導入

スケーラビリティは、ブロックチェーン分野のほとんどのパブリックブロックチェーンにとって長年の課題でした。たとえば、ビットコインは3年にわたるスケーラビリティの議論を経験し、イーサリアムは単純なゲームであるCryptoKittiesのためにネットワークの混雑に見舞われました。この問題に対処するために、業界では、ブロックサイズを増やすことによる短期的なスケーラビリティ、DPoSコンセンサスメカニズムによる分散化を部分的に犠牲にすること、DAGなどの代替構造を使用すること、サブチェーンやサイドチェーンなどのオフチェーンスケーリング方法など、さまざまなソリューションが提案されています。

これらの中で、シャーディング技術は効果的かつ基本的な解決策と考えられています。2016年の開発者会議で、イーサリアムの創設者であるVitalik Buterinは、Ethereum 2.0の「パープルペーパー」を発表し、シャーディングを介したトランザクション処理のアイデアを紹介しました。ブロックチェーンのスケーラビリティの重要な方向性として、シャーディング技術は並列処理を通じてコンピューティングリソースを動的に割り当て、ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを向上させ、高頻度のグローバルトランザクションをサポートするための技術的な基盤を築いています。

現在のブロックチェーンのスケーラビリティソリューション

シャーディング技術の概要

アイデアの原点

シャーディング技術は、効率的なデータ処理のために大規模なデータベースをより小さなセグメントに分割することを目指したデータベースパーティショニングから派生しました。シャーディング技術をブロックチェーンと組み合わせるアイデアは、2015年に初めて提案されました。シンガポール国立大学の研究者、Prateek SaxenaとLoi Luuのペアは、CCS国際セキュリティカンファレンスで論文を発表しました。彼らはブロックチェーンネットワークを同時にトランザクションを処理することができる「フラグメント」に革新的に分割し、公開ブロックチェーンのスケーラビリティの問題に対する新しい解決策を提供しました。

その後、この2人の研究者は理論を実践に変え、最初のシャーディングベースのプロジェクトであるZilliqaを開発しました。Zilliqaは、pBFTとPoWのハイブリッドコンセンサスメカニズムを採用し、トランザクション処理のための最も効率的なパブリックチェーンとなりました。その後、シャーディング技術は、イーサリアムの創設者であるVitalik Buterinからも認識されました。2016年に、イーサリアムは2層シャーディング設計を提案し、Ethereum 2.0ネットワークをメインチェーンとシャードチェーンに分割しました。メインチェーンは、バリデータ管理契約（VMC）を介してシャードチェーンの運用を管理し、シャードチェーンはPoSコンセンサスメカニズムを使用してトランザクションデータをパッケージ化し、検証ブロックを生成します。同時に、VMCは、UTXOモデルとレシートツリーを介してトランザクションの妥当性とスムーズなシャード間データ転送を確保します。

Ethereum 2.0 シャーディングアップグレードフローチャート

その後、シャーディング技術の進化に伴い、革新的なプロジェクト群が登場し、ブロックチェーンのスケーラビリティの飛躍的な向上をもたらしています。これらのプロジェクトは、シャーディングの処理速度やネットワーク効率の可能性を探求するだけでなく、大規模な商業アプリケーションの可能性に強力なサポートを提供し、ブロックチェーン技術を高い効率性と幅広い応用の新しい局面に向けて前進させることを約束しています。

シャーディングの定義

シャーディング技術は、ブロックチェーンアーキテクチャを最適化するための方法で、ブロックチェーンネットワークを複数の独立した「シャード」に分割し、データの並列処理を可能にします。各シャードは独立した処理ユニットとして動作し、トランザクションの実行やデータの取り扱いができるため、ネットワークの計算およびストレージの負担を効果的に分散させます。この手法により、ブロックチェーンネットワークのトランザクション処理速度が著しく向上するだけでなく、ノードのストレージ要件も最適化されます。ノードはもはや完全なブロックチェーンのデータを維持する必要がありません。したがって、シャーディングは全体のネットワークセキュリティを損なうことなく、ブロックチェーンネットワークの拡張性とパフォーマンスを向上させ、大規模なアプリケーションに技術的サポートを提供します。

