ブロックチェーントリレンマの課題

Jun 19, 2023

Supra Oracles

ブロックチェーンのトリレンマとは、分散型ネットワークは、分散性、セキュリティ、スケーラビリティという3つの重要な特性のうち、常に2つの特性においてのみしか解決できないという課題です。

コンピュータ科学者のEric BrewerがCAP定理を世界に紹介したのは、1990年代のことです。Brewerの理論によると、分散型データベースは、一貫性、可用性、耐パーティション性という3つの重要な特性のうち、2つしか持つことができないといいます。そのため、この定理は、分散型データベースの開発者に対し、3つの重要な特徴のうち1つを諦めて、他の2つの属性と性能を最適化することを要求しています。このことは、これまで分散型システムの開発者の決断を導き、多くのプロジェクトの成長と採用を時間の経過とともに制限してきました。

最近では、Vitalik ButerinがCAP定理をブロックチェーンに適用し、”blockchain trilemma “という言葉を作り出しました。これは、分散化、セキュリティ、スケーラビリティという相反する3つの要件を両立させる際に、ブロックチェーン構築者が直面する同様のジレンマを表現しています。例えば、ビットコインで機能するすべてのフルノードは、10分ごとにすべての取引（ブロック単位）をロックステップで一緒に確認します。

このため、ビットコインは非常に安全で分散化されていますが、各ブロックに収まるトランザクションの数という点で、ネットワークの帯域幅が制限されます。つまり、多くの人が同時にトランザクションを提出した場合、トランザクションの決済にかかる待ち時間が長くなり、拡張性が低く、世界規模で使用するには実用的でないことが予想されます。つまり、分散化とセキュリティを優先することで、ビットコインネットワークは拡張性に上限を設け、トリレンマで述べた3つの資質のうち2つを獲得しているのです。

ブロックチェーンのトリレンマは、普遍的な法則として紹介されることが多いのですが、これは完全に正確ではないかもしれません。ブロックチェーンが分散化、セキュリティ、スケーラビリティの三位一体を完璧に最適化することはできないとは限らないのです。ソフトウェア開発者、エンジニア、ハードウェアメーカーは、ブロックチェーンのトリレンマを解決するために、可能なことの限界を押し広げるためにたゆまぬ努力を続けています。

スケーラビリティ、セキュリティ、分散化の相互リンク

ブロックチェーン技術の大きな特徴のひとつに「分散化」があります。セキュリティの向上とスケーラビリティは、そのメリットの2つです。しかし、分散化には、ネットワークが分断され、コンセンサスを得ることが難しくなるという大きな欠点もあります。

すべてのネットワークノードが最大レベルのセキュリティを維持しながら取引を確認すれば、パブリックブロックチェーンの分散型コンセンサスは意図したとおりに機能します。トランザクションを中央で管理するデータベースに入力することで、安全でスケーラブルな代替手段を提供することができますが、そうすることで分散化が損なわれます。

スケーラビリティの拡大は、セキュリティ、分散化、あるいはその両方を損なう可能性があります。分散化とセキュリティは、多くの有名なブロックチェーンによって達成されています。しかし、ブロックチェーン・ネットワークは、スケーラブルでなければ、確立された中央集権型プラットフォームと競合することはできません。中央集権型プラットフォームは現在、ネットワークの使い勝手や決済時間を大幅に向上させているためです。ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを効率化のレベルとして認識することが不可欠となります。

スケーラビリティとセキュリティは相容れないものです。なぜなら、セキュリティは常にネットワークの機能と安定性を維持しようとし、データの安全性に関わるからです。一方、スケーラビリティは、有効性を低下させることなくシステムを成長させようとするものです。分散化とセキュリティは、すでに多くのブロックチェーンプラットフォームの中核的な構成要素として広く受け入れられています。したがって、スケーリングは、今日の巨大な分散型ネットワークにとって大きな障害であり続けています。

ブロックチェーントリレンマを克服するには？

各ブロックチェーンプロジェクトは、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化の間で独自のバランスを取る必要があります。スケーラビリティ、セキュリティ、分散化は、対立する概念ではないことを理解することが重要となります。安全でスケーラブルな分散型システムは可能です。しかし、トレードオフが常に要求されます。例えば、高度に分散化されたシステムでは、目的を達成するためにスケーラビリティをあきらめることもあるのです。

さらに、ブロックチェーンのトリレンマに完璧な答えがあるわけではないことも忘れてはなりません。しかし、適切な計画と実装により、分散型で安全かつスケーラブルなブロックチェーンシステムを構築することは可能です。

ここでは、ブロックチェーンのトリレンマに対する潜在的な解決策をいくつか紹介します：

レイヤー1ソリューション

コンセンサスプロトコルの改善：Proof-of-Work（PoW）コンセンサスプロトコルは、ビットコインを含む多くの有名な暗号通貨で使用されています。PoWは安全ですが、トランザクションの実行に長い時間がかかります。例えば、Bitcoinの最大取引レートは1秒間に7回です。取引速度が向上することから、Proof-of-Stake（PoS）コンセンサスメカニズムは多くのブロックチェーン・ネットワークで選択されています。最も顕著な例は、Ethereum 2.0です。PoSは、暗号パズルの完成をマイナーに任せるのではなく、バリデーターが担当し、ブロックにトランザクションを含めるため、より高速です。

PoWネットワークのエネルギー消費は、より多くのマイナーがネットワークに参加するにつれて上昇する。PoS方式は消費電力が少ないため、環境に配慮した方式といえます。PoSは、取引を検証し、チェーン上に新しいブロックを作成するために少数のバリデーターに依存するため、ブロックチェーンシステムをよりスケーラブルで安全なものにすることができます。しかし、同じバリデーターが長期にわたってネットワーク全体のコントロールを維持することができれば、中央集権につながる可能性があります。

