原題:A beginners guide to understanding the layers of blockchain technology
原作者：cointelegraph
原作者： H.Forest Ventures
推奨される理由:
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ブロックチェーンには、このユニークなトランザクション認証方法を容易にするために、さまざまな階層化されたアーキテクチャがあります。したがって、ブロックチェーンの研究者や愛好家にとって、ブロックチェーンの階層化を理解することは、業界の高度な研究の基礎となります。
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ブロックチェーンのさまざまなレイヤーを理解する
何らかの方法で暗号通貨やブロックチェーンを研究したことがある場合は、レイヤー 1 プロトコルやレイヤー 2 プロトコルなどの用語に遭遇したことがあるでしょう。これらのレイヤーとは何なのか、またなぜ存在するのかについて興味がありますか?この記事では、ブロックチェーン層のアーキテクチャについて説明します。
分散台帳技術 (DLT) は、中央当局の監視を受けることなく、所定のネットワーク プロトコルを通じて合意されたユーザー グループ間で暗号的に検証された情報を保存します。これらのテクノロジーを統合すると、そうする動機がなかった人々や関係者の間で信頼を育むことができます。これにより、ブロックチェーン ネットワークがユーザー間で価値とデータを安全に交換できるようになります。
中央機関が存在しないため、ブロックチェーンは非常に安全である必要があります。また、増え続けるユーザー、トランザクション、その他のデータを処理できるように、非常にスケーラブルである必要があります。レイヤーは、最高のセキュリティを維持しながら拡張性を求める必要性から生まれました。
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ブロックチェーンのスケーラビリティとは何ですか?
ブロックチェーン技術における「スケーリング」という用語は、1 秒あたりのトランザクションで測定されるシステム スループットの増加を指します。暗号通貨が日常生活に広く普及するにつれ、ネットワークのセキュリティ、記録保持、その他の機能を向上させるためにブロックチェーン層が必要になりました。
ブロックチェーンは、分散型エコシステムの最初の層です。 2 番目の層は、ノード数を増やしてシステムのスループットを向上させるために、最初の層と組み合わせて使用されるサードパーティの統合です。現在、多くの第 2 層ブロックチェーン テクノロジーが実装されています。これらのソリューションでは、トランザクションを自動化するためにスマート コントラクトが使用されます。
ビットコインがビジネスの世界でより重要な勢力になるにつれて、ブロックチェーン開発者はブロックチェーンガバナンスの範囲を拡大しようとしています。彼らは、ブロックチェーン層を開発し、第 2 層のスケーラビリティを最適化することで、処理時間を短縮し、TPS を改善したいと考えています。
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ブロックチェーンのトリレンマ (トリレンマ)
ブロックチェーンのトリレンマとは、分散化ネットワークは、分散化、セキュリティ、およびスケーラビリティの観点から、常に 3 つの利点のうち 2 つしか提供できないという一般的に考えられている見解を指します。
コンピューター科学者は、これらの困難のうちおそらく最も重要なものを表現するために、1980 年代に整合性、可用性、およびパーティション トレランス (CAP) 定理を考案しました。 CAP 定理では、ブロックチェーンなどの分散型データ ストレージは、上記 3 つの保証のうち 2 つしか同時に満たすことができないと述べています。
現在の分散ネットワークの文脈では、この定理はブロックチェーンのトリレンマに発展しました。一般的に受け入れられている見解は、パブリック ブロックチェーン インフラストラクチャはセキュリティ、分散化、またはスケーラビリティを犠牲にしなければならないというものです。
したがって、ブロックチェーン技術の究極の目標は、インターネット規模のトランザクション スループットを処理しながら、広範囲に分散されたネットワーク上に侵入不可能なセキュリティを備えたネットワークを構築することです。
トリレンマのダイナミクスを掘り下げる前に、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化を一般的な用語で定義しましょう。
セキュリティとは、ブロックチェーン上のデータをさまざまな攻撃から保護する機能と、二重支出に対するブロックチェーンの防御機能を指します。
分散化は、ネットワークが少数のエンティティによって制御されないようにするネットワーク冗長性の一種です。
スケーラビリティ、セキュリティ、分散化の間の相互作用。
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ここで、両方のプルーフ・オブ・ワーク・ブロックチェーンの分散化度が同じであると仮定し、セキュリティをブロックチェーンのハッシュレートとして考えます。ハッシュレートが増加すると確認時間が短縮され、セキュリティが強化されるとスケーラビリティが向上します。したがって、スケーラビリティとセキュリティは、継続的な分散化に見合ったものになります。