出典: 高性能シャーディングブロックチェーンの新しいアーキテクチャと方法論

シャーディングの種類

シャーディング技術は、ネットワークシャーディング、トランザクションシャーディング、およびステートシャーディングの3つの主要なタイプに分類されます。コア原則は、「全体を部分に分割して個別に管理する」ということであり、複数のシャードが異なるトランザクションを同時に処理し、その結果をメインチェーン上で集計することで、ブロックチェーンネットワーク全体のパフォーマンスを向上させることが可能です。

1. ネットワークシャーディング
   ネットワークシャーディングは、他のシャーディングメカニズムが構築されるシャーディングの基本形式です。ネットワークシャーディングの鍵は、セキュリティを確保し、悪意のあるノードによる攻撃を防ぐことにあります。具体的には、ノードのグループをランダムに選択してシャードを形成し、シャード内で独立したコンセンサスを確立してトランザクションを処理します。この方法では、複数のシャードが無関係なトランザクションを同時に処理するため、ネットワークの同時実行性が大幅に向上し、システムのパフォーマンスが向上します。Zilliqaは、ネットワークシャーディングを使用したブロックチェーンの典型的な例であり、PoWとpBFTのコンセンサスメカニズムを組み合わせて速度を向上させています。PoWはシビル攻撃を防ぎ、正当なノードのみがシャーディングに参加するようにし、pBFTは迅速なトランザクションコンセンサスを促進し、確認速度を大幅に向上させます。

2. トランザクションシャーディング
   トランザクションシャーディングは、異なるトランザクションを各シャードに分散して処理し、全体のネットワークのトランザクション処理速度を加速することを意味します。トランザクションは通常、送信者のアドレスに基づいて割り当てられ、関連するトランザクションをグループ化して二重支払いを防ぎます。たとえば、1つのアドレスが2つの競合するトランザクションを開始した場合、それらは同じシャード内で迅速に識別および防止されます。トランザクションがシャードをまたいで発生する場合、シャード間通信を使用して二重支払いを検出およびブロックします。UTXOモデルは、大規模なトランザクションの分割などの潜在的な問題にもかかわらず、トランザクションシャーディングの効率をさらに向上させることができます。トランザクションシャーディングの成熟度は大幅に向上しており、複数のコンセンサスメカニズムが並行して動作できるようになっています。

3. ステートシャーディング
   ステートシャーディングは、最も複雑で挑戦的なシャーディングのタイプです。鍵は、各シャードが全体のブロックチェーンのグローバルな状態ではなく、内部状態のみを維持することを確認することにあります。これにより、データの保存要件が分散されます。ただし、クロスシャードトランザクションが発生すると、関与するシャードはトランザクションの状態を共有する必要があり、頻繁なシャード間通信が必要となり、パフォーマンスが低下する可能性があります。さらに、ステートシャーディングはデータの整合性と障害耐性に関する課題に直面しています。シャードが攻撃を受けてオフラインになった場合、そのデータ検証が影響を受ける可能性があります。この問題に対処するには、各ノードにグローバルな状態のバックアップが必要になるかもしれませんが、そのようなバックアップはステートシャーディングの分散型ストレージの意図と矛盾し、中央集権化のリスクを導入する可能性があります。

シャーディングの実装戦略

シャーディングアーキテクチャー

シャーディングアーキテクチャの設計は、シャーディング技術の中核であり、メインチェーンとサブチェーンの設計コンセプト、およびシャード内およびシャード間でのノードの割り当てを包括しています。このアーキテクチャでは、メインチェーンはネットワークの合意とセキュリティを維持し、ブロックチェーンの中核として機能し、サブチェーンの操作を調整し、グローバルな整合性を確保しています。サブチェーンはメインチェーンから派生した独立した領域であり、それぞれが特定のタイプの取引やスマートコントラクトの処理に焦点を当てており、これにより独立した並行性を実現し、パフォーマンス効率とスケーラビリティを向上させています。