シャーディング：シャーディングは、分散型データベースを起源とする概念である。ネットワークアーキテクチャは、データの可用性を維持しながら、ネットワークユーザーがデータ総量の一部をダウンロードできるようにするだけです。

取引は、シャーディングの際にシャードとして知られる明確な単位に分割されます。ブロックチェーンの履歴は、ネットワークの並列処理によって、すべてのネットワークノードに保存されるのではなく、複数のノードに分散して保存することができます。

シャーディングによって、ネットワークの遅延が個々のノードの速度に依存する心配がなくなりました。例えば、Zilliqaはシャーディングによるスケーラビリティを実現しています。しかし、シャーディングにはリスクもあります。例えば、あるシャーディングが破損して他のシャーディングを追い越すと、ブロックチェーンとそのユーザーにとって悲惨なことになり、結果として特定のブロックチェーンのブロックが失われる可能性があります。

レイヤー2ソリューション

サイドチェーン：大きな取引を実行し、ベース層の混雑を緩和するために、サイドチェーン（メインチェーンと並行して運用される独立したブロックチェーン）は、その合意形成メカニズムとセキュリティアルゴリズムを備えています。

サイドチェーンの利点は、ブロックチェーンにとらわれないことが多いため、実行したいどのブロックチェーンにも接続でき、多数のベース層をサポートできることです。これにより、バックボーンはネットワークパフォーマンス、トランザクション紛争、セキュリティといった他の問題に集中できるようになります。これらのサイドチェーンは、スマートコントラクトをサポートし、独自のトークンを発行し、メインチェーンとだけやり取りして元帳を更新することができます。例えば、EthereumのサイドチェーンはPolygonです。

とはいえ、サイドチェーンはメインブロックチェーンよりも中央集権を課し、メインネットよりも少ない数のマイナーに依存するため、ブロックチェーンの分散的な性質を損なう可能性があります。

ステートチャネル：ステートチャネルは、2つのチェーンが互いにさまざまな方法で通信することを可能にし、プライマリーブロックチェーンの機能を強化する。これに対し、メインチェーンは、チャネルが開かれたときと閉じられたときの2つのトランザクションを処理する。一部のトランザクションの処理を避けることで、それでもメインチェーンはトランザクションの最終性に関して同レベルのセキュリティを提供します。
メインチェーンで行われたすべての中間的な変更は、最後の状態が変更されたときにのみ現実のものとなり、検証のためにマイナーに転送される。そして、最終的なネットトランザクションがチェーンに公開された後、チャネルは終了される。例えば、Celerではステート・チャンネルが使用されています。

結論として、ステートチャンネルは、バリデーターを必要とせずにユーザーとの対話を可能にするスマートコントラクトを作成し、取引処理のための別のサイドチェーンが不要になります。

ネスト・ブロックチェーン：ネスト・ブロックチェーンとは、メインブロックチェーンを使用して、ネットワークの残りの部分のパラメータを設定するネットワークです。主チェーンは、親子関係で構築されたいくつかのレイヤーに接続されています。親チェーンは子チェーンにタスクを割り当て、子チェーンはそれを実行して親に情報を返します。

解決すべき問題が出てこない限り、親ブロックチェーンは何もしません。OMG Plasmaプロジェクトが、このコンセプトの一例です。

ロールアップ：ロールアップは、大量のトランザクションを1つのブロックにまとめ、メインチェーンには概要情報のみを公開します。すべてのトランザクションとストレージがメインチェーンの外で行われるため、スループットが大幅に向上し、ネットワークが1秒あたりはるかに多くのトランザクション（TPS）を処理できるようになる可能性があります。パフォーマンスを向上させる最善の方法の1つは、トランザクションを束ねて処理をオフチェーンに移すことで、すべてを高速化し、取引手数料と処理時間を削減することです。

ロールアップの主な欠点は、データをオンチェーンに残しておくことを要求することです。レイヤー1のデータシーケンスレートがスループットに影響するため、ロールアップは無制限に拡張することができません。レイヤー2チェーン上のトランザクションを効率的に調整するために、多くのRollupは依然として中央集権的なシーケンサーに依存しており、自分たちの利益のためにトランザクションをフィルターする可能性があります。

まとめ

結論として、ブロックチェーンのトリレンマは、ブロックチェーンシステムにおいてスケーラビリティ、セキュリティ、分散化のバランスを取ることがいかに難しいかを強調しています。トリレンマの3つの基準を一度に達成するのは容易ではありません。

ブロックチェーンのトリレンマは身近なものであり、多くの解決策が提案されてきた。レイヤー2ソリューションの登場、新しいコンセンサスメカニズムの構築、スケーリングソリューションの継続的な研究などはすべて、ブロックチェーン業界がトリレンマの解決とブロックチェーンシステムの機能強化に献身的に取り組んでいることを示しています。

ブロックチェーン技術の発展と成熟に伴い、トリレンマに対処し、よりスケーラブルで安全な分散型ブロックチェーンシステムを構築するためのさらなる進歩が予想されます。

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参照資料

Bhalla, A. (2022, 26 Dec.). Blockchain trilemma: Is it inevitable with blockchain? Blockchain Council.
Musharraf, M. (2022, 25 Oct.). What is the blockchain trilemma? Ledger Academy.
Pandey, K. (2022, 1 Sep.). What Is the blockchain trilemma? JumpStart.
Shukla, S. (2022, 11 Sep.). The ‘blockchain trilemma’ that’s holding back crypto. The Washington Post.

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