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その結果、ブロックチェーンは必要な 3 つの機能すべてに対して同時に最適化することができず、トレードオフを余儀なくされます。このイーサリアムはトリレンマの最新の例です。この夏、分散型金融（DeFi）アプリケーションの台頭により、イーサリアムプラットフォームの使用が急増しました。イーサリアムはこれまでしか成長できません。
需要の増加により、取引手数料が上昇し、一部の人々がブロックチェーンに参加できなくなっています。イーサリアム料金の値上げは、セキュリティや分散化を犠牲にすることなくイーサリアムを拡張できないことがわかるように、トリレンマの一例です。
イーサリアムの焦点は分散化とセキュリティであり、1 秒あたりのトランザクション数は制限されています (スケーラビリティ)。ユーザーは、マイナーが取引を優先するよう奨励するために、より高い料金を支払います。同様に、分散化とセキュリティはビットコインのスケーラビリティよりも優先されます。
ビットコインやイーサリアムなどのブロックチェーンのスケーラビリティには現時点では限界があることはよく知られています。その結果、新興企業、企業、技術者からなる世界的なコミュニティは、ブロックチェーンのトリレンマを解決するためのレイヤー 1 およびレイヤー 2 ソリューションを必死に研究しています。
開発者はさまざまな角度からこの問題に取り組んでいます。ビットコイン キャッシュ (BCH) は、ビットコインのスケーラビリティを向上させるためにブロック サイズを増加しましたが、人気が高まっているという証拠はありません。
ビットコインは、既存のブロックチェーン層の上に層を追加することで、この問題を解決しようとしています。スケーリング ソリューションの背後にある考え方によれば、第 2 層のソリューションは多数のトランザクションをバンドルし、基本層のブロックチェーンにクエリを実行するのはたまにだけです。イーサリアムは、シャーディングを通じてベースレイヤーのブロックチェーンをスケーリングするハイブリッド アプローチを採用しており、コミュニティはスループットをさらに向上させるためのいくつかの第 2 レイヤーのソリューションを期待しています。
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ブロックチェーン アーキテクチャの分散ネットワークでは、各ネットワーク参加者が新しいエントリを維持、承認、更新します。特定の順序でトランザクションが行われるブロックの集合は、ブロックチェーン テクノロジーの構造を表します。これらのリストは、フラット ファイル (txt 形式) または単純なデータベースとして保存できます。ブロックチェーン アーキテクチャには、パブリック、プライベート、またはコンソーシアムがあります。
ブロックチェーンの階層構造は 6 つの層に分かれています。
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ハードウェアインフラストラクチャ層
ブロックチェーンの内容は、この美しい地球上のどこかにあるデータセンターのサーバーに保存されています。クライアントは、Web の閲覧中またはアプリケーションの使用中に、アプリケーション サーバーからコンテンツやデータを要求します。これは、クライアントサーバー アーキテクチャと呼ばれます。
クライアントはピア クライアントに接続してデータを共有できるようになりました。ピアツーピア (P2P) ネットワークは、データを共有する大規模なコンピューターのグループです。ブロックチェーンは、トランザクションを計算、検証し、共有台帳に秩序だった方法で記録するピアツーピアのコンピューター ネットワークです。その結果、分散データベースが作成され、すべてのデータ、トランザクション、その他の関連データが保存されます。ノードは、P2P ネットワーク内のコンピューターです。
データ層
ブロックチェーンのデータ構造は、トランザクションが順序付けされたブロックチェーンのリストとして表されます。ブロックチェーンのデータ構造は、ポインターとリンク リストという 2 つの基本要素で構成されます。リンク リストは、データと前のブロックへのポインターを含むリンクされたブロックのリストです。
ポインタは別の変数の位置を参照する変数であり、リンク リストにはデータと前のブロックへのポインタが含まれます。マークル ツリーはハッシュのバイナリ ツリーです。各ブロックには、マークル ツリーのルート ハッシュと前のブロックのハッシュ、タイムスタンプ、ノンス、ブロックのバージョン番号、現在の難易度ターゲットなどの情報が含まれています。
ブロックチェーンに含まれるデータのセキュリティと整合性を保護するには、トランザクションにデジタル署名する必要があります。秘密キーはトランザクションの署名に使用され、公開キーを持っている人は誰でも署名者を検証できます。デジタル署名は情報操作を検出します。暗号化されたデータにも署名が付けられるため、デジタル署名によって身元が保証されます。その結果、何らかの操作を行うと署名が無効になります。
