ブロックチェーンネットワーク向けトップ10スケーリングソリューション

Dapp 開発者は、革新的なスケーリングソリューションの導入により、ブロックチェーン技術の限界に挑み続けています。これらの巧みなクリエイターは、今日のデジタル経済の圧力と混雑に対応できるよう、あらゆる手法を活用しています。何十億もの取引が発生する中で、ブロックチェーンをスケーラブルに保つことは容易ではありません。

多様なアプローチ

十分なスケーリングを確保する方法は、ソースコードの微調整から別のプロトコルを重ねるまで多岐にわたります。 それを踏まえて、ブロックチェーンネットワーク向けのトップ10スケーリングソリューションをご紹介します。

新しいコンセンサスメカニズム

リストの最上位にあるのは、新しいコンセンサスメカニズムの導入です。Bitcoin や Ethereum V1 のようなプルーフ・オブ・ワーク（PoW）ブロックチェーンは稀です。これらのシステムは高いセキュリティを保ちますが、今日の最先端ブロックチェーンのパフォーマンスには欠けることが多いです。これらのオプションは PoW とマイナーを排除し、ステーキングプロトコルで置き換えます。

ステーキング機能により、ユーザーはトークンをネットワークウォレットにロックしてネットワークを保護できます。このプロセスはシンプルで、高価なマイニングリグを購入したり、プログラミングなどの新しい技術スキルを学んだりすることなく、ネットワークユーザーに受動的な収入を提供します。PoS ネットワークは、取引処理能力が向上し、運用に必要なエネルギーがはるかに少ないため、かつてなく人気があります。

PoS ネットワークは進化を続けており、現在では DPoS（Delegated Proof of Stake）ネットワークがトレーダーにとって人気の選択肢となっています。これらのシステムは、ユーザーが自分のトークンをステークしている者に委任できるようにすることで、ステーキング要件を下げます。このアプローチは、取引を確定するために必要なノード数を減らすことでパフォーマンスを向上させます。なお、これらのシステムは、分散性が低下する代わりに、検証済みノードを活用することが一般的です。

レイヤー2プロトコル

レイヤー2ソリューションは、ネットワーク自体を変更せずにパフォーマンスを向上させる最良の方法のひとつです。レイヤー2ソリューションは、他のブロックチェーンの性能を高めるために設計された別個のネットワークであることを理解することが重要です。Bitcoin の Lightning Network や Ethereum の FUEL といったプロトコルは、これらの大手チェーンが引き続き有力な選択肢であることを支えています。

優れたレイヤー2ソリューションは、レイヤー1のセキュリティを活用しつつ、計算と取引を一時的にオフチェーンへ移行します。この構造によりメインネットの混雑が緩和されます。レイヤー2ソリューションの中で最も一般的なのはサイドチェーンとペイメントチャネルです。

サイドチェーンはレイヤー1ソリューションと並行して動作するよう設計されています。通常、スマートコントラクトの実行などのタスクを処理し、検証はレイヤー1ノードに任せます。Lightning Network のようなペイメントチャネル型レイヤー1ソリューションは、チャネルが閉じた後にデータをメインネットに投稿する形で、無制限かつ低コストの取引を直接提供します。

レイヤー2プロトコルの欠点は、その構造上、分散性が低下することが多い点です。例えば、Lightning Network は集中型のチャネルオペレーターを使用することで Bitcoin の分散性を低下させます。チャネルオペレーターは資金の流れを管理できるため、Bitcoin メインネットに比べてはるかに集中化された形になります。

ハードフォーク

開発コミュニティがパフォーマンス向上の方法で合意できない場合、ハードフォークに至ることがあります。ハードフォークとは、ネットワークのプログラムを全面的に変更し、ノードが従来のネットワークを放棄して新しいソフトウェアをダウンロードし、新ネットワークと通信し始めることを意味します。旧ブロックチェーンのマイニングを停止する必要があるため、ハードフォークはブロックチェーンコミュニティにとって議論の的となり、しばしば困難なプロセスとなります。

プラットフォームは、パフォーマンス、セキュリティ、機能性など様々な理由でハードフォークを選択することがあります。特に有名なハードフォークの一つが Bitcoin Cash の騒動です。Bitcoin コミュニティは 1MB ブロックサイズの変更を巡って対立し、議論が激化した結果、ブロックサイズ拡大を支持する側が Bitcoin Cash を、反対側が Bitcoin コアを維持する形でコミュニティが分裂しました。

