ブロックチェーンのスケーラビリティのコンテキストでのシャードとは何ですか？

ブロックチェーンでのシャードの概念を理解する

シャードは、スケーラビリティとトランザクションスループットを改善するためにブロックチェーンネットワークに適合したデータベースパーティションテクニックです。 Bitcoinや初期のイーサリアムなどの従来のブロックチェーンアーキテクチャでは、すべてのノードがネットワークの状態全体を処理および保存します。これにより、すべての参加者がすべてのトランザクションを検証する必要があるため、ネットワークが成長するにつれてボトルネックが作成されます。 Shardingは、ブロックチェーンネットワークをシャードと呼ばれるより小さな管理可能なセグメントに分割することにより、これに対処します。各シャードは独立して動作し、グローバル状態の独自のサブセットを維持し、独自のトランザクションを処理します。この並列化により、ネットワークはより多くのトランザクションを同時に処理し、スループットを大幅に増加させることができます。

シャードの重要な利点は、個々のノードの負荷を減らすことです。すべてのノードにすべてのトランザクションを検証するように要求する代わりに、ノードは特定のシャードに割り当てられ、シャードに関連するデータのみを処理する必要があります。これは、ノードがブロックチェーン履歴全体を保存する必要がなくなったことを意味します。これにより、ハードウェアの要件が低下し、より多くの参加者がノードを実行できるようになり、分散化をサポートします。

シャードがブロックチェーンのスケーラビリティを高める方法

ブロックチェーンのスケーラビリティとは、パフォーマンスやセキュリティを犠牲にすることなく、増加するトランザクションボリュームを処理するネットワークの能力を指します。シャードがなければ、ブロックチェーンはトリレマに直面しています：バランスの分散、セキュリティ、およびスケーラビリティ。シャードは、水平方向のスケーリングを有効にすることにより、スケーラビリティの側面を直接ターゲットにします。これは、トランザクションを並行して処理するためにより多くのシャードを追加します。

各シャードは、独自のトランザクション履歴と状態を持つミニブロックチェーンのように機能します。たとえば、ブロックチェーンに64のシャードがある場合、シングルチェーンシステムの64倍のトランザクションを理論的に処理できます。この並列処理機能により、トランザクション速度が大幅に向上し、うっ血が軽減されます。 EthereumのShardingの計画的な実装は、完全に展開されたときに、1秒あたり約15〜30トランザクションから潜在的に数万人にスループットを増加させることを目的としています。

シャーディングもレイテンシを減らします。トランザクションは個々のシャード内で処理され、ネットワーク全体にブロードキャストされないため、確認時間ははるかに高速になる可能性があります。ただし、これは、ビーコンチェーンのような調整メカニズムを通じて対処される、破片全体の一貫性を維持する際に複雑さをもたらします。

シャードネットワークにおけるビーコンチェーンの役割

Ethereumのシャード設計では、ビーコンチェーンが中央コーディネーターとして機能します。シャード割り当て、バリデーターの割り当て、およびクロスシャード通信を管理します。バリデーター（コンセンサスに参加するノード）は、悪意のある買収を防ぐために異なる破片にランダムに割り当てられます。ビーコンチェーンは、シャード状態が定期的に同期され、ネットワークが安全でまとまりのあるままであることを保証します。

バリデーターは、委員会の回転と呼ばれるプロセスを通じて、定期的にシャード間でシャッフルされます。このランダム性により、攻撃者は単一のシャードに電力を集中させることを防ぎます。ビーコンチェーンはまた、Shardブロックの証明を収集して最終化し、すべての破片がネットワークのコンセンサスルールを順守することを保証します。

架橋は別の重要な機能です。ビーコンチェーンは、定期的に各シャードの状態の暗号化のコミットメント（ハッシュ）を記録します。これらのクロスリンクは、チェックポイントとして機能し、メインチェーンにシャードデータを固定し、シャード履歴全体をダウンロードせずにライトクライアントがシャードデータを検証できるようにします。

