シャーディングテクノロジーは、ブロックチェーン拡張の問題をどのように解決しますか？簡単な解釈

ブロックチェーンのスケーラビリティ問題を理解する

ブロックチェーンのスケーラビリティの問題とは、Bitcoinやイーサリアムなどの従来のブロックチェーンネットワークの制限を指します。ビザなどの集中型システムとは異なり、1秒あたり数万のトランザクションを処理できますが、ほとんどのパブリックブロックチェーンはほんの数十匹と格闘しています。このボトルネックは、ネットワーク内のすべてのノードがすべてのトランザクションを処理および保存し、レイテンシの増加とストレージ要件の増加につながる必要があるために発生します。

これに関連して、シャードテクノロジーは有望なソリューションとして浮上しています。地方分権やセキュリティを損なうことなく、スループットを改善することを目指しています。シャードの背後にある重要なアイデアは、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することです。それぞれが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ることです。

ブロックチェーンのシャードとは何ですか？

シャードは、大きなデータベースをより小さく、より管理しやすい部分に分割するデータベースパーティション化手法です。ブロックチェーンでは、各シャードはネットワークのトランザクションのサブセットを処理し、複数のシャードを同時に操作できるようにします。この並列性により、トランザクションを処理するネットワークの能力が大幅に向上します。

各シャードには、シャード内のトランザクションの検証を担当する独自のバリデーターのセットがあります。これらのバリデーターは、ブロックチェーン全体を処理する必要はありません。彼らは割り当てられたシャードにのみ焦点を合わせます。ただし、すべての破片にわたって一貫性とセキュリティを維持することは、依然として重要な課題です。

シャードは実際にどのように機能しますか？

シャードを効果的に実装するには、いくつかのコンポーネントを配置する必要があります。

• シャードチェーン：これらは、より大きなブロックチェーンネットワーク内の個々のチェーンであり、それぞれがトランザクション負荷の一部を担当します。
• 照合と架橋：コレーターは、シャードからトランザクションを収集し、照合を作成します（ブロックに似ています）。この照合は、メインチェーン（多くの場合、ビーコンチェーンと呼ばれることが多い）にリンクされ、最終性を確保します。
• ランダムバリデーターの割り当て：悪意のある動作を防ぐために、検証装置は検証可能なランダム関数（VRF）を使用して異なるシャードにランダムに割り当てられます。

これらのメカニズムにより、各バリデーターはネットワークのごく一部で動作しますが、システム全体が整合性とコンセンサスを維持することを保証します。

シャードを実装することの利点

シャードの主な利点の1つは、トランザクションスループットの増加です。ワークロードを複数のシャード間で分割することにより、ネットワークは多くのトランザクションを同時に処理できます。これにより、デジタル決済、サプライチェーン追跡、分散型ファイナンス（DEFI）などの実際のアプリケーションにより、ブロックチェーンがより実行可能になります。

別の利点は、個々のノードのストレージ要件を削減することです。ノードは、割り当てられたシャードに関連するデータを維持するだけであるため、通常のユーザーが完全なノードを実行し、分散化を維持することが容易になります。

さらに、混雑の減少によりネットワーク効率が向上します。各ノードによって処理されるトランザクションが少なくなると、確認時間が速くなり、取引料が減少する可能性があります。

シャードに関連する課題とリスク

その可能性にもかかわらず、シャードはいくつかの複雑さを導入します。大きな懸念の1つは、クロスシャードコミュニケーションです。 2つのトランザクションが別々の破片で発生し、相互依存性がある場合、それらを調整することは複雑になります。この問題に対処するために、非同期メッセージや領収書などのソリューションが検討されています。

セキュリティはもう1つの重要な課題です。敵が比較的少ないリソースを持つ単一のシャードをターゲットにする可能性があるため、より小さなシャードは攻撃に対してより脆弱です。このリスクを軽減するために、ランダムなバリデーターの回転と、詐欺の証明やデータの可用性チェックなどの暗号化手法が採用されています。

データの可用性の問題もあります。必要なすべてのデータを保証するには、シェード全体でアクセスできるようにするには、堅牢なプロトコルが必要です。消去コーディングやマークルツリーの検証などの手法は、シャードが重要な情報を失うことがないことを保証するのに役立ちます。

実世界の実装：Ethereum 2.0およびSharding

Ethereum 2.0は、シャードを組み込んだ最も注目すべきプロジェクトの1つです。当初、計画は64のシャードを導入することでした。それぞれが並列チェーンとして機能していました。これらの破片は実行と状態を処理し、メインのイーサリアムチェーンの負担を軽減します。

ただし、最近の更新により、完全な実行ではなく、主にデータの可用性のためにシャードを使用することに焦点がシフトしています。このアプローチにより、実装が簡素化され、ロールアップなどのレイヤー2スケーリングソリューションとより適切に統合されます。

Ethereum 2.0のバリデーターは、ビーコンチェーンを介してシャードにランダムに割り当てられ、単一のグループがそれを操作するのに十分な長さのシャードを制御しないようにします。各シャードは定期的にその状態の概要をビーコンチェーンに提出し、クロスシャードの同期とコンセンサスを可能にします。

よくある質問

Q1：ブロックチェーンにシャードを実装できますか？はい、シャーディングは理論的にはブロックチェーンに適用できますが、大幅なアーキテクチャの変更が必要です。高スループットと地方分権化を目指しているパブリックブロックチェーンは、シャードから最も利益を得ています。

Q2：シャードはサイドチェーンまたはレイヤー2溶液とどのように異なりますか？シャードは基本層で動作し、メインチェーンを複数の平行チェーンに分割することを伴います。サイドチェーンとレイヤー-2ソリューションは、稲妻ネットワークやロールアップなど、メインチェーンから機能し、セキュリティに依存していますが、チェーン内の混雑を減らします。

Q3：ビーコンチェーンはシャードでどのような役割を果たしますか？ビーコンチェーンは、破片のネットワークを調整します。バリデーターの割り当てを管理し、クロスシャード通信を促進し、システム全体にわたって全体的なコンセンサスを保証します。

Q4：ブロックチェーンのスケーラビリティを解決するためのシャードに代わるものはありますか？はい、その他のアプローチには、ブロックサイズの増加、ステークの証明などの代替コンセンサスメカニズムの採用、状態チャネルやロールアップなどのオフチェーンソリューションの実装が含まれます。各方法には、地方分権、セキュリティ、複雑さに関するトレードオフがあります。