ブロックチェーンの実行層、ストレージ層、コンセンサス層の拡張スキームを理解するための記事
信頼の最小化は貴重なセキュリティ特性ですが、ブロックチェーン技術暗号化された事実暗号化された事実画像の説明
暗号化されたファクトにより、アプリケーションとレコードの信頼を最小限に抑えたバックエンド計算が可能になります
現在、ブロックチェーンは、金融政策 (ビットコインなど) やデジタル資産取引 (次のような) を含む、さまざまな革新的なアプリケーション シナリオに対する信頼の最小化を実現しています。DEX）。ただし、ブロックチェーンは、多くのアプリケーション シナリオの速度とコストの要件を満たすことが常に困難であり、これら 2 つの点で従来のコンピューティング システムに匹敵することはできません。また、ブロックチェーンのスケーラビリティの制限により、ユーザーは高額な取引手数料を支払わなければなりません。そのため、開発者は、ブロックチェーンが本当に価値の高いアプリケーション シナリオをサポートし、リアルタイム データ処理を実現できるかどうか疑問に思っています。
スマートコントラクトスマートコントラクト金融、サプライ チェーン、ゲームなどの伝統的な業界のバックエンド インフラストラクチャの重要な要素になります。以下では、ブロックチェーンと従来のコンピューティング システムの違いに焦点を当てて、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題を概説し、ブロックチェーンの実行層、ストレージ層、コンセンサス層のさまざまな拡張ソリューションの長所と短所をリストします。
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ブロックチェーンと従来のコンピューティングの比較分析
ブロックチェーンを拡張する方法について議論する前に、ブロックチェーン コンピューティングと従来のコンピューティングの基本的な違いを理解する必要があります。一般に、ブロックチェーンには次の核となる価値があります。
計算は高度に決定論的です。計算は事前定義されたコード ロジックに従って厳密に実行され、非常に高度な決定論を備えています。
信頼され中立 - ブロックチェーンには集中管理者や特別なネットワーク権限がないため、誰でも操作や差別を恐れることなくトランザクションを送信できます。
エンドユーザーによる検証 – 世界中の誰もがブロックチェーン台帳の履歴と現在の状態、およびクライアント ソフトウェアの基礎となるコードを監査できます。
より具体的には、ブロックチェーンのタスクは、資産の所有権、契約ステータス、または生データを記録できる内部台帳を管理することです。ほとんどのブロックチェーン ネットワークは、「ブロックプロデューサー」と「フルノード」によって管理されます。これら 2 種類のアクターはそれぞれ、異なる機能を実行しますが、場合によっては重複する機能を実行します。
ブロックプロデューサーは、ユーザーによって送信された未確認のトランザクションを収集し、トランザクションの有効性をチェックして、トランザクションを「ブロック」と呼ばれるデータ構造に配置します。ブロックプロデューサーは通常、プルーフ・オブ・ワーク (PoW) ブロックチェーンでは「マイナー」と呼ばれ、プルーフ・オブ・ステーク (PoS) ブロックチェーンでは「バリデーター」と呼ばれます。 PoW と PoS は両方とも、ブロックチェーン台帳の堅牢性を常に維持し、台帳の操作を防ぐことができる、Sybil 攻撃に対するメカニズムです。
フルノードフルノード受け入れるか拒否するか。フルノードはブロックチェーン台帳の完全なコピーを独立して保存し、新しいブロックを継続的に検証しますが、フルノードはブロック生成プロセスに参加する必要はありません。ほとんどのフルノードはブロックプロデューサーによって実行されますが、取引所、RPCプロトコルプロバイダー、ステーブルコイン発行者などの主要な経済主体やエンドユーザーもフルノードを実行できます。フルノードには無効なブロックを拒否する権利があるため、ブロックプロデューサーの動作を監視できます。ほとんどのブロックプロデューサーは悪意のあるものです画像の説明
ユーザーはフルノードを通じてブロックチェーンにトランザクションを送信し、マイナーと検証ノードはフルノードにブロックを提供して検証を受けます。