さらに、シャーディングアーキテクチャ内のノードは、2つの役割に分かれています。サブチェーンノードは、自分のシャード内でトランザクションレコードと状態を維持し、トランザクションを検証するためにコンセンサスに参加します。一方、クロスサブチェーンノードは、メインチェーンとサブチェーンの間で調整と同期を確保するために情報を伝達し、状態を更新する役割を担っています。この詳細な役割分担により、リソースの利用効率が向上し、全体のトランザクション処理能力が向上し、ブロックチェーンネットワークの拡張と効率的な運用のための堅固な基盤が築かれます。

ソース：newcomputerworld

ランダム サンプリング

シャーディングアーキテクチャのセキュリティと公正性を保証するために、ランダムサンプリングと選択メカニズムが重要です。キーは、ランダムにノードを選択してシャードを形成し、悪意のある攻撃者がシャード上で制御を集中させることを防ぐことにあります。ノードの選択時には、ハッシュベースの乱数生成アルゴリズムがしばしば使用され、公平性と分散化が確保され、地理的位置や過去の行動に基づくバイアスが排除されます。これにより、すべてのノードが異なるシャードに選択される平等なチャンスを持ち、ネットワークの分散化と検閲への耐性が向上します。

攻撃者が特定のノードを制御することでシャードを操作することを防ぐために、シャーディングアーキテクチャでは通常、複数の選択メカニズムと動的なノード割り当て戦略を導入します。たとえば、シャード内のノード数が設定された閾値に達した場合、システムは自動的にシャードの再構成をトリガーし、新しいノードをランダムに選択してシャード内のノードの分布が過度に集中しないようにします。また、定期的に「シャードの再バランス」メカニズムによってノードの分布を調整することで、攻撃者がノードの集中を利用してシャードを攻撃または操作することを防ぎます。これらのメカニズムにより、シャーディングアーキテクチャ内の単一障害点のリスクが効果的に低減され、ネットワークの防御力が強化されます。

ソース：ブロックチェーンシステムのための効果的なシャーディングコンセンサスアルゴリズム

シャーディングにおける課題と解決策

セキュリティの問題

適応的な敵対的攻撃とは、悪意のあるアクターがネットワーク状況に関する知識を悪用して、ブロックチェーンネットワーク内の特定のシャードを標的にする攻撃を指します。攻撃者は取引を操作したり、データを改ざんしたり、取引確認プロセスに干渉したりして、自分たちの目的を達成することができます。シャーディングアーキテクチャ内の各シャードには比較的少ないノードしかないため、攻撃者は単一のシャードに集中しやすくなり、セキュリティリスクが高まります。この問題に対処するためには、シャードの整合性を確保するための対策を講じる必要があります。

効果的な解決策の一つは、多層の検証メカニズムとクロス共有の合意プロトコルを導入することです。具体的には、各シャード内に複数の検証ノードを設立し、トランザクションを共同で確認することで、攻撃の複雑さとコストを増加させます。さらに、クロスシャードの合意プロトコルは、シャード間の情報共有と状態の検証を容易にし、ネットワーク全体における調整と一貫性を確保し、単一のシャードへの攻撃が全体のネットワークに脅威を与えることを防ぎます。これらのメカニズムは、シャードアーキテクチャの耐攻撃性を大幅に向上させ、適応型の敵対的脅威によるリスクを軽減します。

