紹介

デジタル経済の急速な発展の中で、分散型信頼メカニズムの代表として、ブロックチェーン技術は、金融、サプライチェーン、ヘルスケアなどの分野に徐々に浸透しています。しかし、イーサリアムのようなチューリング完全ブロックチェーンなど、単一の線形アーキテクチャに基づくことが多い従来のブロックチェーンシステムは、増大する市場の需要を満たすことがますますできなくなっています。彼らは、スケーラビリティとトランザクション処理速度において深刻な課題に直面しています。これらの課題を解決するために登場したのがブロックチェーンの並列化技術で、複数のトランザクションの同時処理を可能とすることを目指している。

ブロックチェーンスマートコントラクトトランザクションの並列実行モデル（出所：jos.org）

パラレル化されたブロックチェーンは、ブロックチェーン内での並列処理の設計を導入し、複数のトランザクションやスマートコントラクトを直列ではなく同時に処理することを可能にします。このメカニズムにより、ブロックチェーンネットワークは同時により多くのトランザクションを処理し、スループットを大幅に増加させ、トランザクションのレイテンシーを削減することができます。これにより、大規模なアプリケーションの要求に対応するための中核的な解決策となります。

この記事では、ブロックチェーンの並列化の核心原則について掘り下げ、実践的な応用におけるその利点と課題を分析します。並列化技術の主要なプロジェクトの探索と実践を紹介し、ブロックチェーン技術の将来の発展に対する貴重な知見を提供することを目指しています。

技術実装戦略

並列実行は、複数のタスクを同時に実行する技術であり、データ処理やグラフィックスレンダリングなどの分野で広く適用されています。この概念をブロックチェーンシステムに導入することで、トランザクション処理時間を効果的に短縮し、増大する計算パワーの要求に対処します。

並列処理を実装するためのさまざまな方法があります。一部のブロックチェーンプロジェクトはスマートコントラクトの並列実行に焦点を当てていますが、他のプロジェクトはトランザクションの検証と状態更新の並列化を目指しています。ただし、各方法はネットワークの効率向上を図るために特定の技術的な課題に直面しており、実装の詳細は選択したアプローチに依存しています。

並列実行と従来の実行パス（出典: foresightnews.pro）

ステートアクセス / オプティミスティックモデル

並列実行能力を持つほとんどのブロックチェーンは、ステートアクセスメソッドとオプティミスティックモデルという2つの人気のある方法に依存しています。

ステートアクセスメソッドは、ブロックチェーンの特定の部分にアクセスできるトランザクションを積極的に特定する戦略的なアプローチです。これにより、ブロックチェーンは独立したトランザクションを指定することができます。一方、楽観的なモデルでは、すべてのトランザクションが独立していると仮定し、この仮定を後ろ向きに検証し、必要に応じて調整します。

ステートアクセスモデルでは、トランザクションの実行は通常、トランザクションが競合しないと仮定した楽観的な並行制御戦略を使用します。競合が実際に発生する場合にのみロールバックが発生します。この方法はトランザクションのスループットを向上させ、ユーザーエクスペリエンスを向上させますが、データの整合性とシステムのセキュリティを確保するために正確に設計された競合検出メカニズムが必要です。

シャーディング アーキテクチャ

シャーディングは、ブロックチェーンを並列化するための最も一般的なソリューションの1つです。その核となるアイデアは、ブロックチェーンネットワークを複数のシャードに分割し、それぞれのシャードがトランザクションとデータを独立して処理できるようにすることです。この設計により、ネットワークの処理能力と拡張性が大幅に向上し、従来のブロックチェーンのパフォーマンスのボトルネックが解消されます。現在、シャーディング技術を利用しているプロジェクトには、Ethereum 2.0、Zilliqa、NEAR Protocol、QuarkChainなどがあります。これらのプロジェクトは、シャーディングを通じてブロックチェーンのスケーラビリティの問題を効果的に解決し、ネットワークの効率を向上させています。

ブロックチェーンアプリケーションに適用される場合、シャーディング技術は通常、次の3つの方法で実装されます:

