ブロックチェーンの拡張問題は何ですか？現在のソリューションは何ですか？

ブロックチェーンの拡張問題とは、分散型の性質とセキュリティを維持しながら、1秒あたりのトランザクション（TPS）を処理するようにテクノロジーをスケーリングするという課題を指します。ブロックチェーンテクノロジー、特にBitcoinとEthereumが人気が高まっているため、より速く、より効率的なトランザクション処理の需要が増加しています。この記事では、ブロックチェーンの拡張問題を調査し、それに対処するために実装されている現在のソリューションについて説明します。

拡張の問題を理解する

ブロックチェーンテクノロジーの拡張問題は、主にトランザクションスループットとブロックサイズの2つの重要な側面を中心に展開します。 Bitcoinやイーサリアムなどの従来のブロックチェーンには、1秒あたりの処理できるトランザクションの数に制限があります。たとえば、Bitcoinは約7つのTPを処理できますが、イーサリアムは約30 TPを処理します。これらの数字は、毎秒数万の取引を処理できるVisaのような従来の金融システムと比較して青白くなります。

これらの制限の主な理由は、ほとんどの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です。 Bitcoinは、仕事の証明（POW）を使用しています。これにより、鉱夫は複雑な数学的問題を解決してトランザクションを検証し、ブロックチェーンに追加する必要があります。このプロセスは本質的に遅く、エネルギー集約型であり、トランザクションスループットの低下につながります。

拡張問題に対する現在の解決策

ブロックチェーンの拡張問題に対処するために、いくつかのソリューションが提案および実装されています。これらのソリューションは、オンチェーンおよび鎖オフチェーンスケーリング方法に広く分類できます。

オンチェーンスケーリングソリューション

オンチェーンスケーリングソリューションは、ブロックチェーンプロトコル自体の変更に焦点を当て、トランザクションスループットを増加させます。最も一般的なアプローチの1つは、ブロックサイズを増やすことです。 BitcoinのフォークであるBitcoin Cashは、Bitcoinの1 MBからブロックサイズを32 MBに増やし、各ブロックでより多くのトランザクションを処理できるようにしました。

別のオンチェーンソリューションはシャードです。シャードには、ブロックチェーンをより小さなピース、または破片に分割することが含まれます。それぞれが独自のトランザクションセットを処理できます。 Ethereumは、そのスケーラビリティを向上させるために、シャードの実装に積極的に取り組んでいます。複数のシャードを同時に処理できるようにすることにより、ネットワークの全体的なトランザクションスループットを大幅に改善できます。

オフチェーンスケーリングソリューション

オフチェーンスケーリングソリューションは、メインブロックチェーンの外側のトランザクションを処理することを目的としており、それによりネットワーク上の負荷が削減されます。最も人気のあるオフチェーンソリューションの1つは、Bitcoin用に設計されたLightningネットワークです。 Lightning Networkは、ユーザー間で支払いチャネルを作成し、複数のトランザクションをオフチェーンで実行し、ブロックチェーンの最終残高のみを解決できるようにします。これにより、メインブロックチェーンで処理する必要があるトランザクションの数が大幅に削減され、全体的なスケーラビリティが向上します。

別のオフチェーンソリューションはサイドチェーンです。サイドチェーンは、メインブロックチェーンに固定された個別のブロックチェーンであり、それらの間に資産を転送できるようにします。サイドチェーンのトランザクションを処理することにより、メインブロックチェーンはセキュリティとコンセンサスの維持に焦点を当てることができ、サイドチェーンはトランザクションボリュームの大部分を処理します。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションは、ブロックチェーンネットワークをスケーリングするもう1つのアプローチです。これらのソリューションは、既存のブロックチェーン（レイヤー1）の上に構築され、基礎となるプロトコルを変更せずにスケーラビリティを向上させます。レイヤー2ソリューションの1つの例は状態チャネルです。これは、Lightningネットワークに似ていますが、単なる支払い以上のものに使用できます。状態チャネルを使用すると、ユーザーは複数の相互作用をオフチェーンで実行し、最終状態をブロックチェーンにのみ提出して、ネットワーク上の負荷を減らすことができます。