さらに、フルノードをブロックプロデューサーから分離すると、マイナーや検証ノードがプロトコルルールを恣意的に変更したりブロックを操作したりすることを防ぐこともできます。これは、ブロックプロデューサーがトランザクションを注文する権限のみを持ち、ブロックチェーンのルールを指示することはできない、権力のチェックとバランスのメカニズムです。ルールはフルノード コミュニティによって管理されており、理論上は誰でも簡単にフルノード コミュニティに参加できます。ブロックチェーンの基礎となるアーキテクチャについて詳しくは、以下をご覧ください。暗号化の事実を 1 つの記事で読んでください: 信頼の最小化の計算と記録》。
ハードウェア要件の軽減フルノード操作のしきい値を下げるこれはブロックチェーンにとって極めて重要であり、ブロックチェーンは常に分散化レベルを維持するための鍵であり、信頼の最小化を達成するための鍵となっています。ただし、ネットワークの速度はネットワーク内の最も遅いノードと同じであるため、分散化によりブロックチェーンが非常に遅くなることがよくあります。この問題は、「ブロックチェーンの不可能な三位一体」としても知られています。「スケーラビリティの難問」画像の説明
ブロックチェーンの不可能な三角形は、ブロックチェーンがスケーラビリティ、セキュリティ、分散化の 3 つの側面でトレードオフを行う必要があることを意味します
従来のブロックチェーン モデルにはボトルネックがあります。つまり、スケーラビリティを実現するには、分散化またはセキュリティのレベルを犠牲にするか、両方の側面で一定の犠牲を払う必要があります。たとえば、スケーラビリティと分散化を実現するネットワークでは、セキュリティを確保するために、多数のアクティブな参加者に経済的インセンティブを提供する必要があります。スケーラビリティとセキュリティを実現するネットワークは通常、ノードの運用コストを増加させる必要があるため、分散化のレベルが犠牲になります。さらに、分散化とセキュリティを実現するネットワークは通常、低いノード要件と高い攻撃コストを維持する必要がありますが、最終的にはスケーラビリティのボトルネックに遭遇します。
ブロックチェーンとは異なり、従来のコンピューティング環境は、その主な目的が信頼の最小化を最大化することではないため、分散化について心配する必要はありません。そのため、従来のコンピューティング ネットワークは集中管理され、営利企業によって運営されることがよくあります。ネットワークは単一エンティティによって管理され、その計算結果をエンドユーザーが独自に検証する必要がないため、低コストと高速動作が実現されます。
このため、従来のコンピューティング環境の信頼モデルは、ブランドの承認と法的契約に基づいています。対照的に、ブロックチェーンの信頼モデルは暗号とゲーム理論に基づいており、参加者は独立して検証され、ネットワークに直接参加できます。従来のコンピューティング環境は外部の影響を受けやすいため、単一障害点や単一制御点のリスクがあり、ユーザーはプロセスを監査できないため、ブロックチェーン ネットワークと互換性がありません。
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ブロックチェーン スケーリングの 3 つの主要な特徴
副題
ブロックチェーン実行層
ブロックチェーン実行層は、トランザクションと状態変更を実行するコンピューティング層を指します。トランザクションの実行には、トランザクションの有効性のチェック (署名やトークン残高の検証など)、オンチェーン ロジックの実行、および状態変化の計算が含まれます。状態の変更は、フル ノードが台帳のコピーを更新して、新しいトークン転送、スマート コントラクト コードの更新、およびデータ ストレージを反映することを意味します。
ブロックチェーン実行層のスケーリングは通常、1 秒あたりに処理されるトランザクションの量 (TPS) を指しますが、各トランザクションの複雑さとコストが異なるため、よりマクロなレベルでは 1 秒あたりに処理される計算の量を指します。ネットワーク内で処理されるトランザクションの数が増えると、どの時点でも実行する必要がある計算量が増加します。
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ブロックチェーンのストレージ層
ブロックチェーン ストレージ レイヤーは、フル ノードが台帳のコピーを維持および保存するストレージ レイヤーを指します。ブロックチェーンのストレージ機能は、一般に 2 つのカテゴリに分類されます。
歴史的なデータ - すべての生のトランザクション データとブロック データが含まれます。取引データには、送信元アドレスと宛先アドレス、送金額、各取引の署名が含まれます。ブロック データには、トランザクションのリストと、ルート ハッシュ、ノンス、前のブロックのハッシュなどのブロックからのメタデータが含まれます。通常、履歴データにはすぐにアクセスする必要はなく、ダウンロードする正直なノードが少なくとも 1 つあれば十分です。