見てわかるように、シャーディング技術はトランザクションを効果的に分割することができます。各シャーディングメソッドはスケーラビリティの向上においてそれぞれの利点を持っていますが、すべての方法がクロスシャード通信という共通の課題に直面しています。データ整合性アルゴリズムの継続的な改良がシステム全体のパフォーマンスを保証するために必要です。

TONのダイナミックシャーディングを例に取る

シャーディングされたブロックチェーンアーキテクチャにおいて、TON（The Open Network）は、「ダイナミックシャーディング」デザインによって際立っています。「Infinite Sharding Paradigm」（ISP）を使用することで、TONはリアルタイムのネットワーク要求に柔軟に対応するためにシャードの数を調整し、効率的なシャード管理を実現しています。このアーキテクチャは、伝統的なブロックチェーンが直面するスケーラビリティの問題に対処しつつ、大規模な取引量を処理しながら高いパフォーマンスを維持するという、著しいパフォーマンスポテンシャルを示しています。

TONのシャーディング構造は、4つのレベルのチェーンで構成されています。

1. AccountChain: 特定のアカウントにリンクされたトランザクションチェーン。通常、仮想的な概念であり、AccountChainは各アカウントに独立したトランザクションレコードを提供し、特定のルールの下で連鎖した順序と状態の一貫性を確保します。
2. ShardChain: 複数のAccountChainsのコレクションであり、主にトランザクションとデータの処理に責任を持ちます。各ShardChainの独立性により、各シャードはトランザクションの状態を独立して維持することができます。
3. WorkChain：カスタマイズ可能なルールを備えた複数のShardChainで構成されています。たとえば、EVMに基づくWorkChainを作成して特定のスマートコントラクト環境をサポートすることができます。WorkChainの柔軟性により、ユーザーは特定のニーズに合わせてチェーン構造をカスタマイズすることができますが、その作成には厳格なガバナンスプロセスが必要です。
4. MasterChain：TONネットワークのコアチェーンで、すべてのShardChainsに対して最終性を提供します。ShardChainのブロックハッシュがMasterChainのブロックにマージされると、変更できなくなります。

TON独自のシャーディング構造は、複数のチェーン間での並列処理をサポートし、MasterChainを通じて効率的な調整を実現します(出典:オーケーエックス)

実際には、TONはネットワークの負荷変化に応じてシャードの数を動的に調整します。ShardChainsの数は現在の負荷に応じて自動的に増減し、ネットワークを効率的に運用します。負荷が増加すると、TONはシャードを洗練してより多くのトランザクションを処理します。負荷が減少すると、シャードはリソースを節約するために統合されます。無限シャーディングパラダイムを通じて、TONは理論的には2の60乗のワークチェーンに達し、ほぼ無制限の数のシャードをサポートできます。さらに、TONはトランザクションの頻度が増加している地域で自動的にシャードを作成することで、処理効率を向上させます。

ダイナミックシャーディングデザインは、クロスチェーン通信に大きく依存しています。このため、TONはハイパーキューブルーティングアルゴリズムを導入しました。このアルゴリズムは、高次元のトポロジーに基づいており、各WorkChainノードに一意の識別子を割り当て、大規模なシャーディング環境におけるルーティングニーズを満たす最短パスを介したチェーン間の情報転送を可能にします。さらに、TONは「インスタントハイパーキューブルーティング」を開発し、Merkle Trieルートノードを活用してルーティングの証明を提供し、複雑なクロスチェーンメッセージングを簡素化し、通信効率を向上させています。

PoSコンセンサスメカニズムとの組み合わせ

従来のProof of Work（PoW）メカニズムと比較して、Proof of Stake（PoS）メカニズムは、より多くのトークンを持つノードをコンセンサスに参加させ、採掘者間の競争とエネルギー消費を最小限に抑え、計算能力の集中を減らします。これにより効率が向上し、システムのセキュリティと分散化が確保されます。Ethereum 2.0のPoSとシャーディングの組み合わせは、この技術の典型的な例です。

