ブロックチェーンにおけるシャーディングとは？

主要なポイント

• ブロックチェーンにおけるシャーディングは、分散型ネットワークのスループットを向上させ、多くのブロックチェーンプロトコルのスケーリング能力を向上させようとするものです。
• 開発が進み、シャーディングが可能になれば、 イーサリアム 2.0 は歴史上初めてブロックチェーンのトリレンマを解決することになるかもしれません。
• シャーディングは、スケーリング問題の理想的な解決策のように見えますが、現在、その成功への道のりには、運用の複雑さやレイテンシーなど、いくつかの問題があります。

ブロックチェーンは、世界中の人々の心と資金を捉えています。この10年間、イノベーションという点では記念すべき成功を収めてきましたが、この技術が主流になるにはいくつかの問題があります。決済は私たちの日常生活の一部であり、従来の決済ネットワークは専門家チームが配置された複雑なインフラ上で運営されていますが、その成果はほとんどエンドユーザーには示されていません。

スケーラビリティ問題

VisaやMastercardのような現代の中央集権的な決済ネットワークは、1秒間に約2,000件のトランザクションを処理できますが、ビットコインが管理する1秒間に5件のトランザクションとは雲泥の差です。スケーラビリティは、分散型ネットワークを阻む最も大きな要因ですが、この問題を解決するのは、言うほど簡単ではありません。

仮想通貨業界では、分散化に宗教的ともいえるほどのこだわりを持っていますが、同じレベルの効率性で機能する分散システムを構築することは、困難なだけでなく不可能に近いことです。中央集権的なモデルとは異なり、ブロックチェーンネットワークはオープンソースのコミュニティによって開発されることが多く、技術の向上に対するインセンティブが低いこともあります。

企業の金融システムには高性能が求められますが、懸念されるのは取引速度の遅さだけではありません。ネットワークの混雑は、2017年のCryptoKitties のように、法外な取引手数料につながる可能性があり、ほとんどのユースケースで実用的ではありません。

スケーリングは、ビットコインの誕生以来、業界が取り組んできた問題です。ブロックサイズやセグウィット（SegWit）、ライトニングネットワークなどのレイヤー2ソリューションなど、この10年間でネットワークのスループットを向上させる試みが数多く行われてきました。しかし、わずかに成功しただけで、たいていは分散化の度合いなど、他のシステム特性を犠牲にしています。

ブロックチェーンのトリレンマとは、この3つの属性のうち1つを犠牲にすることなく、スケーラブルで安全な分散型ネットワークを構築するという課題です。昨年は、世界的なパンデミックや経済の低迷の中、 ビットコイン は史上最高値を更新し、分散型金融プラットフォームにロックされたETHの総額は7,000％以上も上昇しました。政府や中央銀行から、ヘッジファンドや個人投資家まで、人々は仮想通貨に注目し始めていますが、ブロックチェーンはまだ準備ができていないかもしれません。

現在、ほぼすべてのDeFiアプリケーションはイーサリアムネットワーク上で動作しています。今後、より多くの人が利用するようになれば、ブロックチェーンの拡張性が業界の主要なボトルネックになるでしょう。今後、より多くの人々がこのシステムに参加するようになると、ブロックチェーンの拡張性が業界の主要なボトルネックになると考えられます。イーサリアム2.0は何年も前から開発が進められており、チェーンは正式に開始されたものの、シャーディング構造などの中核機能はまだ実装されていません。しかし、開発が進み、シャーディングが可能になれば、イーサリアム2.0は歴史上初めてブロックチェーンのトリレンマを解決することになるかもしれません。

シャードのスケーリング

ネットワークセキュリティーの証明

ブロックチェーンネットワークを大規模に使用できるようにするには、レイヤー2ソリューションがやはり必要です。これらのプロトコルは通常、第2のネットワーク層で計算をオフロードし、ベースチェーンに変更を加えることなくヘッドルームを増やします。さらに、元のチェーンの要素を使用して第2層を構築することもできます。

これは、ネットワークのセキュリティを向上させるのに役立ちます。開発者は、レイヤー1とレイヤー2の両方のスケーリングソリューションを混合したアプローチを実装することで、セキュリティや分散性に影響を与えることなくブロックチェーンのパフォーマンスを向上させることを期待しています。イーサリアムでは、ベースレイヤーのボトルネックとなる計算に対処するライデン、プラズマ、ロールアップスなどの様々なレイヤー2ソリューションをすでにサポートしています。

個々のトランザクションをより速く検証する

プラズマは、1秒間に最大15件のトランザクションを処理できる「チャイルドチェーン」を実装しており、一方のライデンは、参加者が資金を調達できる支払いチャネルを開くための、よりオフチェーンなソリューションです。この2つのプロトコルは、プラズマがスマートコントラクトを処理し、ライデンで支払いチャネルをトリガーすることで、互いに連携しています。