ブロックチェーンのシャーディングの種類

シャードを実装するには、それぞれ異なるトレードオフを持ついくつかのアプローチがあります。

• 州のシャード：ブロックチェーンの状態（アカウント残高、スマートコントラクトデータ）を破片全体に分割します。各シャードは、グローバル状態の一部のみを保存および更新します。
• トランザクションシャード：さまざまな破片が異なるトランザクションを処理できるように、トランザクション処理を分割します。これによりスループットが向上しますが、複数のシャードに影響を与えるトランザクションを処理するためのメカニズムが必要です。
• ネットワークシャード：ピアツーピアネットワークをパーティションして、ノードが同じシャード内の他の人とのみ通信するようにします。これにより、帯域幅の使用が削減されますが、堅牢な発見とルーティングプロトコルが必要です。

一部のシステムは、スマートコントラクトが特定のシャードに割り当てられている実行シャードも実装しています。これにより、非紛争契約の並行実行が可能になりますが、契約が破片を越えてやり取りする必要がある場合に課題を導入します。

クロスシャードトランザクションと原子性

シャードの最も複雑な側面の1つは、クロスシャードトランザクションとして知られる複数のシャードを含むトランザクションの処理です。たとえば、シャードAのアカウントからシャードBの1つにトークンを転送するには、両方のシャード間の調整が必要です。

トランザクションが完全に成功するか失敗するかを強化する原子性を維持するために、ブロックチェーンは2フェーズのコミットや領収書ベースの通信などのプロトコルを使用します。領収書モデルでは、Shard AのトランザクションがShard Bに資金を送信すると、Shard Aが領収書を生成します。 Shard Bは、領収書の有効性を確認すると、転送を完了するために対応するトランザクションを作成します。

このプロセスには、ビーコンチェーンまたはグローバルクロックを介して管理されることが多い時間と順序の共通の理解が必要です。バリデーターは、領収書が合法であり、二重に及ぼされていないことを確認する必要があります。効果的ですが、クロスシャードコミュニケーションは遅延と複雑さをもたらし、進行中の研究の重要な分野になります。

シャードブロックチェーンのセキュリティ上の考慮事項

シャードは新しい攻撃ベクトルを導入します。最も注目すべきは、シングルシャードテイクオーバー攻撃です。攻撃者が1つのシャード内のバリデーターの大多数の制御を獲得した場合、そのシャード内のトランザクションを操作することができます。これを緩和するために、シャードネットワークはランダムなバリーターの割り当てと頻繁な変更を使用します。

別の懸念は、データの可用性です。シャード内のノードは、すべてのトランザクションデータが公開され、アクセス可能であることを確認する必要があるため、他のノードが検証できるようにする必要があります。一部のシステムでは、消去コーディングとデータの可用性サンプリングを使用します。ここでは、ライトクライアントがシャードデータの部分をランダムにチェックして、すべてをダウンロードせずに利用可能であることを確認します。

暗号経済セキュリティも重要です。単一のシャードを攻撃するコストは非常に高いはずです。これは、実質的なステーキング預金を必要とし、悪意のある行動に罰せられる斬新な条件を実装することによって達成されます。

よくある質問

シャードとサイドチェーンの違いは何ですか？シャードは、シェードがメインチェーンとしっかりと統合され、集合的に保護されているチェーン上のスケーリングソリューションです。サイドチェーンは、メインチェーンと平行に実行される独立したブロックチェーンであり、異なるコンセンサスメカニズムを使用する場合があります。シャードはメインネットワークのセキュリティに依存していますが、サイドチェーンには独自のセキュリティがあります。

シャードはBitcoinに実装できますか？現在、 Bitcoinは、デザイン哲学がシンプルさとセキュリティを強調しているため、シャードをサポートしていません。シャーディングの実装には、Bitcoinのコンセンサスとデータ構造に大きな変更が必要になります。これは、コミュニティが追求していません。

シャードはスマートコントラクトの相互作用にどのように影響しますか？特定のシャードに展開されているスマートコントラクトは、同じシャード上の他の契約と直接相互作用することができます。クロスシャードの相互作用の場合、非同期メッセージングまたは領収書が使用されます。これにより、シャード内の呼び出しと比較して複雑さと遅延が増加する可能性があります。

シェードネットワーク内のすべてのシャードを検証するためにすべてのノードが必要ですか？いいえ。シャードシステムでは、ノードは、ビーコンチェーンとともに、割り当てられているシャードのみを検証します。これにより、計算とストレージの負担が軽減され、参加とスケーラビリティが向上します。