具体的には、Ethereum 2.0はネットワークを複数のシャードに分割し、PoSコンセンサスメカニズムを使用して複数のバリデーターの間でタスクを割り当て、各バリデーターが1つのシャード内の取引を検証する責任を持ち、スループットを大幅に向上させます。 PoSはまた、バリデーターをランダムに選択することで、任意の単一のバリデーターが過度の制御を取得するリスクを減らし、ブロックチェーンネットワークの分散性を向上させます。セキュリティに関しては、各シャードの検証は異なるノードグループによって管理されているため、攻撃者は攻撃を実行するために複数のシャードを制御する必要があり、51%攻撃を実行するのがより難しくなります。この多層的な保護メカニズムにより、ネットワークセキュリティが向上します。

同様に、NEAR Protocol [2] も PoS とシャーディング技術を組み合わせています。NEAR は、その「Nightshade」プロトコルを通じて、並列化されたブロックチェーン設計に PoS コンセンサスを統合し、効率を向上させながら、各シャードが状態の一部のみを維持できるようにしています。これにより、グローバルなネットワークの一貫性が確保されるだけでなく、システムのセキュリティも強化されています。

計算に基づく並列処理

コンピューテーションベースの並列実行は、複雑な計算タスクを小さな単位に分割して並列実行することで、ブロックチェーン処理効率を最適化することを目指す比較的新しいコンセプトです。この革新的なモデルはまだ広く普及していませんが、その革命的な影響の潜在能力は注目に値します。

実際には、複雑な計算は並列実行のために異なるノードに分散され、各ノードが計算を完了した後に結果が集計されます。このアプローチは、計算効率を向上させ、トランザクションの待機時間を短縮し、計算負荷の高いアプリケーションに適しています。しかし、この手法の実装には、ノード間の通信効率の確保や計算結果の最終的な一貫性の確保など、いくつかの課題があります。

2つの著名なケーススタディ

ブロックチェーン技術の進化の中で、Ethereum 2.0とPolkadotは2つの先駆的な例として登場します。これらのプロジェクトは、ブロックチェーンの領域で重要な課題であるスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性に取り組んでいます。これら2つの画期的な事例の詳細な分析について深く掘り下げてみましょう。

Ethereum 2.0

Ethereum 2.0（Eth2）は、スケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させることを目指すEthereum 1.0ネットワークの大幅なアップグレードです。並行実行はこれらの目標を達成するための重要な要素です。

Proof of Work（PoW）メカニズムからProof of Stake（PoS）に移行することで、Ethereum 2.0は「シャード」と呼ばれる小さなブロックチェーンネットワークに分割され、各シャードが独立してトランザクションを処理および検証できるようになり、全体的なスループットを大幅に向上させます。さらに、各シャードが独自の状態を維持できるようにすることで、並列実行効率が向上し、メインチェーンへの負荷が軽減され、より効率的なトランザクション処理が可能になります。最後に、Ethereum 2.0には、複数のシャード間でデータの整合性と相互作用を確保する効率的なクロスシャード通信メカニズムが組み込まれており、複雑な分散型アプリケーションをサポートするために必要です[3]。

並列処理により、Ethereum 2.0はトランザクション処理速度を大幅に向上させ、DeFiやNFTなどの分野を含む成長するユーザー需要と多様なアプリケーションシナリオに効果的に対応することが期待されています。要約すると、並列実行を導入することで、Ethereum 2.0は技術的なブレークスルーを実現するだけでなく、将来の分散型アプリケーションの成長のためにより強固な基盤を築き、Ethereumネットワークの適応性を進化させます。

Ethereum 2.0データシャーディングのイラスト（出典: ）sohu.com)

ポルカドット

Polkadotは、ブロックチェーン間の相互運用性とスケーラビリティを可能にする革新的なマルチチェーンネットワークプロトコルです。異種多様なマルチチェーンアーキテクチャとして、Polkadotには中央集権化された「Relay Chain」と複数の独立した「Parachain」が含まれています。各Parachainは独自のガバナンスと経済モデルを持つことができ、異なるブロックチェーン間で効率的に通信しデータを共有することができます。

Polkadotの設計は、共有セキュリティメカニズムを活用し、すべてのパラチェーンがリレーチェーンが提供するセキュリティの恩恵を受けられるようにすることで、個々のパラチェーンのセキュリティ負担を軽減します。さらに、Polkadotは並列実行技術を採用しているため、複数のパラチェーンが同時にトランザクションを処理できるため、ネットワーク全体のスループットが大幅に向上します。この並列処理機能により、Polkadotは、特にDeFi、NFT、およびその他の複雑なアプリケーションシナリオで、増大するトランザクション需要を効果的に処理できます[4]。