グローバル状態 -これは、すべてのスマート コントラクトのアカウント残高や変数など、スマート コントラクトによって読み書きできるすべてのデータのスナップショットです。グローバル状態はブロックチェーンのデータベースとみなすことができ、入力されたトランザクションは検証される必要があります。状態は通常、ツリー データ構造 (例: マークル ツリー) に保存され、フル ノードによって簡単かつ迅速にアクセスして変更できます。
フルノードは、最初にブロックチェーンと同期するために履歴データにアクセスする必要があり、新しいブロックを検証して新しい状態変更を実行するためにグローバル状態にアクセスする必要があります。台帳および関連する保存データの量が増えると、ノードが状態の読み取りおよび書き込みに費やす時間と計算の量が増えるため、状態の計算は遅くなり、コストも高くなります。ノードのメモリがいっぱいの場合は、ディスク ストレージ領域を使用する必要があり、実行中にノードが異なるストレージ環境間で切り替える必要があるため、計算がさらに遅くなります。
ブロックチェーンのストレージ要件がますます高くなるにつれて、通常は状態の肥大化につながります。状態のインフレが発生した場合、フル ノードはハードウェアをアップグレードする必要があることがよくあります。アップグレードしないと、台帳の現在のバージョンとの同期を維持することが困難になり、ユーザーが新しいフル ノードを同期することが困難になります。台帳上の履歴データの量、新しいブロックが追加される頻度、各ブロックの最大サイズ、オンチェーンに保存する必要があるデータの量など、多くの要因がブロックチェーン内の状態の肥大化を引き起こす可能性があります。トランザクションを検証し、状態変更を強制するため。
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ブロックチェーンのコンセンサス層
ブロックチェーンのコンセンサス層は、分散型ネットワーク内のノードがブロックチェーンの現在の状態について合意に達する場所です。コンセンサスの鍵は、大多数のノードが誠実であることを保証し、最終的にファイナリティを達成すること、つまりトランザクションを正確に処理し、トランザクションが最大限取り消されないことを保証することです。ブロックチェーンのコンセンサス層の設計原則は通常、通信コストを最小限に抑えて分散化レベルの上限を高め、より強力なビザンチンフォールトトレランスメカニズムを実現し、最終時間を短縮することです。
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実行層の拡張
副題
検証ノードのハードウェア要件を改善して垂直方向の拡張を実現
アドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
短所:バリデーターまたはフルノードを実行するコストが高くなるため、バリデーターの垂直スケーリングによりネットワークの分散化の度合いが制限されます。通常、ノードのコストは時間の経過とともに増加しますが、これもほとんどのユーザーにとって法外な金額です。分散化のレベルを維持できるかどうかは、ムーアの法則副題
マルチチェーンエコシステムを構築し水平展開を実現
アドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
短所:副題
実行層をシャード化して水平方向の拡張を実現
同様の拡張ソリューションのもう 1 つは、ブロックチェーンを多くの部分に分割し、それらを並行して実行することです。各シャードは実際にはブロックチェーンです。これは、多くのブロックチェーンを並行して実行できることを意味します。さらに、すべてのシャードの同期を維持することを唯一のタスクとするメイン チェーンが存在します。
アドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
短所:すべてのノードが各シャードでの計算をサポートできなければならないため、シャーディングの柔軟性には限界があります。さらに、メインチェーンのコンピューティング要件が増加し、各シャードに割り当てられるノード数が十分ではなくなる可能性があるため、ブロックチェーンがサポートできるシャード数にも上限があります。さらに、共有セキュリティ モデルにより、すべてのシャードに同じセキュリティ脆弱性が存在する可能性があるため、負荷分散と実装リスクの点で特定の問題が発生します。
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モジュール化による水平展開
