シャーディングとは何ですか?また、シャーディングによってブロックチェーンのトランザクション速度がどのように向上するのでしょうか?

ブロックチェーンテクノロジーにおけるシャーディングを理解する

1. シャーディングは、スケーラビリティとパフォーマンスを向上させ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 パーティショニング技術です。シャーディングでは、すべてのノードにチェーン全体のトランザクション履歴の処理と保存を要求するのではなく、ネットワークを「シャード」と呼ばれる小さなセグメントに分割します。各シャードはトランザクションの一意のサブセットを処理し、アカウント残高やスマート コントラクトなどの独自の状態を維持します。

2. このアーキテクチャの変更により、複数のシャードがトランザクションを同時に処理できるようになり、スループットが大幅に向上します。 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では、すべてのノードがすべてのトランザクションを検証するため、ネットワークの使用量が増加するにつれてボトルネックが発生します。シャーディングを使用すると、計算負荷が分散され、独立したシャード間での並列処理が可能になります。

3. 各シャードは独自のバリデーターのセットで動作し、個々のノードの負担を軽減します。ノードは、割り当てられたシャード内のトランザクションのみを検証する必要があるため、ハードウェア要件が軽減され、より多くの参加者がハイエンドのインフラストラクチャなしでノードを実行できるようになり、分散化が促進されます。

4. シャード間の通信は、シャード間のトランザクションを監視し、ネットワーク全体の一貫性を確保する中央のビーコン チェーンまたはコーディネーター チェーンを通じて管理されます。この調整層は、全体的なセキュリティと整合性を維持しながら、複数のシャードにまたがる操作の有効性を確認します。

5. シャーディングにより、シャード間の通信とデータの可用性の点で複雑さが生じます。あるシャードが別のシャードの状態を信頼できることを保証するには、堅牢な暗号証明とコンセンサス メカニズムが必要です。不正行為の証明、有効性の証明 (zk-SNARK など)、データの可用性サンプリングなどの技術は、ノードがすべてのシャードを処理しない場合でもセキュリティを維持するのに役立ちます。

並列処理によるトランザクション速度の向上

1. ネットワークを複数のシャードに分割することで、ブロックチェーン システムは数千のトランザクションを順番にではなく同時に実行できます。たとえば、ネットワークに 64 個のシャードがある場合、シャードあたりの容量が等しいと仮定すると、理論的にはシングルチェーン設計の 1 秒あたり 64 倍のトランザクションを処理できます。

2. この並列処理により、非シャード チェーンでのピーク使用期間中に発生する輻輳の問題 (ブロック スペースが限られているためにトランザクション料金が急増する) に直接対処できます。シャーディングを使用すると、需要がシャード全体に分散され、レイテンシーが低く抑えられ、コストが予測可能になります。

3. 分散型取引所、ゲーム プラットフォーム、マイクロペイメント サービスなどのアプリケーションは、シャード アーキテクチャによって実現される確認時間の短縮の恩恵を受けます。ユーザーは、ネットワーク全体にわたるグローバルな合意を待つことなく、ほぼ瞬時の決済を体験できます。

4. ノードごとのワークロードの削減は、軽量クライアントが検証に有意義に参加できることも意味し、アクセスを拡大し、リソースを大量に消費するフルノードによって引き起こされる集中化の圧力に対する回復力を向上させます。

5.イーサリアムのシャーディングの実装は、追加のデータ可用性を提供することでロールアップを補完し、メインチェーンをオフチェーン実行環境のスケーラブルなデータレイヤーに効果的に変えることを目的としています。

シャード化されたブロックチェーンのセキュリティに関する考慮事項

1. シャーディングに関する大きな懸念事項の 1 つは、悪意のある攻撃者が単一のシャードを制御するなど、シャード レベルの攻撃のリスクです。各シャードのバリデーターの数が少ないため、ネットワーク全体に比べて侵害が容易になる可能性があります。

2. これに対抗するために、多くのシャーディング設計ではランダムなバリデータ割り当てを使用し、シャード間でノードを一定の間隔でローテーションします。これにより、攻撃者は制御されているノードがどのシャードに割り当てられるかを予測できないため、標的型乗っ取りは非現実的になります。

3. 暗号経済的インセンティブは、シャードへの攻撃がネットワーク全体への攻撃と同じコストとリスクを伴うように調整されています。スラッシュ条件などの不正行為に対するペナルティは、シャードの所属に関係なく一律に適用されます。

4. データの可用性チェックにより、シャードが無効なブロックを生成した場合でも、シャードの外側にある誠実なノードが欠落または破損したデータを検出できることが保証されます。これらのメカニズムにより、サイレント障害が防止され、システムのグローバルな信頼が維持されます。

5. シャーディングによりスケーラビリティが向上しますが、新しい攻撃ベクトルの導入を避けるために厳密なプロトコル設計が必要になります。現在進行中の研究は、マルチシャード エコシステムにおける分散化、セキュリティ、パフォーマンスの間のトレードオフの最適化に焦点を当てています。

よくある質問

ブロックチェーンのシャードとは何ですか?シャードは、トランザクション負荷全体の一部の処理と保存を担当するブロックチェーン ネットワークのサブセットです。半独立して機能し、独自の状態とトランザクション履歴を維持しながら、中央チェーンを介して他のシャードと調整します。

シャーディングにより取引手数料はどのように削減されますか?シャーディングによりネットワーク全体の容量が増加するため、料金が削減されます。トランザクションが複数のシャード間で並行して処理されると、輻輳が減少します。限られたブロックスペースに対する需要が低下すると、ユーザー間の競争が減り、ガス価格の低下につながります。

スマート コントラクトは異なるシャード間で相互作用できますか?はい、ただしシャード間の通信には特別なプロトコルが必要です。複数のシャードが関与するトランザクションは、ビーコン チェーンまたは同様のインフラストラクチャを通じて調整する必要があります。これには、多くの場合、あるシャードでアセットをロックして別のシャードで作成したり、確認の遅延を伴う非同期メッセージングを使用したりすることが含まれます。

シャーディングはすでに主要なブロックチェーンで利用されていますか?現時点では、ほとんどの主要なブロックチェーンでは完全なシャーディングがまだアクティブになっていません。イーサリアムはビーコン チェーンのフェーズ 0 をデプロイし、シャーディング機能を段階的に展開しており、最初は完全な実行シャーディングではなくロールアップでのデータの可用性に重点を置いています。