ブロックチェーンテクノロジーのシャードとは何ですか？

シャードの基本を理解する

シャードは、スケーラビリティとトランザクション処理速度を改善するためにブロックチェーンテクノロジーで使用される方法です。ネットワークを、より小さく、より管理しやすい部分に分割することが含まれます。各シャードには、独自のデータ、トランザクション履歴、およびスマートコントラクトが含まれており、複数のシャードにわたるトランザクションの並行処理が可能です。このアプローチは、すべてのノードがすべてのトランザクションを処理する必要がある従来のブロックチェーンとは対照的であり、ネットワークが成長するにつれてボトルネックにつながります。

シャードの概念は、データベース管理システムから借用されており、複数のサーバー全体でデータを水平に分割するために使用されます。ブロックチェーンのコンテキストでは、シャーディングにより、異なるノードがネットワークの異なるサブセットを処理できるようになり、個々のノードの負担が軽減され、全体的な効率が向上します。これは、1秒あたりの数千のトランザクションをサポートすることを目的としたパブリックブロックチェーンにとって特に重要です。

ブロックチェーンでのシャードの仕組み

Shardingは、ブロックチェーンネットワークを複数の独立したセグメントに分割することにより動作します。各シャードは、総トランザクションの一部を処理し、そのノードはそのシャード内のトランザクションの検証のみを担当します。これは、すべてのノードをすべてのトランザクションを検証する代わりに、特定のトランザクションセットを検証するためにノードのサブセットのみが必要であることを意味します。

セキュリティとシャード全体の一貫性を確保するために、ビーコンチェーンまたは同様の構造によって管理されることが多い調整メカニズムが導入されます。この中央チェーンは、クロスシャード通信、バリデーターの割り当て、および破片全体のコンセンサスの管理に役立ちます。バリデーターは、悪意のある俳優が特定のシャードを標的にするのを防ぐために、異なるシャードにランダムに割り当てられます。

シャードの重要な側面の1つは、ノードがどのように選択され、破片間で回転するかということです。分散化とセキュリティを維持することです。このプロセスには、通常、単一のエンティティが長期間シャードを制御できないことを保証するランダム化アルゴリズムが含まれます。

ブロックチェーンシステムのシャードの種類

シャードの機能と実装に応じて、シャードを分類する方法はいくつかあります。ステートシャードは、アカウントの残高や契約ストレージなど、ブロックチェーンの状態の一部を保存する責任があります。トランザクションシャードは、トランザクションの処理に焦点を当て、実行シャードはスマートコントラクトの実行を処理します。

一部のシステムは、通信レイヤーを分割してレイテンシと帯域幅の使用を減らすためにネットワークシャードを実装します。計算シャードは別のタイプで、特定のシャードが割り当てられて、暗号化された証明やデータインデックスなどの複雑な計算を実行します。

シャーディングの各タイプには、複雑さ、セキュリティ、パフォーマンスの観点からトレードオフがあります。たとえば、状態のシャードは、トランザクションの検証がより高速につながる可能性がありますが、正しく実装されていないとクロスシャードトランザクションが複雑になる場合があります。

シャードの実装における課題とリスク

その潜在的な利点にもかかわらず、シャードは特にネットワークセキュリティを維持する上で、いくつかの課題を導入します。各シャードは半独立して動作するため、悪意のある俳優は、ノードが少ない単一のシャードをターゲットにする可能性があります。このリスクは、ランダムバリーターの割り当てやクロスシャード検証などの手法を通じて軽減されます。

クロスシャードコミュニケーションは、もう1つの重要な課題です。トランザクションに複数のシャードが含まれる場合、一貫性を確保し、2倍の支出を防ぐために調整が必要です。これには、多くの場合、2フェーズのコミットプロトコルまたは領収書ベースのメカニズムが含まれ、1つのシャードが別のシャードが検証できる証明を生成します。

シャードシステムでは、データの可用性と最終性もより複雑になります。すべてのノードがブロックチェーン全体をダウンロードせずに検証に必要なデータにアクセスできるようにするには、消去コーディングや詐欺証明などの革新的なソリューションが必要です。

ブロックチェーンプロジェクトにおけるシャードの実際のアプリケーション

いくつかのブロックチェーンプラットフォームが実装されているか、スケーラビリティを向上させるためにシャーディングを模索しています。 Ethereum 2.0は最も顕著な例の1つであり、ビーコンチェーンを使用して複数のシャードチェーンを調整することを計画しています。これらのシャードは、トランザクション処理とデータの可用性を処理し、ネットワークが元の設計と比較して大幅にスケーリングできるようにします。

Zilliqaは、トランザクションスループットにシャードを使用するもう1つのブロックチェーンプラットフォームです。トランザクションを並行して処理し、結果を集計してブロックを最終化するセラメットにネットワークを分割します。このアプローチにより、Zilliqaは毎秒数千のトランザクションを達成できます。

近くのプロトコルもシャーディングを利用しますが、動的な再シャードメカニズムを使用しています。これにより、ネットワークは負荷に基づいてシャードサイズを調整し、ネットワーク条件の変化に対する効率と応答性を改善できます。

ブロックチェーンネットワークにシャードを実装する手順

• シェルディングモデルを定義します。ネットワークがプロジェクトの要件に基づいて状態、トランザクション、または実行シャードを使用するかどうかを判断します。
• シャード構造の設計：バリデーターの割り当てやシャードの責任を含む、存在するシャードの数とそれらの管理方法を決定します。
• 調整メカニズムを実装する：ビーコンチェーンやリレーシステムなどのクロスシャード通信とコンセンサスのシステムを開発します。
• ランダム化とセキュリティプロトコルの統合：暗号化のランダム性を使用して、攻撃を防ぐために、シェルド全体でバリデーターを割り当てて回転させます。
• システムを広範囲にテストします。さまざまなネットワーク条件をシミュレートし、ベクターを攻撃して、堅牢性と信頼性を確保します。

よくある質問

Q：既存のブロックチェーンにシャードを実装できますか？ A：はい、しかし、多くの場合、主要なプロトコルのアップグレードが必要です。 EthereumのEthereum 2.0への移行は、既存のブロックチェーンにシャードを改造する例です。

Q：シャードは地方分権化にどのように影響しますか？ A：適切に実装されたシャードは、ノードがネットワークの一部を保存および検証するだけであることを確認することにより、分散化を維持できます。

Q：すべての破片は同じサイズですか？ A：必ずしもそうではありません。一部のシステムでは、ネットワークの負荷とノードの参加に基づいてシャードサイズが変更できる動的シャードを使用します。

Q：データはシェードブロックチェーンにどのように保存されますか？ A：各シャードには、ブロックチェーンのデータのサブセットが保存されます。シャード内のノードは、そのシャードに関連するデータを保存して検証するだけです。