PolkadotのCross-Chain Message Passing（XCMP）メカニズムは、異なるパラチェーン間でシームレスな相互作用を可能にし、開発者に革新の余地を与えます。XCMPを介して、開発者は相互に接続された分散型アプリケーションを作成し、エコシステムの成長をさらに促進することができます。

Polkadotインターフェイス構造（出典：Polkadotとは何ですか？-イミューンバイトの簡単な紹介)

機能比較

Ethereum 2.0 VS. Polkadot（テーブルソース：gate Learn）

代替解決策

ブロックチェーンのスケーラビリティの課題への対処は、依然として重要な研究分野です。並列実行テクノロジに加えて、スケーラビリティのためのいくつかの代替ソリューションを検討する価値があります。

レイヤ 2 ソリューション

レイヤー2(L2)ソリューションは、ブロックチェーンの容量を拡大するために特別に設計されています。その中核となるのは、独立した実行レイヤーであり、通常、トランザクションを処理するためのネットワークと、基盤となるブロックチェーン上にデプロイされたスマートコントラクトの2つの部分で構成されています。スマートコントラクトは紛争を処理し、コンセンサス結果をL2ネットワークからメインチェーンに中継して検証と確認を行います。

レイヤ 2 ソリューションには、明確な利点と技術的特徴があります。まず、メインチェーンでトランザクションを個別に確認する必要がないため、スケーラビリティが大幅に向上します。L2は、より高いトランザクション量を処理でき、レイヤー1ネットワーク(イーサリアムやビットコインなど)の輻輳を緩和し、オフチェーン処理を通じてトランザクション手数料を大幅に削減します。ほとんどの操作はオフチェーンで行われますが、L2は依然としてメインチェーンのセキュリティに依存しており、最終的なトランザクション結果が信頼でき、不変であることを保証します。

一般的な L2 ソリューションには、ステート チャネル、ロールアップ、プラズマなどがあります。ステートチャンネルでは、複数の参加者がオフチェーンで頻繁にやり取りし、最後にのみ最終状態をブロックチェーンに送信できます。ビットコインのライトニングネットワークは典型的な例です。現在最も広く採用されているL2ソリューションであるロールアップは、オプティミスティックロールアップとzkロールアップに分かれています:オプティミスティックロールアップは、異議がない限りトランザクションが有効であることを前提としていますが、zkロールアップは、ゼロ知識証明を使用して、データが送信されたときにトランザクションの正確性を確保します。Plasmaは、それぞれが多数のトランザクションを処理できる多層サブチェーンの作成を可能にするフレームワークです。

レイヤー2ソリューションの概要（出典：blackmountainig.com)

コンセンサスメカニズムの改善

コンセンサスメカニズムの改善は、ブロックチェーンのスケーラビリティを高めるための効果的なアプローチでもあります。これには、より効率的なコンセンサスアルゴリズム(プルーフオブステーク(PoS)やビザンチンフォールトトレランス(BFT)など)を導入して、トランザクション処理速度を向上させることが含まれます。従来のプルーフ・オブ・ワーク(PoW)と比較して、これらの新しいコンセンサスメカニズムは、トランザクションの確認が迅速で、エネルギー消費を大幅に削減し、持続可能な開発の要件によりよく適合します。

さらに、これらのメカニズムは、バリデータノードが保有するトークンなどの要因に基づいてブロックジェネレータを決定することで、コンセンサスプロセスを加速します。しかし、コンセンサスメカニズムの改善には多くの利点があるにもかかわらず、既存のメカニズムから新しいメカニズムへの移行には、技術的な課題やリスク、特に移行期間中の互換性の問題やシステムの不安定性が伴うことがよくあります。また、一部のコンセンサスメカニズムは権力の集中化につながり、「金持ちがさらに金持ちになる」現象を引き起こし、ブロックチェーンの分散化の核となる原則を脅かす可能性があります。それにもかかわらず、トランザクション処理の効率とエネルギー消費に対する高い要件を持つブロックチェーンネットワークにとって、コンセンサスメカニズムの改善は、検討する価値のあるスケーラビリティソリューションであることに変わりはありません。