モジュラーブロックチェーンモジュラーブロックチェーン。このスキームは、ブロックチェーン インフラストラクチャを実行層、データ可用性層 (DA)、およびコンセンサス層に分割します。最も主流のブロックチェーンのモジュール化メカニズムは次のとおりです。rollupアドバンテージ：
アドバンテージ：モジュール式ブロックチェーンは、基盤となるブロックチェーンのセキュリティ特性を維持しながら、トランザクションの実行と状態を低コストで効率的、高スループットのコンピューティング環境に移行します。これは、実行層のオフチェーン計算を検証するときに、コンセンサス層が依然として元の分散型基盤ブロックチェーン (つまり L1) に基づいているためです。言い換えれば、フルノードはすべてのトランザクションを実行する必要がなくなるため、基盤となるブロックチェーンのコンピューティング帯域幅をより効率的に使用できるようになります。フルノードでは、簡潔な証明を検証し、少量のトランザクション データを保存するだけで済みます。
短所:
短所:画像の説明
副題ソース）
支払いと州のチャネル
支払いチャネルと状態チャネルにより、ブロックチェーンのスケーリングが可能になります。ユーザーは、マルチ署名スマート コントラクトで暗号通貨をロックし、資産所有権の移転または状態変更情報を表す署名付きメッセージをオフチェーンで交換します。プロセス全体でオンチェーン トランザクションを開始する必要はありません。ユーザーは、チャネルの作成時と終了時にオンチェーン トランザクションを開始するだけで済みます。
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短所:加えて、
加えて、難しい最初のレベルのタイトル
データストレージ層を拡張する
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ブロックチェーンノードの垂直方向の拡張
アドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
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基盤となるブロックチェーン上のデータシャーディング
もう 1 つのブロックチェーン データ ストレージ拡張ソリューションは、データシャーディングアドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
短所:シャードが増えるとメインチェーンへの負担が大きくなるため、ブロックチェーンが保持できるシャードの数には上限があります。さらに、実装する必要があるのは、データ可用性のサンプリング副題
モジュラーブロックチェーンを使用してオンチェーンデータストレージを圧縮する
モジュラーブロックチェーンはオフチェーンで計算タスクを実行し、トランザクションデータと状態の変化をオンチェーンまたはオフチェーンに保存します。他のノードまたはユーザーは、このデータを使用して台帳の現在または過去の状態を再構築できます。ロールアップはデータをオンチェーンに保存する前にオフチェーンに保存します圧縮。
利点: ネットワーク内のすべてのノードがデータを保存するため、チェーン上に圧縮データを保存することは、モジュラー ブロックチェーンにとって最も安全なデータ ストレージ ソリューションです。さらに、これにより、基盤となるブロックチェーン上のデータ ストレージ コストが削減されます。ロールアップでデータ シャーディングを実装すると、トランザクション データをより効率的かつ低コストでチェーンに保存できるようになり、使用量の増加に応じた拡張をより適切に実現できるようになります。
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モジュラーブロックチェーン用のオフチェーンデータストレージ
モジュラーブロックチェーンはトランザクションデータをオフチェーンに保存して、オンチェーンストレージの要件をさらに削減できます。例としては、ゼロ知識証明をオンチェーンで発行し、データをオフチェーンに保存する「validium」が挙げられます。現在、モジュラーブロックチェーンは主に 4 種類のオフチェーンデータストレージスキームを採用しています。
集中ストレージ——データをオフチェーンの集中プラットフォームに保存します。このソリューションはデータ ストレージ コストが最も低くなりますが、一元化されたストレージ プラットフォームがデータを変更したり、直接オフラインになったりするなど、データの透明性やセキュリティの欠如につながる可能性もあります。