データの可用性に関する課題

シャーディング技術におけるもう一つの重要な課題は、データの利用可能性です。シャーディングが広く採用されるにつれて、各シャードのデータの利用可能性と整合性を効率的に検証することは、ブロックチェーンネットワークの安定性を維持するために不可欠となります。この課題に対処するための1つのアプローチは、データセットの一部をサンプリングして全データセットの利用可能性を迅速に検証することです。この方法により、すべてのデータを検査する計算オーバーヘッドが削減され、システム全体の効率が向上します。

また、効果的な検証メカニズムを確立する必要があります。たとえば、参加ノードは新しいブロックを生成する際に、対応するデータの利用可能性の証明を提供する必要があります。これは特にシャーディング間のトランザクションにおいて、シャード間のデータの一貫性と正確性を確保するために重要です。

ケーススタディ

Ethereum 2.0 シャーディングテクノロジー

Ethereumの拡張性ロードマップでは、Dankshardingは革命的なアップグレードであり、Ethereum 2.0の大規模な拡張性を実現するためのコア技術です。従来のシャーディング方法とは異なり、Dankshardingは「マージされた手数料市場」を統合し、単一のブロック提案者メカニズムを採用しています。クロスシャードトランザクションプロセスを簡素化します。EIP-4844やproto-dankshardingなどのメカニズムを通じて、技術的な実装は徐々にEthereum 2.0の完全なシャーディングに移行します。

ダンクシャーディングの独自性は、その革新的な構造設計にあります。従来のシャーディングでは、ブロックチェーンネットワークを複数の並列サブチェーンに分割し、各サブチェーンが独立してトランザクションを処理し、コンセンサスに達します。一方、Dankshardingは、単一ブロックの提案者を採用して、従来のシャーディングで複数の提案者によって引き起こされる複雑さとパフォーマンスのボトルネックを排除します。ビーコンチェーンは、イーサリアム2.0のコアコンセンサスレイヤーとして、このプロセスにおいて重要な役割を果たします。イーサリアムネットワーク内のすべてのバリデーターを管理および調整し、セキュリティと一貫性を確保します。ダンクシャーディングフレームワーク内では、ビーコンチェーンはバリデーターの状態を維持し、シャード間の通信とデータ同期を容易にし、イーサリアム2.0の全体的なパフォーマンスを総合的に向上させます。

Dankshardingの実装は複数の段階で進行します。最初に、プロトダンクシャーディングが導入され、EthereumのCancunアップグレード中の過渡的な段階として導入されます。EIP-4844を使用して、データストレージコストを削減するためにRollupテクノロジーをサポートし、Dankshardingの完全な実装のための基盤を築きます。さらに、DankshardingはEthereumのセキュリティを向上させ、51%攻撃などの潜在的な脅威を防ぎ、ネットワーク内の計算およびストレージ要求を最適化して大規模な分散型アプリケーションをサポートします。

Source: ETH 2.0の解説 - シャーディングの説明

Polkadot シャーディング テクノロジー

Polkadotは革新的な「パラチェーン」アーキテクチャを通じてシャーディングを実現し、相互運用性を実現しながら同じネットワーク内で独立したブロックチェーンを運用することができます。各パラチェーンは、独自のデータと取引を処理する独立したブロックチェーンネットワークです。これらのパラチェーンは、統一されたコンセンサスメカニズムを提供し、ネットワークセキュリティ、およびすべてのパラチェーン間でデータの同期と整合性を確保するリレーチェーンを介して調整および管理されています。

パラチェーンはカスタマイズも可能で、独立したガバナンス構造や特定の要件に合わせた機能を提供することができ、ネットワークの柔軟性とスケーラビリティを大幅に向上させます。Polkadotのパラチェーンアーキテクチャは、特にDeFi、NFT、およびDAOセクターなど、高い需要を持つ分散型アプリケーション（DApps）に適しており、そのスケーラビリティと柔軟性が証明されています。たとえば、Polkadotのパラチェーンスロットオークションメカニズムにより、各パラチェーンはリレーチェーンへの接続権を確保し、リース期間中に特定の計算リソースを利用することができます。さらに多くのパラチェーンを追加することで、Polkadotはより高い取引スループットと低い手数料を実現できます。

