著者

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鯨研究所: チェン・ホンイーとワン・ファン

ノード研究センター: Ma Xuying、Cai Chenxi、Lang Hanwei

ハッシュアカデミー: アルフレッド LJ

協賛メディア（順不同）

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01.シャーディングとは

1.1 断片化によりブロックチェーンの拡張問題が解決される

現在のブロックチェーン拡張スキームは主に 3 つの異なるレイヤーに分かれています。シャーディングと DAG (有向非巡回グラフ) は、ブロックチェーン自体のアーキテクチャを変更するレイヤー 1 に属します。シャーディングは現在大きな注目を集めており、シャーディング技術に重点を置いたパブリックチェーンは投資機関に好まれており、レイヤー2のサイドチェーン、サブチェーン、ステートチャネルとともにイーサリアムの公式拡張計画にもシャーディングが含まれています。

1.2 シャーディングの原理

シャーディングは実際には、大規模なデータベースを、データ シャードと呼ばれる、より小さく、より高速で、より管理しやすい部分に分割する従来のデータベース手法です。パブリックチェーンでは、複数のネットワークデバイスを利用して転送を並列処理する機能を獲得し、転送検証の負荷を分散します。これにより、ネットワークが多数の小さな部分、つまり「シャード」処理に自動的に分割されるため、各小規模ネットワークは小規模なコンセンサス プロトコルのみを実行する必要があります。ネットワーク上のトランザクションは、ネットワーク上のさまざまなノードで構成されるさまざまなシャードに分割されます。したがって、各ノードは受信トランザクションのほんの一部を処理するだけでよく、ネットワーク上の他のノードと並行して処理することで大量の検証作業を実行できます。ネットワークをシャードに分割すると、より多くのトランザクションを同時に処理および検証できるようになります。このため、シャーディング技術は並列処理方式を採用しており、参加ノード数が多いほどネットワークでの承認速度が速くなります。簡単に言うと、シャーディングとは、パフォーマンスを向上させるために、大きなタスクを並列処理できる複数の小さなタスクに分割することです。

図ではイーサリアムのネットワークを2つの部分に分けており、左側の部分L1が既存のイーサリアムのメインチェーン、右側の部分L2がそれぞれ独立したアカウント空間である各シャードです。各シャードは独立したブロックチェーンに相当する専用ノードによって維持され、各シャードは自身のレコードを要約してメインチェーンに送信します。メイン チェーンは各シャードの概要を収集し、メイン チェーン ブロック (N+1) を生成します。ただし、メイン チェーンは、特定のトランザクションの詳細ではなく概要を収集します。

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02. ブロックチェーンとシャーディング技術

2.1 シャーディングテクノロジーの層

現在主流の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、ステートシャーディングの3つのレベルに分かれており、技術的な難易度も順に上がっています。主な核心は、シャード内のノードが一貫性​​を達成し、悪意のある攻撃者による制御を防ぐ必要があること、およびトランザクションとスマート コントラクトのステータスが異なるシャード間で一貫していることを保証するために、シャード間の情報送信メカニズムが必要であるということです。

1.ネットワークの断片化

ネットワークはランダム性を利用して VRF 方式を使用してノードをランダムに選択し、シャードを形成し、悪意のあるノードが特定のシャードを占有するのを防ぐことができます。シャード内のノード間の合意は、pBFT などの合意メカニズムを通じて達成できます。

2.トランザクションシャーディング

1) 台帳シャーディング: UTXO ベースのシステムでは、システムは送信者のアドレスに従ってシャードを割り当てることができます。これにより、2 つの二重支出トランザクションが同じシャード内で確実に検証されるため、システムはシャード間通信を行わずに二重支出トランザクションを簡単に検出できます。

2) クロスレジャーシャーディング: 非 UTXO システムでは、二重支出を防ぐために、検証プロセス中にシャードが相互に通信する必要があります。実際、二重支払いトランザクションはどのシャードでも発生する可能性があるため、特定のシャードで受信したトランザクションは他のすべてのシャードと通信する必要があります。この相互間の通信コストが高いと、トランザクション シャーディングの本来の目的が損なわれる可能性があります。

3.状態シャーディング

このテクノロジーの鍵は、ストレージ領域全体を分離し、異なるシャードに異なる部分を格納することです。各ノードは、完全なブロックチェーンの状態を格納するのではなく、独自のシャード データをホストすることのみを担当します。状態シャーディングが提案されると、課題が伴います。