PoW vs. PoS コンセンサスメカニズム（ソース：blog.csdn.net）

ブロック パラメーターの最適化

ブロックサイズやブロック時間などの主要なパラメーターを調整して、ブロックチェーンの処理能力と応答性を向上させることが、ブロックパラメーターの最適化です。このアプローチは、迅速なパフォーマンス向上を提供し、比較的実装が簡単で実装コストも低く抑えられているため、トラフィックの急増や取引の短期的な急増など、迅速な対応が必要なシナリオに適しています。

ただし、パラメータの調整だけに頼ることは、しばしば限られた影響しか与えないことがあり、ネットワークのパフォーマンスと安定性のバランスを取ることが重要です。過剰または極端なパラメータの変更は、ネットワークの混雑やコンセンサスメカニズムの衝突を引き起こす可能性があります。したがって、ブロックパラメータの最適化は、市場の変化に迅速に対応するなど、短期的なパフォーマンス要求があるシナリオに通常適しています。

各スケーラビリティソリューションは異なるユースケースに最も適しています。適切なスケーラビリティソリューションを選択する際、意思決定者は選択したソリューションがお互いを補完し、業界により柔軟で効率的なスケーラビリティパスを提供できることを確認すべきです。

ソリューション比較

異なるスケーリングソリューションの比較（表の出典：gate Learn）

利点の要約

スループットの増加

従来の直列処理モデルと比較して、並列チェーンネットワークは、トランザクション処理速度（TPS）を直列処理の100倍以上にまで高速化することができます。たとえば、SolanaのSeaLevelアーキテクチャ[6]は、最適な条件下で50,000 TPS以上を処理することができます。実際の速度はネットワークの需要によって異なる場合がありますが、このパフォーマンスは従来のブロックチェーンをはるかに上回っています。

ネットワークトラフィックの急速な増加に伴い、効果的な水平スケーラビリティが不可欠になってきました。並列化されたブロックチェーンは、マルチスレッドの並列処理を導入することで、ブロックチェーンネットワークが増加するユーザーデマンドに対応する能力を持ちます。これは、ゲーミングやサプライチェーンなどの高頻度のトランザクションアプリケーションに特に有益であり、並列設計によって分散型のタスク処理が可能になり、システムの安定性と応答速度を維持し、大規模なアプリケーションのスループット要求に応えることができます。

Solanaの並列処理パス（ソース：ブログ。slerf.ツール）

レイテンシーの低減

独立したトランザクションの並列処理により、トランザクションの提出から実行までの遅延が大幅に減少し、リアルタイムデータ処理において非常に価値があります。分散型金融（DeFi）などの迅速な応答が必要なシナリオでは、リアルタイムトランザクションの確認はユーザーエクスペリエンスを向上させるだけでなく、遅延に関連するトランザクションリスクやシステム負荷圧を軽減します。

例えば、Suiの並列実行モデルは、複雑なコンセンサスを必要としない単純なトランザクションがコンセンサスメカニズムを迂回し、確認時間を劇的に短縮する革新的なメカニズムを導入しています。従来の直列処理と比較して、この並列設計はリアルタイムのトランザクション実行をサポートし、システムの安定性とスムーズなユーザーエクスペリエンスの維持に鍵となります。

クロスチェーン通信プロトコルと新しい並列実行技術が進化し続けるにつれて、ブロックチェーンネットワークはより効率的な動作モードを実現します。低遅延と高スループットも、市場競争力の重要な指標になります。

最適化されたリソース利用

従来のブロックチェーンでは、トランザクションが順次処理されるため、ほとんどの場合、1つのノードのみが操作を実行し、他のノードは待機状態にあり、リソースのアイドル状態につながります。並列技術により、複数の検証者やプロセッサコアが同時に作業し、単一のノードの処理ボトルネックを打破し、ネットワークリソースの効率を最大限に活用できます。

このリソース利用の最適化は、トランザクション処理中の「アイドル期間」を排除するだけでなく、特に高負荷条件下で全体的なネットワークパフォーマンスを大幅に向上させ、遅延時間を短縮しながらより多くのトランザクションリクエストを処理できるようにします。

