ネットワークの拡張 ≠ スループットの増加、ブロックチェーンのスケーラビリティはどのように定義されるべきですか?

特邀专栏作者

2021-12-13 06:35

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TPS はブロックチェーンネットワークを比較するための有効な指標ではないため、相対的なパフォーマンスを評価することが困難になります。

ブロックチェーンのスケーラビリティは、盛んに議論されているトピックです。ほぼすべてのブロックチェーンネットワークは、1 秒あたりのトランザクション (TPS) が高いことがセールスポイントです。ただし、TPS はブロックチェーンネットワークを比較するための有効な指標ではないため、相対的なパフォーマンスを評価することが困難になります。また、大きな TPS 数にはコストがかかることが多く、これらのネットワークは実際に拡張しているのか、それともスループットが増加しているだけなのかという疑問が生じます。

副題

すべてのトランザクションが同じガスを消費するわけではありません

まず、シンプルで便利な TPS メトリックはスケーラビリティの正確な尺度ではないという主張を確認する必要があります。

トランザクションの実行に対してノードを補償するため (そして、ユーザーが不必要な計算でネットワークを乱雑にするのを防ぐため)、ブロックチェーンは計算負荷に比例した料金を請求します。イーサリアムでは、計算負荷の複雑さはガスで測定されます。ガスはトランザクションの複雑さの非常に便利な尺度であるため、この記事ではこの用語をイーサリアム以外のブロックチェーンにも使用します。

トランザクションの複雑さは大きく異なるため、消費されるガスも大きく異なります。トラストレスなピアツーピアトランザクションの先駆者であるビットコインは、基本的なビットコインスクリプトのみをサポートしています。このような住所から住所への単純な転送では、ガスはほとんど使用されません。対照的に、イーサリアムやソラナなどのスマートコントラクトチェーンは、より複雑なトランザクションを可能にする仮想マシンとチューリング完全プログラミング言語をサポートしています。したがって、UniswapのようなdAppはより多くのガスを必要とします。

そのため、異なるブロックチェーンの TPS を比較することは無意味です。比較する必要があるのは、コンピューティング能力またはスループットです。

副題

スケーラビリティを制限するものは何ですか?

ブロックチェーンは、可能な限り最も分散化されたオープンで包括的なネットワークを目指しています。この目標を達成するには、2 つの基本的な特性を維持する必要があります。

● ハードウェア要件

ブロックチェーンネットワークの分散化は、ネットワーク内の最も弱いノードがブロックチェーンを検証し、その状態を維持する能力によって決まります。したがって、できるだけ多くの個人がトラストレスネットワークに許可なしで参加できるように、ノードを実行するコスト (ハードウェア、帯域幅、およびストレージ) をできる限り低く抑える必要があります。

● 状態の成長

副題

スループット増加による悪影響

●ノード

ノードを実行するための最小要件とノードの数。

ビットコイン¹: 350 GB のハードドライブ容量、5 Mbit/秒の接続、1 GB RAM、CPU > 1 Ghz。ノード数: ~10,000

イーサリアム²。 500 GB 以上の SSD ディスク容量、25 Mbit/s 接続、4 ～ 8 GB メモリ、CPU 2 ～ 4 コア。ノード数: ~6,000

ソラナ3。 1.5 TB 以上の SSD ディスク容量、300 Mbit/s 接続、128 GB のメモリ、12 コア以上の CPU。ノード数: ~1,200

ブロックチェーンのスループットに対するノードの CPU、帯域幅、ストレージ要件が大きくなるほど、ネットワーク上のノードの数が減り、分散化が弱まり、ネットワークの包括性が低下することに注意してください。

● 完全なノード時刻を同期する

ノードを初めて実行するときは、既存のすべてのノードと同期し、ジェネシスブロックからチェーンの先端に至るまでネットワークの状態をダウンロードして検証する必要があります。このプロセスは、誰もがプロトコルへの許可のない参加者になれるように、できるだけ高速かつ効率的である必要があります。

画像の説明

表 1. ブロックチェーンのスループットとノード同期の比較

表 1 は、スループットが増加すると、より多くのデータを処理して保存する必要があるため、同期時間が長くなることがわかります。

副題

スケーラビリティはどのように定義すべきでしょうか?

スケーラビリティは、ブロックチェーン分野で最も誤用されている用語です。スループットの向上は望ましいことですが、それはパズルの 1 ピースにすぎません。

スケーラビリティとは、同じハードウェア上でより多くのトランザクションを実行できることを意味します。

このため、スケーラビリティは次の 2 つのカテゴリに分類できます。

●シーケンサーの拡張性

シーケンサは、ネットワーク内のトランザクションの順序付けと処理動作を記述します。前述したように、どのブロックチェーンでも、ブロックサイズを増やしてブロック時間を短縮することでスループットを向上させることができますが、このアプローチがネットワークの分散化の程度に大きな悪影響を与えることはありません。ただし、これらの単純なパラメーターを調整するだけでは、望ましい改善は得られませんでした。イーサリアムの EVM は理論的には最大約 2,000 TPS を処理できますが、これは長期的なブロックスペース要件を満たすには十分ではありません。並べ替えをスケールするために、Solana はいくつかの印象的な革新を行いました。並列実行環境と賢いコンセンサスメカニズムを使用して、スループットの効率が大幅に向上しました。しかし、これらの改善はスループットの需要を満たすには十分ではなく、ソーターの拡張性も備えていません。 Solana のスループットが向上すると、ノードを実行してトランザクションを処理するためのハードウェアコストも増加します。

● スケーラビリティを検証する

副題

有効性ロールアップとは何ですか?

