ブロックチェーンはスケーラビリティをどのように処理しますか？

ブロックチェーンのスケーラビリティの課題を理解する

ブロックチェーンのスケーラビリティとは、速度、コスト、またはセキュリティを損なうことなく、増加する量のトランザクションを処理するネットワークの能力を指します。より多くのユーザーがブロックチェーンネットワークに参加すると、トランザクションの数が増加し、混雑につながります。この混雑により、取引手数料が増加し、確認時間が長くなる可能性があります。たとえば、需要の高い期間中、 Bitcoinネットワークは数時間の取引遅延を経験しており、料金は急激に上昇しています。同様に、 Ethereum Networkは、一般的なNFTミントイベント中に混雑に直面しています。コアの問題は、ブロックチェーンの分散型の性質にあります。すべてのノードは、すべてのトランザクションを検証および記録する必要があります。これは、本質的にスループットを制限します。

レイヤー1ソリューション：ベースプロトコルの強化

レイヤー1ソリューションには、基礎ブロックチェーンプロトコルを変更して、スケーラビリティを直接改善します。顕著な方法の1つはシャードで、ネットワークをシャードと呼ばれる小さなパーティションに分割します。各シャードは独自のトランザクションとスマートコントラクトを処理し、個々のノードの負荷を減らします。 Ethereumのロードマップには、トランザクションの容量を大幅に向上させることを目的としたキーアップグレードとしてのシャーディングが含まれています。別のレイヤー1アプローチは、 Bitcoin Cashなどのネットワークで使用されるブロックサイズの増加です。ブロックサイズを1MBから32MBに増やすことにより、ブロックごとにより多くのトランザクションを含めることができます。ただし、より大きなブロックには、より多くのストレージと帯域幅が必要であり、潜在的に集中ノード操作が必要です。コンセンサスメカニズムのアップグレードも役割を果たします。 Ethereumの仕事の証明（POW）からステークの証明（POS）への移行は、エネルギー消費を削減し、より速いブロック最終性を可能にし、スケーラビリティを間接的にサポートします。

レイヤー2ソリューション：ベースチェーンの上に構築

レイヤー2ソリューションは、既存のブロックチェーンの上部で動作し、オフチェーンオフチェーンのトランザクションを処理し、メインチェーンに結果を解決します。これらのソリューションはセキュリティを維持しながら、スループットを大幅に改善します。広く採用されているレイヤー2テクノロジーは、Bitcoinの稲妻ネットワークです。ユーザー間で支払いチャネルを作成することにより、即座に低コストの支払いを可能にします。チャネル内のトランザクションは、チャネルが閉じるまでメインチェーンにブロードキャストされません。 Ethereumは、ロールアップをプライマリレイヤー2戦略として利用しています。楽観的なロールアップは、トランザクションがデフォルトで有効であり、挑戦した場合にのみそれらを検証すると仮定しますが、 ZK-Rollupsはゼロ知識証明を使用して、イーサリアムに投稿する前にトランザクションオフチェーンのバッチを検証します。どちらの方法でも、チェーン上のデータ負荷を減らし、イーサリアムが毎秒数千のトランザクションを処理できるようにします。

状態チャネルとサイドチェーン：代替オフチェーンモデル

状態チャネルとサイドチェーンは、スケーラビリティへの追加の経路を提供します。状態チャネルにより、参加者はブロックチェーンに記録された最終状態のみを使用して、チェーン外で複数の相互作用を行うことができます。このモデルは、Raiden Network for Ethereumのようなプロジェクトで使用されます。支払いチャネルとは異なり、状態チャネルは複雑なスマートコントラクトの相互作用をサポートします。サイドチェーンは、メインチェーンと平行に動作する独立したブロックチェーンであり、双方向ブリッジを介して接続されています。彼らは独自のコンセンサスメカニズムを使用し、トランザクションをより速く安く処理できます。ポリゴンPOSチェーンは注目すべき例であり、開発者がイーサリアムとの互換性を維持しながらスケーラブルなDAPPを構築できるようにします。ただし、サイドチェーンは、メインチェーンと比較してセキュリティの削減を提供する場合があります。