取引コストを下げる

従来の逐次処理とは異なり、並列実行は、洗練された市場管理と最適化されたリソース配分により、より柔軟で効率的な市場間取引の実行を可能にし、スマートコントラクト実行の計算負荷を大幅に軽減し、ガス料金を削減します。この設計により、ネットワーク リソースの使用が最大化され、単一タスク キューイングによって引き起こされる計算リソースの浪費が回避されます。

合理的な負荷分散により、リソースが効率的に割り当てられるため、バリデーターと処理ノードは冗長なデータを処理する必要がなく、開発者とユーザーにとってより経済的なブロックチェーントランザクション環境になります。

Sei Networkのソーシャルメディアでの並列実行に関する説明（出典：x）

リスク分析

セキュリティリスク

シャーディングは、ブロックチェーンを複数の独立したシャードに分割し、攻撃者が特定のシャードに労力を集中させて制御できるようにします。攻撃者がシャードのキャプチャに成功すると、シャード内のトランザクションやデータを操作でき、ネットワーク全体のセキュリティに深刻な脅威をもたらします。このローカル制御は、不適切な操作、データの改ざんにつながり、他のシャードへの攻撃をエスカレートさせ、ブロックチェーン全体の整合性と信頼性を損なう可能性があります。

また、クロスシャード通信のセキュリティは重要です。クロスシャード通信が安全でない場合、データの損失、改ざん、または送信エラーが発生し、システム内での信頼性の問題を引き起こす可能性があります。

テクニカルコンプレックス

クロスシャードトランザクションでは、トランザクションのアトミック性を確保するために、異なるシャード間で状態データを調整する必要があります。遅延やネットワークの問題によるトランザクションの失敗を防ぐために、開発者はメッセージングと状態同期メカニズムを最適化する必要もあります。

この課題は、システム設計の複雑さを増し、潜在的なエラーや不整合を処理するために契約ロジック内で新しい戦略が必要とされることを意味します。クロスシャードスマートコントラクトの成功裏な実行は、基盤となるブロックチェーンの技術能力だけでなく、シャーディング環境においてスムーズで効率的な実行を確保するために契約設計により複雑な戦略を実装することにも依存しています。

相互運用性の欠如

現在の並列ブロックチェーン技術には標準化が欠けており、異なるプラットフォームがさまざまな技術とプロトコルを採用しています。この多様性は、コンセンサスメカニズム、データ構造、プロトコル層における重要な違いをもたらしています。この多様性はイノベーションを推進してきましたが、異なるブロックチェーン間の相互運用性を著しく低下させ、クロスチェーン操作をより複雑で困難なものにしています。

相互運用性の欠如は、異なるブロックチェーン間の資産の自由な流れを制限するだけでなく、クロスチェーン操作における潜在的な資産の損失などのセキュリティリスクも引き起こす可能性があります。したがって、並行実行の相互運用性リスクに対処するには、技術革新と標準化、業界内での広範な協力が必要とされ、より堅牢なエコシステムの確立が求められます。

将来の推奨事項

パラレル化されたブロックチェーンの将来の研究は、シャード間の通信の最適化に焦点を当てるべきです。

業界は、データの一貫性と正確なトランザクション処理を保証するために、標準化されたプロトコルと相互運用性フレームワークを積極的に探求すべきであり、これによりブロックチェーンエコシステム内のシームレスなシステム統合とリソース共有が促進され、シナジーが高まります。さらに、セキュリティはシャーディング最適化の重要な側面であり、将来の研究では、ゼロ知識証明や同型暗号化などの新興技術を取り入れて、悪意のある攻撃に対するより強力なセキュリティモデルを開発し、オンチェーン上のプライバシーと相互運用性を向上させるべきです。

アプリケーションの拡張に関しては、すでに成功した事例があります。たとえば、Uniswapは並列処理を通じて応答能力を大幅に向上させ、トランザクションコストを削減し、国境を越えた支払いプロセスを最適化しました。さまざまな産業は多様な並列チェーンアプリケーションを探索することで、さまざまなドメインでその価値を解放することができます。これによって、効率的で透明性の高い持続可能なテック開発環境の堅固な基盤が築かれ、デジタル変革が加速され、より効率的なデジタル経済の未来を支援することができます。

参考文献

1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/