ブロックチェーンのスケーラビリティが問題なのはなぜですか？

ブロックチェーンのスケーラビリティを理解する

ブロックチェーンのスケーラビリティとは、パフォーマンスを損なうことなく、よりますます多く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。 Bitcoinやイーサリアムなどのブロックチェーンが人気が高まるにつれて、処理する必要があるトランザクションの量は劇的に上昇します。ただし、多くのブロックチェーンは、ボトルネックを作成する1秒あたりの数千のトランザクション（TPS）をサポートするように元々設計されていませんでした。ほとんどの分散型元帳のコアアーキテクチャは、データを検証してチェーンに追加できる速度を制限します。この制約は、ネットワークの混雑が発生すると明らかになり、取引手数料の増加と確認時間が長くなります。

ブロックサイズとブロック時間制限

ブロックチェーンのスケーラビリティの主な技術的理由の1つは、ブロックサイズとブロック時間の設計に問題があることです。たとえば、Bitcoinでは、各ブロックは1 MBに制限され（Segwitでわずかに増加します）、約10分ごとに新しいブロックが生成されます。これは、ネットワークがブロックごとに有限数のトランザクションのみを処理できることを意味します。適合よりも多くのトランザクションが提出されている場合は、次の利用可能なブロックを待っています。このバックログは、ユーザーエクスペリエンスに直接影響します。イーサリアムは、ブロック時間が短く（約12〜14秒）、動的なブロックサイズでこれを改善しましたが、NFTミントやDEFIの発売など、ピーク需要中に混雑に直面しています。

地方分権とパフォーマンスのトレードオフ

ブロックチェーンのスケーラビリティにおける基本的な課題は、地方分権化とパフォーマンスのトレードオフです。分散化を維持するために、ブロックチェーンは世界中に広がる多数のノードに依存して、トランザクションデータを検証および保存します。ただし、ブロックサイズを増やしたりブロック時間を短縮したりするなど、スループットの増加は、個々のノードが維持されるのを難しくする可能性があります。より大きなブロックには、より多くの帯域幅とストレージが必要であるため、小規模な参加者が完全なノードの実行から除外される場合があります。これは、リソースされたエンティティのみがインフラストラクチャを購入できるため、コントロールを集中させます。したがって、拡大する努力は、速度のバランスをとる必要があります。

コンセンサスメカニズムの制約

ブロックチェーンで使用されるコンセンサスメカニズムは、そのスケーラビリティに大きく影響します。 Bitcoinで使用されている仕事の証明（POW）は、鉱夫が複雑な暗号化パズルを解決する必要があるため、本質的に遅いです。このプロセスは、大幅な計算能力と時間を消費し、トランザクションスループットを制限します。 Ethereum 2.0で実装されているように、 Sport of Stake（POS）はエネルギー消費を削減し、より速い最終性を可能にしますが、セキュリティや分散化を損なうことなく、高いTPを達成する際に依然として課題に直面しています。 POSシステムでさえ、バリデーターは、レイテンシを導入するブロックに通信し、同意する必要があります。委任された株式の証明（DPO）やビザンチンの断層許容度（BFT）のバリアントなどの代替コンセンサスモデルは、速度を改善しようとしますが、多くの場合、ノード参加の削減を犠牲にします。

レイヤー1対レイヤー2スケーリングソリューション

スケーラビリティに対処するために、開発者はレイヤー1とレイヤー2ソリューションの両方を導入しました。レイヤー1は、ベースブロックチェーンプロトコルに直接作成された変更を指します。例には、データベースがより小さくて管理可能なピース（破片）に分割されているシャードが含まれ、それぞれ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できます。 Ethereumの計画的なシャードアップグレードは、並列処理を可能にすることでスループットを増やすことを目的としています。別のレイヤー1アプローチは、ブロックサイズの増加ですが、これは集中化のリスクがあります。

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で動作します。これらには以下が含まれます：

• ユーザーが複数のオフチェーントランザクションを実施し、最終的な状態オンチェーンのみを解決する状態チャネル
• ロールアップは、多くのトランザクションをチェーン外でバンドルし、暗号化された証明をメインチェーンに投稿します
• サイドチェーン、双方向ブリッジを介してメインチェーンに接続された独立したブロックチェーン

楽観的なロールアップとZK-Rollupsは顕著な例であり、ZK-Rollupsはゼロ知識の証明を通じてより速い最終性を提供します。これらのソリューションは、チェーン上の荷重を大幅に削減し、基礎となるブロックチェーンのセキュリティを継承しながら、より高いスループットを可能にします。

ネットワークの混雑とユーザーエクスペリエンス

ブロックチェーンが効果的にスケーリングできない場合、ユーザーは実際の結果に直面します。需要の高い期間中、2017年のイーサリアムや大規模なNFTドロップで暗号化が急増するなど、ネットワークの混雑により、取引手数料（ガソリン料金）が急上昇します。通常数ドルかかる可能性があるのは、数十または数百ドルまで上昇する可能性があります。これにより、小さなトランザクションが経済的に実行不可能になり、日常の使用が阻止されます。さらに、トランザクションの確認遅延は数分または数時間続く可能性があり、支払いやゲームなどの時間に敏感なアプリケーションのブロックチェーンの有用性を損なう可能性があります。これらのユーザビリティの問題は、主流の採用を妨げ、現在のインフラストラクチャの制限を明らかにします。

スケーリングの試みのセキュリティへの影響

ブロックチェーンをスケーリングする努力は、新しいセキュリティリスクを導入できます。たとえば、ブロック時間を短縮しすぎると、孤立したブロックの速度が増加する可能性があります（別のブロックが最初に受け入れられたために廃棄された有効なブロック）、ネットワークの安定性が弱まります。シャードは、有望である間、クロスシャード通信に複雑さをもたらし、攻撃面を増加させます。 1つのシャードが侵害されると、ネットワーク全体に影響を与える可能性があります。同様に、レイヤー2のソリューションは最終的にメインチェーンに依存していますが、レイヤー間のブリッジが不十分に設計されている場合、それは単一の故障ポイントになります。いくつかの有名なハックがクロスチェーンブリッジをターゲットにしており、数億ドルの損失をもたらしました。

よくある質問

スケーラビリティとは、時間の経過とともに増加した需要を成長させ、処理するブロックチェーンの能力を指し、スループットは1秒あたりのトランザクションの実際の数を測定します。ネットワークは、低負荷の下でスループットが高くなる可能性がありますが、使用量が増加するにつれてパフォーマンスを維持できない場合、スケーラビリティが欠けています。

ブロックサイズの増加はスケーラビリティを永久に解決できますか？いいえ。ブロックが大きいほどブロックあたりのトランザクションが増えますが、ノードのストレージおよび帯域幅要件も増加します。これは、強力なエンティティのみが完全なノードを実行し、ブロックチェーンの分散型の性質を損なう可能性があるため、集中化につながる可能性があります。

すべてのブロックチェーンがスケーリングにロールアップを使用できないのはなぜですか？ロールアップには、スマートコントラクト機能と証明を投稿するための安全なベースレイヤーが必要です。スクリプト機能が限られているBitcoinのようなブロックチェーンは、重要なプロトコルアップグレードなしで複雑なロールアップシステムをネイティブにサポートすることはできません。

シャードとロールアップのアプローチはどのように異なりますか？シャードは、ブロックチェーンを独立して処理する並列チェーン（シャード）に分割し、オンチェーン容量を強化します。ロールアッププロセストランザクションオフチェーンを処理し、圧縮データをメインチェーンに送信して、ベース構造を変更せずにオンチェーン荷重を減らします。