ネットワーク層
データは暗号化されているため、見つけることができません。たとえ捕まっても改ざんすることはできません。送信者または所有者の身元もデジタル署名によって保護されます。したがって、署名はその所有者と法的に結びついており、無視することはできません。
ネットワーク層は P2P 層と呼ばれることが多く、ノード間の通信を担当します。検出、トランザクション、ブロックの伝播はすべてネットワーク層によって処理されます。伝播層はこの層の別名です。
コンセンサス層
コンセンサス層は、ブロックチェーン プラットフォームの存在にとって重要です。コンセンサス層は、イーサリアム、ハイパーレジャー、その他のブロックチェーンを問わず、あらゆるブロックチェーンで最も必要かつ重要な層です。コンセンサス層は、ブロックを検証し、順序付けし、全員が同意することを確認する責任があります。
アプリケーション層
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アプリケーション層
ブロックチェーン ネットワークは、これらのアプリケーションのバックエンド テクノロジとして機能し、API を通じて通信します。スマート コントラクト、基礎となるルール、チェーンコードはすべて実行レイヤーの一部です。
トランザクションはアプリケーション層から実行層に移動しますが、トランザクションはセマンティック層で検証され、強制されます。アプリケーションは実行層に命令を発行し、実行層がトランザクションを実行してブロックチェーンのファイナリティを保証します。
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ブロックチェーン層の説明
レイヤー0
ブロックチェーン レイヤー 0 は、ブロックチェーンの実現を支援するコンポーネントで構成されています。これは、ビットコイン、イーサリアム、その他のブロックチェーン ネットワークの機能を可能にするテクノロジーです。 Tier 0 コンポーネントには、Tier 1 がスムーズに機能するようにするインターネット、ハードウェア、接続が含まれます。
レベル1
これは基本層であり、そのセキュリティは不変性に基づいています。イーサリアムというと、イーサリアム ネットワークまたはレイヤー 1 を指します。この層は、コンセンサスプロセス、プログラミング言語、ブロック時間、紛争解決、ブロックチェーンネットワークの基本機能を維持するルールとパラメータを担当します。これは実装層としても知られています。ビットコインはレイヤー 1 ブロックチェーンの一例です。
レベル 1 の質問
これらのスケーリング ソリューションを組み合わせて使用すると、ネットワークのスループットが向上します。しかし、ブロックチェーンユーザーの数が増加するにつれて、最初のレイヤーでは不十分になるように思われます。時代遅れで不器用なプルーフ・オブ・ワークのコンセンサス・プロセスが、依然としてレイヤー 1 ブロックチェーンで使用されています。
この方法は他の方法よりも安全ですが、速度が制限されます。マイナーは、暗号アルゴリズムを解決するためにコンピューティング能力を使用する必要があります。したがって、長期的にはより多くのコンピューティング能力と時間が必要になります。さらに、ユーザー数が増加すると、レイヤー 1 ブロックチェーンのワークロードも増加します。そのため、処理速度や容量が遅くなります。
考えられる解決策
Proof of Authority は、イーサリアム 2.0 が採用するもう 1 つのコンセンサスです。このコンセンサス方式は、ネットワーク参加者の担保に対してトランザクション データの新しいブロックを認証し、より効率的なプログラムを実現します。
シャーディングは、レイヤー 1 のブロックチェーン問題の負担に対するスケーリング ソリューションです。簡単に言うと、シャーディングは、トランザクションの検証と検証のタスクを、より小さく管理しやすい部分に分割します。したがって、ワークロードをネットワーク全体に分散して、より多くのノードのコンピューティング能力を使用できます。ネットワークはこれらのシャードを並行して処理するため、複数のトランザクションを順次かつ同時に処理できます。
2階
ベース層の上にあるオーバーレイ ネットワークは、L2 ソリューションと呼ばれます。このプロトコルは 2 番目の層を活用して、基本層から一部のインタラクションを削除することでスケーラビリティを向上させます。したがって、メインのブロックチェーン プロトコル上のスマート コントラクトは入金と出金のみを処理し、オフチェーン トランザクションのコンプライアンスを確保します。ビットコインのライトニング ネットワークは、第 2 層ブロックチェーンの一例です。
では、レイヤー 1 ブロックチェーンとレイヤー 2 ブロックチェーンの違いは何でしょうか?ブロックチェーンは、分散型エコシステムの最初の層です。 2 番目の層は、ノード数を増やしてシステムのスループットを向上させるために、最初の層と組み合わせて使用されるサードパーティの統合です。現在、多くの第 2 層ブロックチェーン テクノロジーが実装されています。
レイヤ 2 スケーリング ソリューション
レイヤ 2 プロトコルは、特に PoW ネットワークのスケーリング問題に対する最も効果的な解決策であることが証明されているため、近年爆発的に人気が高まっています。次のセクションでは、さまざまな第 2 層のスケーリング ソリューションについて説明します。