この種のハードフォークは、プロジェクトがさまざまな戦略を導入して論争的な分裂を防ぐようになったため、以前ほど頻繁ではなくなっています。現在、これを防止する主な技術の一つは DAO（分散型自律組織）です。これらのプロトコルは、コミュニティが提案を行い、実装すべき変更について投票できるようにします。

ZK ロールアップ

ZK 技術は、ユーザーが自分の身元や所有物・アカウントに関する詳細を開示せずに、特定の資産や情報の所有権を検証できるようにします。Zero Knowledge というプロトコル名は、追加されたプライバシー制御を指しています。一方、roll up という用語は、このプロトコルが取引データを単一のブロックにまとめる方法を指します。

この手法はメインネットの混雑を大幅に軽減します。ZK ロールアップの主な利点は、セキュリティや分散性を犠牲にせずにスケーラビリティが向上することです。ZK ロールアップ搭載のスケーリングソリューションは、正当性と真正性を保証するために、メインチェーンへ最小限のデータのみを提供します。

特別なスマートコントラクトがデータのロールアップを担当します。従来の ZK ロールアップネットワークは、非常に圧縮されたデータをメインネットへ送信していました。このロールアップ方式は、計算をレイヤー2ネットワーク上に保持することで、セキュリティを損なうことなく高いパフォーマンスを実現します。また、このアプローチはレイヤー2ソリューションを用いたスループット向上の優れた手段として実証されています。

楽観的ロールアップ

現在使用されているロールアップ技術のもう一つの人気形態は楽観的ロールアップです。これらのシステムは前身と同様に機能しますが、データが正しいと仮定してロールアップします。その後、任意のノードがブロック内のデータに対して挑戦できる期間が設けられます。

楽観的ロールアップは、より高速なスケーラビリティと機能性により大きな利点を提供します。高度なスマートコントラクト計算も処理可能です。対照的に、従来のロールアップは基本的なスマートコントラクト機能に制限されます。現在、Optimism と Arbitrum がこの技術を活用したトップクラスのスケーリングソリューションとして広く利用されています。

シャーディング

シャーディングは、ビジネスデータベースのスケーラビリティ向上に広く用いられる手法で、最近ではブロックチェーン領域でも採用されています。シャーディングという用語は、Google が自社の Big Table 製品構造と機能を説明するために作り出したものです。この用語は、データベースを小さな単位に分割し、情報を複数の場所に保存することを指します。

この仕組みを説明する最適な例えは、鏡が破片に分割された様子です。各破片は別々のサーバーに保存され、計算とデータが線形に拡張できるため、スケーラビリティが向上します。このソリューションは、増大し続けるデータベースとそれに伴うキューイング時間の問題解決に貢献しています。

シャーディングされたネットワークはアプリケーションを並列に計算できるため、単一計算オプションに比べてはるかに高速です。現在、複数のブロックチェーンがこの技術を採用しています。シャーディングの主な欠点は、ネットワーク維持に追加のオフチェーンリソースが必要になることです。

Segregated Witness（SegWit）

Bitcoin のスケーリング手法として SegWit を使用する概念は 2015 年に市場に登場しました。このスケーリングソリューションは Blockstream によって導入され、Bitcoin Core の大きな支持を受けました。SegWit（Segregated Witness）は、各取引の署名データを検証データから一時的に分離し、取引の最後に再度結合する仕組みです。

この手法により、ブロックチェーンは計算リソースを集中させることができ、除去されたデータは再び必要になるまで分離されたまま保持されます。署名（証人）データの除去は、ブロック内で送信可能な取引データ量を増加させます。

SegWit のアップグレードは、Bitcoin のようなプルーフ・オブ・ワークネットワークを改善するために設計されました。このアップグレードにより Lightning Network の統合が可能となり、Bitcoin の混雑がさらに緩和されました。現在、SegWit は世界中の Bitcoin ユーザーにとってコアプロトコルとなっています。興味深いことに、アップグレードで確保された余剰領域により、BRC-20 トークンという形で Bitcoin に新たな機能がもたらされました。

モジュラー設計

ブロックチェーンの未来はモジュラー化になる可能性があります。モジュラー型ブロックチェーンが重要である理由を理解するには、モノリシックネットワークとモジュラー型ネットワークの違いを把握する必要があります。モノリシックブロックチェーンは、すべての主要タスクを単一のネットワークで処理しようとする従来型のネットワークです。

これらのタスクには、検証、計算、データ可用性、スマートコントラクト実行、コンセンサスが含まれます。この構造では、単一ノードが検証とスマートコントラクト実行など複数のタスクを担うことが一般的であり、各ノードが検証と実行を行う必要があるため、モノリシックネットワークのパフォーマンスが低下します。