一方、シャーディングでは、ノードをグループに分けることで、各ノードがチェーン全体を検証する必要がありません。当初、この技術は大きなデータベースを水平方向に管理しやすい塊に分割するために作られました。

イーサリアムのシャーディングの説明

これは、表計算ソフトで考えるとわかりやすいです。表を縦に分割すると、それぞれの部分が他の部分と一緒でないと意味をなさなくなります。一方、水平方向に分割すると、各部分は他の部分との関連性を保ちつつ、つなぎ合わせると全体像が見えてきます。この概念をブロックチェーンに当てはめてみると、チェーンの状態はシャードと呼ばれる塊に断片化されます。

これにより、シャードは個々のトランザクションをより速く検証し、他のイーサリアムノードはシャードチェーン全体を検証します。仮想通貨の取引に関するほとんどの操作は、他の操作が終了した後に1つの操作が行われるという順序で行われます。実際、各ステップは前のステップが正常に完了したかどうかで決まります。ネットワークの規模やユーザー数が大きくなるにつれ、逐次処理は非実用的な非効率レベルにつながります。

この問題に対処するには、並列処理の方がはるかに現実的な選択肢です。ブロックチェーンを複数のパーツに分割し、それらを並列処理することで、シャーディングはネットワークが一度に処理できる計算量を飛躍的に向上させるはずです。シャーディングの数が少ないだけでも、イーサリアムのスケーリング能力は飛躍的に向上しますが、7,000近いノードを自由に使えるようになれば、その成果はさらに顕著なものになるでしょう。

計画では、イーサリアム2.0を1,024個のシャードに分割することで、理論的にはスループットを1,000倍に拡大することができます。中央集権的なシステムとは異なり、ネットワークの状態を把握するサーバーはありません。これはチェーン上のノードが行う必要があり、各ノードの作業負荷を軽減することで、ノードが参加するために高価なハードウェアを必要とせずにイーサリアムを拡張することができます。

シャーディングを実装する上で最も重要な部分の1つは、イーサリアムのコンセンサスメカニズムがプルーフオブワーク（PoW）からプルーフオブステーク（PoS）に移行したことです。ビットコインではPoWを採用しており、ブロック報酬（現在は6.25BTC）を獲得するチャンスを得るために、マイナーが数学的な問題を解いて取引を検証することを競うというインセンティブが働いています。

ビットコインマイニングとエネルギー消費

このコンセンサスアルゴリズムの問題点は、チェーンを採掘するために必要な計算を行うために大量の電力を必要とすることです。報告によると、ビットコインの世界的な電力消費量は小さな国と同じくらいだと言われています。再生可能エネルギーへの広範なシフトは、少しでも持続可能な選択肢ではありますが、必要な計算量が増加しているため、エネルギー需要は今後も増え続けるでしょう。

プルーフオブステークは、マイナーが高価な専用機器を購入して採掘プロセスに参加するのではなく、ネットワーク参加者が自分の持ち分に応じて取引を検証することができます。参加者はトークンをロックアップして「ステーク」し、ステークしたトークンの数に応じて、検証者に次のブロックを採掘するチャンスが与えられます。これにより、ネットワークのセキュリティと分散化のレベルを維持しつつ、エネルギー消費を大幅に削減することができます。

イーサリアム 2.0では、ネットワークの全体的な状態を「グローバルステート」と呼びます。この状態はシャードに分割されており、各シャードはそれぞれの状態を持っています。グローバルな状態、シャード、シャードの状態を合わせてマークルツリーを構成し、ツリーの各レベルは1レベル上のノードから派生します。

イーサリアム2.0でシャーディングが有効になると、イーサリアムの状態はシャードに分割され、固有のアカウントはそれぞれ特定のシャードに属することになります。イーサリアムの生みの親であるヴィタリク・ブタリンがデブコンで説明したように、これはあたかもイーサリアムが何千もの島に分割され、それぞれの島が独立して存在する一方で、他の島との相互作用やリソースの共有が可能になることを意味しています。

イーサリアム2.0では、2つのインタラクションレベルによってこれを実行することを計画しています。最初のシャードのインタラクションレベルでは、各シャードが独自のトランザクショングループを持ちます。このグループは、シャードID、シャード内にトランザクションが置かれる前の状態（プレステートルート）、トランザクションが追加された後の状態（ポストステートルート）、トランザクションの追加を確認するための「レシートルート」、シャードチェーンのデータを検証するために無作為に選ばれたバリデーターのグループを含むトランザクショングループヘッダーに分かれている。