ネストされたブロックチェーン
入れ子になった第 2 層のブロックチェーンは相互に重なり合って実行されます。基本的に、最初の層は設定を確立し、2 番目の層はプログラミングを行います。単一のメインチェーン上に複数のブロックチェーン層が存在する場合があります。これを典型的なビジネス構造として考えてください。
1 人 (マネージャーなど) にすべての仕事をさせるのではなく、管理者は部下にタスクを委任し、部下は完了すると管理者に報告します。その結果、管理者の作業負荷が軽減され、スケーラビリティが向上します。たとえば、OMG Plasma プロジェクトは、イーサリアムのプライマリ プロトコルに対するセカンダリ ブロックチェーンとして機能し、より安価で高速なトランザクションを可能にします。
状態チャネル
むしろ、これは、マルチ署名またはスマート コントラクト メカニズムを通じて保護されたネットワークに隣接したリソースです。状態チャネル上でトランザクションまたはトランザクションのバッチが完了すると、「チャネル」の最終的な「状態」とそれに固有のすべての遷移が基礎となるブロックチェーンに公開されます。
側鎖
状態チャネルの例には、ビットコインのライトニング ネットワークやイーサリアムの雷電ネットワークなどがあります。トリレンマでは、国家チャネルはより高いスケーラビリティと引き換えにある程度の分散化を放棄します。
側鎖
サイドチェーンは、ブロックチェーンと一緒に実行されるトランザクションのチェーンであり、一括トランザクションに使用されます。サイドチェーンには速度とスケーラビリティを調整できるコンセンサス方式があり、ユーティリティ トークンはサイドチェーンとメインチェーン間のデータ転送メカニズムの一部としてよく使用されます。メインチェーンの主な機能は、一般的なセキュリティと紛争解決を提供することです。
まとめ
ロールアップは、レイヤー 1 ネットワークの外側でトランザクションを実行し、トランザクションからレイヤー 2 ブロックチェーンにデータをアップロードするレイヤー 2 ブロックチェーンのスケーリング ソリューションです。データが基本レイヤーに存在するため、最初のレイヤーでは要約を安全に保つことができます。
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3階
アプリケーション層は、レイヤー 3 または L3 と呼ばれることがよくあります。 L3 アイテムは、通信チャネルの技術的側面をマスクしながら、ユーザー インターフェイスとして機能します。 「ブロックチェーン アーキテクチャの階層構造」で説明されているように、L3 アプリケーションは現実世界におけるブロックチェーンの適用性を提供します。
ブロックチェーンにつながる分散データストレージが直面する問題は、ブロックチェーンにも引き継がれます。これらの困難と関連する問題をよりよく理解するために、それらをグループ化するために「ブロックチェーンのトリレンマ」という用語が作られました。 「トリレンマ」という用語はまだ存在しますが、ブロックチェーンのトリレンマは単なる推測にすぎません。この仮説は以前のデータに基づいて正確だったかもしれませんが、証明も反証もされていません。レイヤ 1 およびレイヤ 2 のソリューションはある程度の成功を収めていますが、さらに研究を行う必要があります。
結論は
最初のレベルのタイトル
結論は
ブロックチェーンビジネスが現時点で暗号通貨を主流に採用する可能性が低い理由の 1 つは、スケーラビリティです。暗号通貨の需要が高まるにつれて、ブロックチェーンプロトコルを拡張するプレッシャーも高まります。どちらのブロックチェーン レベルにも独自の制限があるため、最終的な解決策は、スケーラビリティのトリレンマを解決できるシステムを開発することになります。
最初の層は分散システムの基盤であるため、非常に重要です。基礎となるブロックチェーンのスケーラビリティの問題は、第 2 層プロトコルを通じて解決されます。残念ながら、現在、ほとんどのレイヤー 3 プロトコル (DApps) はレイヤー 2 をバイパスし、レイヤー 1 でのみ動作します。これらのシステムが私たちが望んでいたほどうまく機能しなかったのは当然のことです。
レイヤ 3 アプリケーションは、ブロックチェーンの実世界のユースケースの開発に役立つため、非常に重要です。ただし、従来のネットワークと比較すると、基盤となるブロックチェーンほど多くの価値を獲得することはできません。
翻訳者注:
ブロックチェーンの構造を詳しく言うと、データ層、ネットワーク層、コンセンサス層、インセンティブ層、アプリケーション層の合計5層で構成されています。イーサリアム上のスマートコントラクトの急速な台頭により、ブロックチェーンシステムは新しい構造を確立しました。つまり、インセンティブ層とアプリケーション層の間にコントラクト層が追加されました。しかし、ブロックチェーンのトリレンマにより、スケーラビリティは常に克服できない問題でした。ブロックチェーンに参加するユーザーが増えるにつれて、より多くのレイヤーが構造に導入される可能性があります。@Forest_Ventures
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