シャーディング技術探索:Shardeumの新たな突破

2022年9月15日、イーサリアムは注目を集めた合併(Merge)を完了しました。これは、イーサリアムがプルーフ・オブ・ワーク(PoW)からプルーフ・オブ・ステーク(PoS)コンセンサス機構に移行したことを示しています。しかし、合併は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わけではありません。これらの目標を実現できるのは、シャーディング機能を持つメインネットと、拡張性を強化したLayer2ソリューションの一整ったセットです。

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ソリューションの一つです。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割し、異なるトランザクションセットを処理し、並行処理を実現します。このアプローチは、スーパーマーケットが複数のチェックアウトレーンを設置することに似ており、直感的に待機時間を短縮し、効率を向上させることができます。

しかし、シャーディング技術の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、シャーディング技術の発展の流れを整理し、既存のシャーディングソリューションを比較し、新たな実行可能な方向性としてShardeumと動的シャーディングについて考察します。

! Shardeum:シャーディングの別の可能性

一、"シャーディング"について

イーサリアムを座標系の原点とした場合、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られます:

縦の拡張(Vertical Scaling): システムの既存ハードウェア性能を向上させることで実現されます。この方法はシンプルで効果的ですが、ネットワークの非中央集権レベルを制限します。

横方向のスケーリング(Horizontal Scaling): 主に3つのアプローチがあります:

1. トランザクション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. モジュラー型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

各種スケーラビリティソリューションは、不可能な三角形の中でバランスを求め、システムの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、マクロとミクロのバランスを達成します。

シャーディング技術が直面する重要な問題には次のようなものがあります:

1. ネットワークシャーディング:全ネットワークのノード/バリデーターがどのシャードに属しているかをどのように決定しますか?
2. 取引シャーディング: どのようにして各取引がどのシャードに割り当てられるかを決定するのか?
3. 状態シャーディング:ブロックチェーンデータは異なるシャードにどのように保存されるか?
4. どのようにしてシステム全体のセキュリティのシャーディング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、ノードが分割されるにつれて、攻撃者の難易度とコストが直線的に低下することです。

ソリューションは通常、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、イーサリアムはすべてのバリデーターからシャーディングのバリデーターをランダムに選出し、6.4分ごとに変更します。

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、"どの取引をどのシャードに割り当てるか"のルールを定めることを指します。異なる台帳モデルは、取引シャーディングの実現に影響を与えます:

UTXOモデル:シャーディング間の通信が必要です。一つの可能な方法は、取引の入力値に基づいてハッシュを生成し、シャーディングを決定することです。

アカウント/バランスモデル: 取引を送信者アドレスで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で処理され、二重支払いを効果的に防ぐことができます。

州のシャーディング(State Sharding)

状態シャーディングは、ブロックチェーンデータが異なるシャードにどのように配分されて保存されるかを指します。主な課題は、クロスシャードトランザクションの処理です。

二つの考え方があります:

1. 同期跨シャーディング(Synchronous):トランザクションがシャーディングを跨いで実行されるたびに、関連するブロックが同時に発生します。複雑な実装ですが、ユーザー体験が良好です。
2. 非同期クロスシャーディング(: より広範な採用が進んでいるが、取引のアトミック性の課題に直面している。

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二、シャーディングの探索と試み

) 計算シャーディング

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1つです。計算シャーディングを採用しており、ネットワークとストレージのシャーディングは行っていません。この方法はシンプルで効果的ですが、ネットワーク帯域幅とストレージは依然としてボトルネックです。

静的状態シャーディング

より一般的なシャーディングの方法は、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、Harmonyなどがこの方法を採用しています。

イーサリアムのデータシャーディング構想

イーサリアムの未来のシャーディングに関する構想には:

1. "データの可用性"に基づくシャーディング
2. 各シャーディングに追加機能を追加し、今日のイーサリアムメインネットに近づける。

ハーモニー

Harmonyは標準的なシャーディング方法を採用しており、複数の小型ブロックチェーン（シャード）とそれらを調整するビーコーチェーンを持っています。

ネットワークシャーディング: バリデーターネットワークを異なるシャードに分割します。 取引シャーディング: 取引は単一のシャーディングによって処理されます。 状態シャーディング:各シャードのバリデーターは1/Nのグローバルステートを保存します。

Harmonyはクロスシャーディングメッセージングをサポートしていますが、具体的な実装の詳細はまだ改善の余地があります。

エルロン

Elrondは自適応型シャーディングと安全なプルーフ・オブ・ステークコンセンサス機構を採用しています。

それはメタチェーン###を使用して設計されており、数秒以内にクロスシャーディング取引を迅速に特定できます。クロスシャーディング取引戦略は非同期モデルを使用し、まず送信者のシャーディングで処理され、次に受信者のシャーディングで処理されます。

(# 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。

Nearのクロスシャーディングトランザクションは、関連する各シャードで連続して実行する必要があります。完全なトランザクションは最初の影響を受けるシャードに送信され、その後、レシートトランザクションが次のシャードにルーティングされ、これを繰り返します。

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3. Shardeumと動的ステートシャーディング

Shardeumは2つの新しい解決策を提案しました:

( 3.1 取引レベルのコンセンサス

Shardeumネットワーク上のコンセンサスは、ブロックレベルではなく各トランザクションレベルで完了し、シャーディングを介して同時にトランザクションを処理することを可能にします。このトランザクションレベルのコンセンサスは、原子処理を保証するために必要な複雑さを排除し、秒単位のファイナリティと低遅延を実現します。

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( 3.2 線形スケーリング

Shardeumは動的状態シャーディングを使用しており、各ノードが異なるアドレス範囲を保持し、カバーされるアドレス間に重複があります。この方法は複雑度が高いですが、真の線形拡張を可能にします。

アドレス空間とノードの対応関係の動的変化、及び新しいデータ可用性証明を通じて、Shardeumは近似的な「線形拡張」を実現できます。

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Shardeumは現在10のシャーディングを持ち、それぞれ128のノードを持ち、合計で1280のノードです。2022年第4四半期には、メインネットが予定されています。まだ開発中ですが、基盤となるShardus技術は線形スケーラビリティを実現できることが証明されています。

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2022年8月、ShardeumはテストネットLiberty 2.0で100TPSの能力を示しました。現在、50のノードを使用してテストを行っており、各ノードは総データの約1/5を保存し、総取引の1/5を実行しています。

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IV. まとめ

真にスケーラブルなシャーディングブロックチェーンはゼロから構築する必要があります。同様に、堅実なコミュニティを築くことも長期的な努力が必要です。Shardeumテストネットが立ち上がった後、活発なテスト参加者数と取引数は励みになりますが、一部の疑問の声にも直面しています。

私たちは、Web3が大規模に採用されるときにのみ、高性能の分散型パブリックチェーンが際立つと信じています。疑問、公開討論、そして繰り返しの検証を経たコミュニティのみが、分散型の道をより遠くまで進むことができるのです。

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