各トランザクションは、所属するシャードIDをブロードキャストし、そのシャード内の2つのアカウント間でトランザクションが発生する。前状態と後状態のルートを指定することで、この相互作用レベルは状態の遷移も明らかにする。2番目のインタラクションレベルは、個々のトランザクションの代わりにトランザクショングループを受け入れる単純なブロックチェーンとして機能します。グループは、その状態前のルートがグローバルステートのシャードルートと一致する場合にのみ受け入れられます。

さらに、バリデーターはグループが受け入れる前に、トランザクショングループのすべての署名を検証しなければならない。グループがブロックに受け入れられると、シャードのポストステートルートはグローバルステートルートと一致するように更新される。

シャーディングでの複雑なコミュニケーション

シャーディングは、金融システムのあり方を変える可能性を秘めた素晴らしいコンセプトですが、個々のシャードが相互に通信できなければ特に意味はありません。システムを効率的に運用するためには、シャード同士が効果的に相互作用しながら、通信のボトルネックやコストを削減する必要があります。

これを実現するために、シャードは必要なときだけ通信を行いますが、開発者にとっての最大の課題は、同じレベルのセキュリティを維持しながらシャード間の通信とスケーリングを可能にすることです。イーサリアム2.0では、これを実現するために「レシートパラダイム」を採用しており、ビーコンチェーン上のレシートを保存するために分散型共有メモリを採用しています。

他のシャードはイーサリアム 2.0のビーコンチェーン内のレシートを見ることができますが、ブロックチェーンネットワークの不変的な性質のため、修正することはできません。これにより、ネットワークの最終性に影響を与えることなく、シャードが相互に利益を得ることができます。表面的には、シャーディングはスケーリング問題の理想的な解決策のように見えますが、現在、その成功への道のりには、運用の複雑さやレイテンシーなど、いくつかの問題があります。

複雑な運用に対応するため、ブテリン氏は、最小限のコンセンサス層フレームワークで完全にシャーデッドなネットワークを開発するための2つの提案を発表しました。これらの提案は、複雑に設計されたスマートコントラクトのフレームワークを開発するための十分なサポートを提供する一方で、ブロックチェーン上での送金やコード実行のためのレイヤー2の抽象化を用いて、シャード間の通信を可能にするものです。

トークンをあるシャードから別のシャードに送信するには、多くのプロセスが必要であり、そのためにレイテンシーが発生します。この問題に対処するには、「Fast Cross-Shard Transfers Via Optimistic Receipt Root」（楽観的なレシートルートによる高速なクロスハード転送）というソリューションを使用します。このソリューションでは、「Fast Cross-Shard Transfers Via Optimistic Receipt Root」という名前の通り、取引が確認されるまでネットワークがアカウントの状態を一時的に変更します。これにより、シャードは通信の遅延を考慮することなく、最終的な処理を行うことができます。

送金が確認されると、有効であればその取引は永続的なものとなり、無効であれば取り消されます。しかし、ほとんどのシャードはチェーン全体のハッシュレートのほんの一部でしか動作しないため、大規模なマイニングプールがシステムを乗っ取り、運営を集中させる可能性が出てきました。

イーサリアム2.0立ち上げの最終段階

イーサリアム2.0のフェーズ0は昨年末に開始され、検証者は350万ETH以上のETHをステークスデポジット契約に送っています。しかし、フェーズ0はイーサリアム2.0のプルーフオブステークの実装を開始しただけであり、ネットワークがシャーディングメカニズムを起動するのはフェーズ1になってからです。

フェーズ1は今年中に実施され、ブロックチェーンを互いに同期した64のパラレルシャードチェーンに分割します。この段階を経て、ネットワークは64ブロックのトランザクションを同時に処理できるようになり、メインのビーコンチェーンの負荷が大幅に軽減されるはずです。

中間段階であるフェーズ1.5では、オリジナルのプルーフオブワークチェーンと新しいビーコンチェーンを統合し、新しいプルーフオブステークチェーンを作成します。これにより、Eth1は、電力を消費するPoWアルゴリズムを実行することなく、取引の全履歴を持つ64のシャードチェーンの1つとして存在することができます。

フェーズ2では、アカウント、トランザクション、スマートコントラクトの実行の微調整が行われますが、これはイーサリアム2.0の立ち上げの最後の段階であり、最も重要な段階でもあります。シャーディングの実装は非常に複雑であり、長い目で見れば、ネットワークの段階的な立ち上げが最善であると考えられます。

まとめ

ブロックチェーンは、この10年間、その将来性と現在の限界について、称賛と批判の両方を受けてきました。真の意味で堅牢なスケーリングソリューションがないため、多くのプロジェクトがより中央集権的なメカニズムに移行しています。プラズマやライデンのようなレイヤー2ソリューションとともにチェーンの開発が進めば、シャーディングはネットワーク上で前例のないスループットレベルを可能にし、ブロックチェーン推進派の長年の主張を裏付けるものとなるでしょう。