Polkadot 1.0では、コアリソースの割り当ては2年間のオークションシステムによって決定されました。バージョン2.0では、リソースの割り当てが柔軟になりました。さらに多くのパラチェーンが参加し、リソースが動的に分配されることで、Polkadotは効率的なマルチチェーンエコシステムとなり、幅広い分散型アプリケーションをサポートする体制が整っています。

ソース: Polkadot v1.0

NEAR シャーディング テクノロジー

NEARプロトコルは、革新的なNightshadeダイナミックシャーディング技術を利用しています。この技術により、ネットワークの需要に応じて柔軟にシャードの数を調整し、さまざまな負荷下で効率的かつ安定した運用を維持することができます。NEARメインネット上で正常に実装されたNightshadeアーキテクチャは、大量のトランザクション処理とDApp開発をサポートし、特に高負荷条件下で優れた性能を発揮します。

Nightshadeの主な利点は、ネットワークのパフォーマンスと拡張性を向上させるためにシャード数をリアルタイムで調整するダイナミックなシャーディング能力にあります。近日公開される第2フェーズのアップグレードにより、NEARは「ステートレスバリデーション」技術を含む既存のアーキテクチャに重要な改善を導入します。このイノベーションにより、NEARのバリデータノードはシャードの状態をローカルに格納せずに動作し、代わりにネットワークから「ステートウィットネス」情報を動的に取得して検証します。このアプローチにより、シャード処理の効率が向上し、バリデータのハードウェア要件が削減され、より広範な参加が可能になります。シャーディング技術が進化し続ける中で、NEARは大規模なユーザー成長をサポートし、分散型アプリケーションの普及のためのアーキテクチャの基盤を提供するために、非常に良い立場にあります。

ソース：NEARプロトコルとは?ブロックチェーン・オペレーティング・システム(BOS)

TON シャーディングテクノロジー

TONアーキテクチャは、マスターチェーンとワークチェーンで構成される多層構造を採用しており、効率的なネットワーク運用とシームレスなクロスチェーン通信を保証します。マスターチェーンはネットワークのコア台帳として機能し、すべてのワークチェーンのブロックヘッダーを保存し、プロトコルのアップグレードやバリデータの選出など、ネットワーク全体の状態を管理します。ワークチェーンはTONネットワーク内の独立したサブチェーンであり、それぞれが特定のアプリケーションシナリオやビジネスニーズに特化しているため、ネットワークの柔軟性と専門性を実現しています。

TONは、クロスチェーン互換性を重視し、他のブロックチェーンネットワークとのシームレスな対話を可能にし、エコシステムの利便性とインターブロックチェーン機能を向上させます。TONの最も注目すべき革新の1つは、その無限のシャーディングパラダイムで、ネットワークがトランザクション負荷に応じてシャードの数を動的に調整できるようになります。負荷が高い場合、TONはシャードを分割してより多くのトランザクションを処理します。負荷が低い場合、シャードはリソースを節約し、全体の効率を向上させるために統合されます。この水平スケーリング設計により、TONはパフォーマンスを犠牲にすることなく、トランザクションの需要が増加しても対応し、DeFiのような大容量アプリケーションをサポートします。

さらに、TONは、データ転送時間がブロックチェーンの数に比例して対数的にスケーリングされるHypercubeテクノロジーを導入しています。これは、TONネットワークが数百万のチェーンに拡大しても、その処理速度と応答時間は影響を受けないことを意味します。理論的には、TONは最大43億のワークチェーンをサポートできますが、現在の実装にはマスターチェーンとベースチェーンのみが含まれています。この革新的なアーキテクチャは、高負荷、高同時実行性環境におけるTONの可能性を示し、ブロックチェーン技術の幅広い採用を促進します。