モジュラー・スケーリング

モジュラー型ブロックチェーンは、これらの計算のうちの一つをメインネットから除外することでパフォーマンスを向上させます。多くのネットワークでは、スマートコントラクト実行やその他の高度なプロセスが大量の電力と時間を要します。Ethereum は、スマートコントラクト実行用に Ethereum Virtual Machine（EVM）という別レイヤーを持つことで、この構造に最初に挑戦したと言えます。

現在、市場に登場しているモジュラー型ブロックチェーンは、モノリシック型を上回っています。これらの作成が容易で高い有用性を持つネットワークは、オンボーディングプロセスとパフォーマンスの向上により人気が高まっています。モジュラー型ブロックチェーンが活用する主な利点の一つは、標準と利用可能なツールキットを使用できることです。

2020 年、SKALE ネットワークはブロックチェーン構造にモジュラー設計を導入しました。この新フォーマットにより相互運用性が向上し、Dapp 開発者のオンボーディングにおける障壁が低減されました。開発者は、複数のチェーンや Skale チェーン・ハブと呼ばれるサブネット上に自らの作品をデプロイできるようになりました。現在、Skale はユーザー数で見ても主要なモジュラー型ブロックチェーンです。

ブロックサイズ

レイヤー2ソリューションが利用可能になる以前は、何年も議論が続きました。その間、ブロックチェーンがパフォーマンスを向上させる方法について多くの議論が交わされました。最も一般的な選択肢の一つはブロックサイズを拡大することでした。ブロックサイズとは、ブロックチェーンの各ブロックが保持できるデータ量を指します。

例えば、Bitcoin のブロックサイズは 1MB で、約 1 秒間に 7 件の取引を処理できます。サイズを倍にすれば、アップグレードやレイヤー2ソリューションを導入せずに 14 tps を維持できるでしょう。興味深いことに、Bitcoin のブロックサイズに関する議論は過去にも問題となってきました。

ブロックサイズ拡大の概念は、これらの機能の継続的な成長を促しました。Bitcoin Cash は、Bitcoin からのハードフォークにより誕生したブロックサイズ拡大を求めるネットワークで、誕生から数か月後にさらに大きなブロックサイズへハードフォークされました。さらに、ブロックサイズが大きくなると、ネットワーク参加に必要なハードウェアを持つ人々の数が減少します。このため、多くの人がブロックサイズを常に拡大することに反対しています。

有向非循環グラフ（DAG）

ネットワークをスケールさせる別の方法は、DAG（有向非循環グラフ）技術を使用することです。DAG という用語は、最後の取引が最終的に確定したアクションと通信するのではなく、すべての取引が相互に通信できるデータベースを指します。このアプローチでは、検証のためのサイクルが存在しません。そのため、これらのネットワークはチェーンよりもツリーに近い構造と考えることができます。

ブロックチェーンがこの技術を活用する理由の一つは、チェーンに到達しないブロック（オーファンブロック）の数を減らすことです。これらのブロックは混雑によってパフォーマンスを低下させます。特に、ブロックサイズや生成時間を増やすと、意図せずオーファンブロックが増加します。

DAG は、オーファンブロックの生成を抑制しながらスケーラビリティを向上させる好環境を提供します。すべてのブロックがグラフの先端を参照できるため、マイナーは最後のブロックから遡る必要なくチェーン全体を参照できます。このアプローチは従来のプルーフ・オブ・ワーク構造とは対照的ですが、より高いパフォーマンスを実現します。

ハッシュグラフネットワーク

ハッシュグラフネットワークは技術的にはブロックチェーンではありませんが、同様の分散型ネットワーク保護を提供します。DAG 技術と同様に、すべてのネットワークノードは時間的順序に縛られずに自由に相互通信します。ハッシュグラフネットワークでは、ノードがランダムな他ノードとデータを共有し、すべての参加者が情報にアクセスできるようにします。

この分散型台帳の主な利点は、サードパーティプロトコルに依存せず、検証可能なタイムスタンプを用いて取引を順序付けできることです。さらに、これらのネットワークはユーザーに対してより高いプライバシー制御を提供します。現在、Hedera がブロックチェーン分野で運用されている主要なハッシュネットワークです。

ブロックチェーンは生き残るためにスケーラビリティが必要

現在のブロックチェーン開発者は、スケーラビリティの重要性を認識しています。彼らは技術の限界に挑戦し続け、パフォーマンスと機能を向上させるための取り組みを行っています。上記のスケーリングソリューションは最も一般的ですが、唯一の選択肢ではありません。ブロックチェーン技術が主流になるにつれ、さらに巧妙で創造的なソリューションが登場することが期待できます。