ライセンスを取得したDAC -データをオフチェーンに保存し、オンチェーンでデータの正確性を証明し、「データ可用性委員会」(DAC) と呼ばれる信頼できるノードの小グループで構成される委員会に承認します。このソリューションの長所と短所は集中型ストレージ ソリューションと似ていますが、データの可用性に関する信頼の仮定はより優れています。
ライセンスフリーのDAC -データをオフチェーンに保存し、パーミッションレス DAC を使用してオンチェーン証明を提供し、暗号経済的インセンティブを使用して誠実な行動を奨励します。パーミッションレス DAC は、オンチェーン ストレージ ソリューションよりもコストが低く、他のオフチェーン ストレージ ソリューションよりも安全です。欠点は、セキュリティがまだオンチェーン ストレージ ソリューションほど優れておらず、大規模な適用と持続可能な経済モデルがまだ達成されていないことです。
Volition——副題
データの枝刈り
データの枝刈りテクノロジーにより、ブロックチェーンのフルノードが特定のブロックの高さより前の履歴データを削除できるようになります。データ プルーニングは通常、PoS チェックポイント (チェックポイント) と同時に使用され、特定のチェックポイントを超えるブロック内のトランザクションは最終的なものとみなされます。これは、大きな社会的合意またはハードフォークがない限り、これらの取引を元に戻すことはできないことを意味します。
利点: データ プルーニングにより、コンセンサスに参加する際にノードが保存または参照する必要があるデータの量が削減されます。履歴データは検証されているため、元帳のサイズを削減するために削除できます。フルノードの実行が、履歴ブロックをトレースするのではなく、将来のブロックを検証するためだけである場合、履歴データを保存する必要はありません。
欠点: データ プルーニングでは、ジェネシス ブロックまで追跡できるように、履歴データを永続的に保存するために取引プラットフォームやブロック エクスプローラーなどのサードパーティに依存する必要があります。ただし、これは 1/n 信頼モデルであるため、データを正直に保存し、完全なノードがすべての履歴状態を再構築するのに必要なサードパーティは 1 つだけです。 PoS はチェックポイントと主観が弱い副題
無国籍、州の有効期限、および州の家賃
さらに、特に状態の有効期限を設定することにより、フル ノードによって保存される状態の数を制限することに重点を置いたソリューションがいくつかあります。ステタスはありませんまたは州の家賃を達成する必要があります。
ステータスの期限切れ - セクションピアは、一定期間を超えてアクセスされていない状態をプルーニングでき、必要に応じて、ある種のマークル証明 (「証人」とも呼ばれます) を使用して期限切れの状態を復元できます。
ステタスはありません - フルノードは状態を保存する必要はありません。フルノードは、監視を通じて新しいブロックを検証するだけで済みます。弱いステートレス性とは、ブロック生成ノードのみがグローバル状態を保存する必要があり、他のすべてのノードは状態を保存せずにブロックを検証できることを意味します。
州の家賃 -アドバンテージ：
アドバンテージ：短所:
短所:最初のレベルのタイトル
拡張コンセンサスレイヤー
副題
実行能力とストレージ能力の向上
副題
ネットワーク帯域幅の使用量を削減する
副題
ネットワーク遅延を削減する
副題
セキュリティ予算を増やす
最初のレベルのタイトル
スケーラビリティと安全なクロスチェーン開発の未来
ブロックチェーンの拡張は現在開発の重要な段階にあり、一連の豊富なソリューションが開発、テスト、リリースされています。ブロックチェーンの現在の開発の焦点は、信頼を最小限に抑えることを前提とした拡張を達成することであり、ブロックチェーンはさまざまな業界やアプリケーション シナリオで推奨されるバックエンド インフラストラクチャになるはずです。
成長を続けるマルチチェーン エコシステムをサポートするために、Chainlink は、ユーザーがカスタム ロジックを使用してさまざまなブロックチェーン間でデータとトークンを安全に転送できるようにするクロスチェーン相互運用性プロトコル (CCIP) の開発を積極的に行っています。 CCIP はセキュリティに重点を置き、ブロックチェーンの元の信頼の前提を維持しながら、クロスチェーンのスマート コントラクトと安全なトークン ブリッジを可能にする不正防止ネットワークを構築します。 CCIP の詳細については、「」を参照してください。画像の説明》。
CCIPインフラストラクチャ
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