別のレイヤー2ソリューションはロールアップです。ロールアップは複数のトランザクションを単一のトランザクションにバッチし、メインブロックチェーンで処理されます。ロールアップには、楽観的なロールアップとZKロールアップの2種類があります。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実行されると仮定しますが、ZK-Rollupsはゼロ認識証明を使用して、ブロックチェーンに送信する前にトランザクションをオフチェーンで検証します。

コンセンサスメカニズムの革新

コンセンサスメカニズムの革新は、拡大の問題に対処する上で重要な役割を果たします。仕事の証明（POW）はBitcoinのようなブロックチェーンの従来のコンセンサスメカニズムでしたが、本質的に遅くエネルギー集約的です。その結果、株式証明（POS）や委任された株式証明（DPO）などの代替コンセンサスメカニズムが開発されました。

たとえば、Ethereumは、Ethereum 2.0のアップグレードでPOWからPOSに移行しています。 POSを使用すると、バリデーターは、保持しているコインの数に基づいて新しいブロックを作成し、担保として「賭け」を意欲的にします。このアプローチはエネルギー効率が高く、POWよりも速くトランザクションを処理できます。 EOSなどのブロックチェーンで使用されるDPOは、トークンホルダーがトランザクションの検証と新しいブロックの作成を担当する少数の代表者に投票し、スケーラビリティをさらに向上させることができます。

相互運用性とクロスチェーンソリューション

相互運用性とクロスチェーンソリューションも検討されており、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させています。さまざまなブロックチェーンがそれらの間で資産を通信して転送できるようにすることにより、ブロックチェーンエコシステムの全体的な能力を高めることができます。 PolkadotやCosmosなどのプロジェクトは、相互運用可能なブロックチェーンのネットワークの作成に取り組んでおり、それぞれが独自のトランザクションを処理し、他のトランザクションと通信することができます。

たとえば、Polkadotはリレーチェーンを使用して複数のパラチェーンを接続します。それぞれが特定のユースケースに最適化できます。これにより、ネットワーク内でのスケーラビリティと柔軟性が向上します。一方、Cosmosは、ブロックチェーン間通信（IBC）プロトコルを使用して、さまざまなブロックチェーンがデータと資産を安全に交換できるようにします。

よくある質問

Q：シャードはブロックチェーンのスケーラビリティをどのように改善しますか？

A：シャードは、ネットワークを破片と呼ばれるより小さな独立したピースに分割することにより、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させます。各シャードは、独自のトランザクションのセットを同時に処理でき、ネットワーク全体が毎秒大量のトランザクションを処理できるようにします。このアプローチは、個々のノードの負荷を減らし、ブロックチェーン全体のスループットを増加させます。

Q：楽観的なロールアップとZK-Rollupsの主な違いは何ですか？

A：楽観的なロールアップとZK-Rollupsはどちらもレイヤー2スケーリングソリューションですが、動作は異なります。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実行すると仮定します。一方、ZK-Rollupsは、ゼロ知識証明を使用して、ブロックチェーンに送信する前にトランザクションをオフチェーンで検証し、確認時間を速くしますが、より多くの計算能力が必要です。

Q：ブロックサイズだけを増やすと、ブロックチェーンの拡張問題を解決できますか？

A：ブロックサイズを増やすと、トランザクションスループットをある程度改善するのに役立ちますが、拡張問題の完全な解決策ではありません。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るため、重要なリソースを持つノードのみがネットワークに参加できるため、集中化につながる可能性があります。さらに、より大きなブロックでは、スケーラビリティを制限する可能性のある作業証明のようなコンセンサスメカニズムの根本的な問題に対処していません。

Q：Lightningネットワークはどのように機能し、その利点は何ですか？

A：Lightningネットワークは、ユーザー間で支払いチャネルを作成するオフチェーンスケーリングソリューションです。これらのチャネルにより、ユーザーは複数のトランザクションをオフチェーンで実行し、ブロックチェーンの最終バランスのみを解決できます。 Lightningネットワークの利点には、メインブロックチェーンで処理する必要があるトランザクションの数が減少するため、トランザクション処理の速度、削減、およびスケーラビリティの向上が含まれます。