シャーディング技術探索:イーサリアムから Shardeum への革新の道

2022年9月15日、イーサリアムは注目されていた合併(Merge)を完了しました。このアップグレードは、イーサリアムをプルーフ・オブ・ワーク(PoW)からプルーフ・オブ・ステーク(PoS)メカニズムに移行させましたが、直接的により高いスケーラビリティ、安全性、持続可能性をもたらすものではありません。これらの目標を達成するには、シャーディング機能を備えたメインネットや、スケーラビリティを向上させるLayer2ソリューションなど、より包括的なソリューションが必要です。

シャーディングは、スケーラビリティの三重苦における拡張解決策の一つです。それは、ネットワーク内のノードをより小さなグループに分け、異なるトランザクションセットを処理し、並列処理を実現します。全体のネットワークデータの処理負担を分散させることで、シャーディングは処理効率を向上させることができ、店がレジの通路を増やして待ち時間を減らすのに似ています。

分割の原理はシンプルで直接的ですが、実施過程では依然として多くの課題に直面しています。本稿では、分割技術の発展方向と困難を整理し、分割探求者のロードマップを描きます。また、既存の分割ソリューションを比較することで共通の問題を見出し、新しい探求方向としてShardeumと動的分割を提案します。

! Shardeum:シャーディングの別の可能性

"シャーディング"について

イーサリアムを座標原点とした場合、ブロックチェーンのスケーラビリティ手法は大きく二つのカテゴリに分けることができます:

縦方向のスケーリング(Vertical Scaling): システムの既存のハードウェア性能を向上させることで実現します。この方法はシンプルで効果的であり、遅延に敏感なシーンに適していますが、ネットワークの非中央集権化の程度に制限をかけることになります。

横方向のスケーリング(Horizontal Scaling): 主に三つのアプローチがあります:

1. 取引の計算量を複数の独立したブロックチェーンに分散させる
2. モジュール化ブロックチェーンは、インフラストラクチャを実行層、データ可用性層、コンセンサス層に分割します
3. 一つのブロックチェーンを複数のシャーディングに分割して並行実行する

これらのスケーリングのアプローチは孤立して存在するものではなく、各解決策は不可能の三角形の中でバランスを求めており、経済的インセンティブメカニズムの設計と組み合わせて、マクロおよびミクロのレベルでの効果的なバランスを達成します。

"シャーディング"について議論するために、いくつかの重要な問題を最初から整理する必要があります:

1. ネットワーク全体のノード/バリデーターがどのシャーディングに属しているかをどのように判断しますか? つまり、ネットワークシャーディング(Network Sharding)
2. どのトランザクションがどのシャーディングに割り当てられるかをどうやって決定しますか？つまり、トランザクション シャーディング ( )
3. ブロックチェーンデータは異なるシャーディングにどのように保存されますか？つまり、状態シャーディング(State Sharding)
4. どのようにしてシステム全体のセキュリティの分裂を避けることができますか?

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ネットワークシャーディング(Network Sharding)

ネットワークシャーディングとは、ブロックチェーンネットワークをシャーディングし、各シャードがオンチェーン取引を処理し、記帳権を争うことを指します。主な課題は、ノードが異なるシャードに分けられるにつれて、攻撃者の難易度とコストが大幅に低下することです。

解決策は通常、ある程度の無偏のランダム性を構築し、攻撃者の成功確率を最小限に抑えることです。例えば、イーサリアムでは6.4分ごとにランダムにあるシャーディングの検証者を選出し、ローテーションを行います。

しかし、ブロックチェーンにおけるランダム性自体は挑戦的なトピックです。多くの既存のデザインは、イーサリアムやNearのビーコーチェーン、PolkaDotのリレーチェーン、CosmosのCosmos Hubのように、ネットワーク全体を維持するために個別のチェーンを開発しています。

トランザクション シャーディング (Transaction Sharding)

取引シャーディングとは、取引をどのシャードに割り当てるかを決定するルールを制定することを指します。ブロックチェーンの台帳モデルは、取引シャーディングの開発に影響を与えます。

現在、主に2つの記帳方式が存在します:

UTXOモデル: 典型的な例はビットコインです。UTXOモデルでは、トランザクションのシャーディングはクロスシャード通信を必要とします。1つの可能な方法は、ハッシュ関数を使用してトランザクションを異なるシャードに割り当てることです。

アカウント/バランスモデル: 代表するのはイーサリアム。取引を送信者アドレスに従ってシャーディングすることで、同一アカウントの複数の取引が同一シャード内で処理されることが保証され、二重支払いを効果的に防ぐことができます。したがって、シャーディング技術を採用しているほとんどのブロックチェーンはアカウント台帳システムを採用しています。

州のシャーディング(State Sharding)