ソース：シャード | オープンネットワーク

未来の研究方向

シャーディング技術の潜在的な発展

• クロスチェーン互換性：シャーディング技術の進歩により、異なるブロックチェーンネットワーク間で情報やアセットを交換する需要が高まるにつれ、インターチェーン通信がますます重要になってきます。将来的なシャーディング技術では、PolkadotのリレーチェーンやCosmosのIBCなどのクロスチェーン通信プロトコルがさらに統合され、シャードやチェーン間でシームレスな相互作用が可能になる可能性があります。
• シャードガバナンスによる強化セキュリティ：ダイナミックなシャードの調整と柔軟なガバナンスメカニズムは、将来の研究の重点となります。シャードチェーンは依然としてセキュリティと分散化のバランスを取る上で課題を抱えています。経済的なインセンティブメカニズムやシャードバリデーターの共有といった新しいセキュリティモデルは、シャードチェーンへの攻撃リスクを低減するために探究されます。
• プライバシー保護との統合：シャーディングとプライバシー保護の組み合わせは、データに敏感なアプリケーションにおいて重要になります。ゼロ知識証明や信頼実行環境（TEE）などの技術が、シャーディングのスケーリングに伴うデータセキュリティを確保する重要な部分となる可能性があります。

他のブロックチェーンアーキテクチャにおける潜在的な統合と革新

• ハイブリッドアーキテクチャイノベーション：将来のブロックチェーンアーキテクチャは、シャーディングをDAG（有向非巡回グラフ）と統合したり、マルチレイヤーブロックチェーンアーキテクチャを組み合わせるなど、複数のテクノロジーを組み合わせることがあります。マルチレイヤーチェーンは、マスターチェーンとサイドチェーンを活用して、より効率的なデータシャーディングやクロスチェーンの拡張を実現できます。たとえば、マスターブロックチェーンはセキュリティとコンセンサスに焦点を当て、一方でサイドチェーンはより柔軟なシャード処理を担当することができます。
• Quantum Computingへの適応: 量子コンピューティングの進展に伴い、ブロックチェーンのアーキテクチャは量子互換性をますます考慮するようになります。量子コンピューティングの計算および暗号化の利点は、シャーディングの効率を向上させる可能性があります。同時に、現在の暗号化アルゴリズムに対する量子脅威に対する注意が特にシャード間通信および検証メカニズムに必要です。
• AI駆動型のインテリジェントシャード管理：人工知能と機械学習を活用して、シャードの負荷予測、トラフィック予測、動的シャード調整などを自動化し最適化することができます。将来的には、AI駆動型のシャード管理により、ブロックチェーンはリソースの割り当てを適応的に最適化し、全体的なネットワーク効率とユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。

結論

シャーディング技術は、ブロックチェーンネットワークを複数の独立した並列の「シャード」に分割し、個々のノードの負荷を効果的に減らし、トランザクション処理能力を向上させます。これは、ブロックチェーン分野の中心的な焦点になっています。Ethereum 2.0のダンクシャーディングからTONの無限シャーディングパラダイムまで、増え続けるブロックチェーンネットワークが、トランザクションスループットの増加する需要に応えるために、シャーディング技術を探求し、実装しています。一方、クロスチェーンの互換性やデータの利用可能性といった課題は、異なるブロックチェーン間の協力や資産の流動性を促進する新しい技術革新を生み出しています。

しかし、シャーディング技術の実装には課題もあります。セキュリティ、データの一貫性、クロス共有通信の効率などの問題は、さらなる突破口が必要です。将来を見据えると、シャーディング技術はブロックチェーンを高性能で広範な適用が可能な新しい時代に導いていくでしょう。技術が成熟するにつれて、シャーディングのアーキテクチャはより柔軟で安全になり、より多くの分散型アプリケーション（DApps）や金融イノベーションをサポートし、最終的にはグローバルなブロックチェーンエコシステムにより持続可能性とイノベーションをもたらすでしょう。