有効性ロールアップ (別名:"ZK-Rollups"副題

同じハードウェア要件の下で、有効性ロールアップはどのように拡張されますか?

たとえ証明者がハイエンドのハードウェアを必要とするとしても、トランザクションの正当性は数学的に検証可能な証明によって保証されるため、ブロックチェーンの分散化には影響しません。

重要なのは証拠を確認する要件です。関連するデータは高度に圧縮され、計算によって高度に抽象化されるため、基盤となるブロックチェーンノードへの影響は最小限に抑えられます。

バリデーター (イーサリアムノード) にはハイエンドのハードウェアは必要なく、バッチサイズによってハードウェア要件が増加することもありません。ノードによって処理および保存される必要があるのは、状態遷移と少量の呼び出しデータのみです。これにより、すべての Ethereum ノードが既存のハードウェアを検証に使用できるようになります。

取引が多ければ多いほど、価格は安くなります。

従来のブロックチェーンでは、トランザクションが増えるほど、ブロックスペースがいっぱいになるため、誰にとってもコストが高くなります。ユーザーは、自分のトランザクションをブロックに含めるために、手数料市場で互いに競い合う必要があります。

この状況は、有効性ロールアップでは逆転します。イーサリアム上のトランザクションのバッチを検証するにはコストがかかります。バッチ内のトランザクションの数が増加するにつれて、バッチを検証するコストは対数的に増加します。ただし、バッチにトランザクションを追加すると、バッチの検証コストが増加したとしても、トランザクション手数料が安くなります。これらのコストはバッチ内のすべてのトランザクションにわたって償却されるため、有効性ロールアップではバッチ内にできるだけ多くのトランザクションを含めることが必要です。バッチサイズが無限に大きくなると、トランザクションごとの償却手数料はゼロに収束します。つまり、有効性ロールアップに含まれるトランザクションが増えるほど、ユーザーごとのトランザクション手数料が安くなります。

Validity Rollup を利用した dApp である dYdX では、12,000 を超えるトランザクションのバッチが定期的に確認されます。メインネットワークと Validity Rollup での同じトランザクションのガス消費量を比較すると、スケーラビリティが向上していることがわかります。

イーサリアムメインネットでの dYdX トランザクションの決済: 200,000 ガス

StarkEx で dYdX 取引を決済するには:<500 gas

副題

オプティミスティックロールアップ (OP) が人々が思っているほど拡張できないのはなぜですか?

理論的には、OP には Validity Rollups とほぼ同じスケーラビリティの利点があります。しかし、重要な違いがあります。 OP は平均的なケースに対して最適化しますが、Validity Rollups は最悪のケースに対して最適化します。ブロックチェーンシステムは非常に敵対的な条件下で動作するため、最悪のシナリオに備えて最適化することがセキュリティを実現する唯一の方法です。

OP の最悪のケースは、ユーザーのトランザクションが不正チェッカーによってチェックされないことです。したがって、不正行為に対抗するには、ユーザーは疑わしいトランザクション自体を計算しながら、イーサリアムフルノードと L2 フルノードを同期する必要があります。

Validity Rollups では、最悪の場合でも、ユーザーは有効性証明を検証するために Ethereum フルノードを同期するだけで済むため、ユーザー自身の計算負担が軽減されます。

Validity Rollup と比較すると、OP のコストはユーザー数ではなくトランザクション数に比例して増加するため、OP のコストが高くなります。

ロールアップ状態への許可なしのアクセス

結論は

ブロックチェーンのスケーラビリティに対する多くのアプローチは、誤ってスループットの向上に重点を置いています。ただし、これはノードに対するスループットへの影響、つまりブロックを処理してネットワーク履歴を保存するためのハードウェア要件が増え続けること、およびこれがネットワークの分散化をどのように阻害するかを無視しています。

zCloak Network は、Polkadot エコシステムに基づくプライベートコンピューティングサービスプラットフォームで、zk-STARK 仮想マシンを使用して一般的なコンピューティングのゼロ知識証明を生成および検証します。独自の自律データと自己認証コンピューティング技術に基づいて、ユーザーはデータを外部に送信することなくデータを分析および計算できます。 Polkadot クロスチェーンメッセージングメカニズムを通じて、Polkadot エコシステム内の他のパラレルチェーンや他のパブリックチェーンにデータプライバシー保護のサポートを提供できます。このプロジェクトでは、「ゼロ知識証明サービスとしてのゼロ知識証明」ビジネスモデルを採用し、ワンストップのマルチチェーンプライバシーコンピューティングインフラストラクチャを構築します。

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