状態シャーディングは、ブロックチェーンのデータがどのように異なるシャードに保存されるかを指します。これはシャーディング技術の最大の課題です。なぜなら、シャーディングメカニズムの下では、取引はアドレスに基づいて異なるシャードで処理され、状態はそのアドレスが存在するシャードにのみ保存されるからです。

主な課題は、クロスシャーディング(取引を処理することです。例えば、AアカウントがBアカウントに送金する際、2つのアカウントが異なるシャードに位置している場合です。このような場合、クロスシャーディング通信が必要となり、取引処理効率が低下する可能性があります。

この問題を解決するための主な考え方は二つあります:

同期クロスシャーディング)Synchronous(: また、タイトカップリング)Tight Coupling(とも呼ばれます。クロスシャーディングトランザクションが実行されるたびに、関連するブロックが同時に発生し、各シャードノードが協力してトランザクションを実行します。

非同期クロスシャーディング)Asynchronous(: いわゆる松耦合)Loosely Coupling(。この方法はNEAR、イーサリアム、Cosmos、Kadenaなどのように広く適用されています。最大の課題は、トランザクションの原子性を確保することです。

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シャーディングの探索と試み

私たちは、いくつかの有名なパブリックブロックチェーンのシャーディング技術ソリューションを振り返り、Shardeumの革新性について探討します。

) シャーディングを計算する

Zilliqaは最初にシャーディングを試みたスマートコントラクトプラットフォームの一つです。計算シャーディングの方式を採用し、取引の検証作業を異なるシャードに分割します。しかし、各ノードは依然としてすべての取引を受信し、すべてのアカウントの状態を更新するため、ネットワーク帯域幅とストレージ操作は依然としてボトルネックとなっています。

静的状態シャーディング

より一般的なシャーディング方法は、アカウントアドレス空間を固定サイズのシャードに分割し、ノードを異なるシャードに割り当てることです。Near、Elrond、およびHarmonyなどのプラットフォームはこの方法を採用しています。

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)# イーサリアムのデータシャーディング構想

イーサリアムは可用性を高めるためにデータシャーディングを実装する計画です。一つの提案は「データ可用性」に基づくシャーディングで、「データ可用性サンプリング」を使用してすべてのデータが利用可能かどうかを確認します。もう一つの提案は、各シャードに追加機能を加えて、現在のイーサリアムメインネットにより近いものにすることです。

ハーモニー

Harmonyは標準的なシャーディング手法を採用し、複数のシャードを調整するビーコンサインを持っています。これは、有効なステーク証明###EPoS(メカニズムと安全なランダムシャーディング技術を使用しており、大口のステーキングトークンを複数のシャードに分散させ、単一のシャードが攻撃されるのを防ぎます。

)# エルロン

エルロンは自適応型状態シャーディングを採用し、シャーディングの数を動的に調整します。安全なプルーフ・オブ・ステーク合意メカニズムを使用し、メタチェーン###を通じて迅速なクロスシャード取引の確定性を実現します。

(# 近く

Nearは夜影プロトコル)Nightshade###を提案し、システムを単一のブロックチェーンとしてモデル化し、ブロックレベルでシャーディングを行います。シャーディングチェーンはなく、すべてのブロック生成者と検証者が主チェーンを構築しています。

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Shardeumと動的状態シャーディング

Shardeumは、既存のシャーディング技術の限界に対処するための2つの新しい解決策を提案しました:

( 取引レベルのコンセンサス

シャーディウムは法定人数証明)PoQ###と権益証明(PoS)を組み合わせて、取引レベルでコンセンサスを達成します。これにより、シャーディングを跨いで同時に取引を処理でき、原子的な処理を確保するために必要な複雑さが排除されます。

( リニアスケーリング

Shardeumは動的状態シャーディングを使用しており、各ノードが異なるかつ重複するアドレス範囲を保持できる。この方法は複雑さが増すが、真の線形スケーラビリティを実現している。

Shardeumは現在10個のシャーディングを持ち、それぞれ128個のノードを持ち、合計1280個のノードです。2022年第四四半期にメインネットが立ち上がる予定です。テストネットLiberty 2.0上で、Shardeumは100TPSの能力を示しました。

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まとめ

真のシャーディングと拡張可能なブロックチェーンはゼロから構築する必要があり、同様に強力なコミュニティも継続的な努力が必要です。Shardeumのテストネットがローンチされた後、広範な注目を集めましたが、疑問にも直面していますが、私たちは進歩の道はいつも曲がりくねっていると信じています。

古い言葉にもあるように、「国には六つの職があり、百の工芸が一つに集まる。ある者は座って道を論じ、ある者は行動に移す」ということです。Jsquareは、より多くの建設者が去中心化とシャーディングの探求に参加することを望んでいます。私たちは、Web3が大規模に採用される時にのみ、高品質で高性能な去中心化のパブリックチェーンが際立つと信じています。疑問や議論、繰り返しの検証を経たコミュニティこそが、去中心化の道をより遠くまで進むことができるのです。

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