データの可用性と圧縮技術

効率的なデータ処理は、スケーラビリティにとって重要です。データの可用性により、すべての参加者がチェーンの検証に必要なトランザクションデータにアクセスできるようになります。それがなければ、オフチェーンソリューションは不透明または脆弱になる可能性があります。データ圧縮技術は、オンチェーンで保存されているトランザクションデータのサイズを削減します。たとえば、 EIP-4844 （Proto-Danksharding）は、メインの実行レイヤーからトランザクションデータを保持するが、Ethereumのコンセンサスによって保護されているブロブを導入します。これにより、ロールアップはより安価なデータを投稿し、料金を引き下げることができます。まばらなマークルツリーと消去コーディングを使用して、データセット全体をダウンロードせずにデータの整合性を検証します。これらの革新により、分散化とセキュリティを維持しながら、より高いスループットが可能になります。

ネットワークレベルの最適化とピアツーピアの改善

プロトコルと階層化戦略を超えて、ネットワークレベルの最適化はスケーラビリティに貢献します。ゴシッププロトコルの拡張により、ノードがネットワーク全体でトランザクションとブロックを伝播する方法を改善します。伝播を速くすると、フォークの可能性が低下し、効果的なスループットが増加します。 BitcoinのBIP 152などのコンパクトブロックリレー技術は、完全なデータの代わりにトランザクション識別子のみを送信し、メモリプールから欠落した部品を再構築することにより、帯域幅の使用を最小限に抑えます。ノードプルーニングにより、ノードは古いトランザクションデータを破棄しながら、新しいブロックを検証し、ストレージ要件を削減し、より多くの参加者が完全なノードを実行できるようにすることができます。さらに、ピア選択アルゴリズムは、高帯域幅ノードとの接続に優先順位を付け、同期速度とネットワークの回復力を向上させます。

よくある質問

オンチェーンとオフチェーンのスケーリングの違いは何ですか？オンチェーンスケーリングは、メインチェーンでより多くのトランザクションを直接処理するために、ブロックサイズの増加やシャードの実装など、ブロックチェーンのコアプロトコルを変更します。対照的に、オフチェーンスケーリングは、状態チャネル、ロールアップ、サイドチェーンなどのソリューションを使用してメインチェーンの外側にトランザクション処理を移動し、チェーン上の最終結果を解決します。オフチェーンの方法は、メインチェーンのセキュリティを活用しながら、混雑と料金を減らします。

ロールアップは、トランザクションをオフチェーンで処理しながらセキュリティを確保する方法をどのように保証しますか？ロールアップは、メインチェーンにトランザクションデータまたは証明を投稿することにより、セキュリティを維持します。楽観的なロールアップは、詐欺防止メカニズムを使用します。誰でも紛争期間内に取引に挑戦することができ、詐欺が検出された場合、正しい状態が施行されます。 zk-rollupsは、暗号化されたゼロ知識を使用して、受け入れられる前にトランザクションのバッチの有効性を数学的に証明することを証明しています。どちらも、最終性とデータの可用性に関するメインチェーンのコンセンサスに依存しています。

ブロックチェーンのセキュリティを妥協することはできますか？シャーディングは、悪意のある俳優が少ない場合に悪意のある俳優が標的にするなどの新しい攻撃ベクターを導入できます。これを緩和するために、ネットワークはランダムなバリーター割り当てとクロスシャード通信プロトコルを使用します。 Ethereumは、検証可能なランダム関数（VRF）を実装して、バリデーターをシャードにランダムに割り当てることを計画しており、攻撃者が1つのシャードに電力を集中させることを計算可能にします。

レイヤー2ロールアップよりもサイドチェーンが安全性が低いと見なされるのはなぜですか？サイドチェーンは、独立したコンセンサスメカニズムとバリデーターセットで動作します。つまり、メインチェーンのセキュリティを継承していません。 Sidechainの有効化者が少ない場合、 51％の攻撃に対してより脆弱になります。対照的に、レイヤー2のロールアップは、メインチェーンへのデータまたは証明を投稿し、最終性と紛争解決のための堅牢なコンセンサスに依存して、より強力なセキュリティ保証を提供します。