があります。これによりネットワークは強化されるのではなく、分断されることになります。

遅延同期###

複数のシャードを調整することは遅延を引き起こします。遅いノードはシステム全体を遅くし、予期しないボトルネックを作り出す可能性があります。

Ethereum 2.0 とシャーディングの実装

Ethereumはシャーディングの可能性を認識しており、今後のアップデートに統合する計画です。実装は当初の予想よりも延びてしまいましたが、Ethereumの開発者たちはこの変更に引き続きコミットしています。

Ethereumにおけるシャーディングの完全な統合には、現在のアーキテクチャの再考が必要です。チームは、実装がネットワークが何年もかけて構築してきたセキュリティを損なわないことを保証するために、徹底的なテストを優先しています。

今後の展望

シャーディングは、ブロックチェーンをスケーリングする方法における概念的な飛躍を表しています。魔法の解決策ではありませんが、迅速で安全かつ分散型のネットワークに向けた実行可能な道を提供します。

現在のソリューションはまだ洗練されている段階ですが、業界のコンセンサスは明確です：シャーディングの何らかの形が、ブロックチェーンがその基本原則を犠牲にすることなく大規模な採用を達成するために不可欠です。研究は続いており、その結果が次世代のブロックチェーンインフラストラクチャを決定します。