ステートシャーディングされたブロックチェーンでは、ステートの一部のみが特定のシャードに保持されます。アカウントの 1 つが、もう一方のアカウントに金額を支払うトランザクションを作成したとします。トランザクションは最初のシャードによって処理され、トランザクションが検証されると、最初のアカウントの新しい残高に関する情報が、そのアカウントが存在するシャードと共有される必要があります。 2 つのアカウントが異なるシャードで処理される場合、これには頻繁なシャード間通信と状態交換が必要になる場合があります。シャード間の通信が状態シャーディングによるパフォーマンスの向上を上回らないようにすることは、未解決の研究課題のままです。

状態シャーディングの 2 番目の課題は、データの可用性です。たとえば、何らかの理由で、特定のシャードが攻撃されてオフラインになった場合などです。シャードはシステムの完全な状態を複製しないため、ネットワークはオフラインのシャードに依存するトランザクションを検証できなくなります。したがって、このような状況ではブロックチェーンは基本的に使用できません。この問題の解決策は、アーカイブを維持するか、ノードのバックアップを作成することです。これにより、システムが障害から回復し、使用できないデータが復元されます。ただし、これによりノードはシステムの状態全体を保存する必要があるため、集中化のリスクも生じる可能性があります。

シャーディング メカニズムでは、シャードが攻撃や障害に対して確実に回復できるようにする必要があり、ネットワークは新しいノードを受け入れ、それらをランダムな方法で異なるシャードに割り当てる必要があります。ただし、状態シャーディングの場合、ノードの再割り当ては困難です。ネットワークの再調整中に、同期が完了する前にシステム全体が無効になる問題が発生する可能性があります。システムの停止を防ぐには、すべてのノードがクリアされる前に、各シャードに十分な数の古いノードが残るようにネットワークを徐々に調整する必要があります。同様に、新しいノードがシャードに参加すると、システムはノードがシャードの状態と同期するのに十分な時間を確保する必要があります。

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03. 断片化プロジェクトの分析

3.1 シャーディングプロジェクトのリスト

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04. シャーディングプロジェクトの投資ロジック

4.1 技術的実現の可能性

シャーディングの技術的難易度は非常に高く、特にステートシャーディングはコンピューターサイエンスの理論では十分に解決されていないため、世界のトップの技術チームのみがブレークスルーを期待できます。

4.2 他の拡張技術との組み合わせ

フラグメンテーションは DAG、状態チャネルなどを補完することができ、それぞれが独自の利点を発揮してシステム全体の拡張を実現します。

4.3 サービス品質が商用レベルに達するかどうか

スケーラビリティが改善されるかどうかは、最終的には市場によってテストされる必要があります。現時点では、ほとんどのシャーディング プロジェクトとアプリケーションは商用化には程遠いですが、シャーディング プロジェクト間の異なるブロック間の相互接続をどのように解決し、合理的なスマート コントラクトを作成するかを検討します。これらの側面でより優れたソリューションを設計できれば、この業界で競争力の高いプロジェクトになる可能性があります。

4.4 プロジェクトの革新性と厳格さ

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05. シャーディング技術の今後の展望

5.1 技術的な利点

フラグメンテーションは、ビットコインやイーサリアムに代表される従来のコンセンサスメカニズムとは根本的に異なります。シャーディング技術では、多者間の合意を形成しながら、ノード増加によるネットワーク混雑の問題を解決します。たとえば、zillqa の最近のテスト実験では、わずか 3600 ノードと 6 シャードで 1 秒あたり 2,000 トランザクションのトランザクション パフォーマンスを達成できることが示されており、イーサリアムの既存のマイナーを Zilliqa に移植すれば、Zilliqa のパフォーマンスはそれ以上に達する可能性があります。イーサリアムの1000倍。これは直列から並列への単純な移行のように見えますが、ブロックチェーン テクノロジーの開発に最適化の余地がさらに広がります。

5.2 開発の障害

シャーディング テクノロジーの利点により、ますます多くの実務者がシャーディング テクノロジーに注目し、サポートし始めています。この側面はシャーディング テクノロジーの最適化を促進しますが、特定の問題も引き起こします。

シャーディング テクノロジーはパフォーマンスの問題の解決に焦点を当てている一方で、一部の参加者は TPS 競争に夢中になりすぎて、そのセキュリティ保証を無視しています。

一方で、シャーディングテクノロジーの普及により、多くの人がシャーディングテクノロジーの起業に盲目的に参加していますが、シャーディングのガバナンスと分割のバランスが理解できておらず、単にシャーディングのロジックが正しいと考えている人も多くいます。要は、この厳格さの欠如は技術の発展を妨げるだけでなく、技術に対する市場の信頼を傷つけ、さらにはより深刻な結果をもたらすことになるでしょう。

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参考資料:

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20160527 Rootstock がテストネットワークをリリース Bitcoin がスマートコントラクトを先導

20170528 ASCHシステム、イーサリアムのアップグレード版

20170708 VitalikからR3に提供されたクロスチェーン技術レポート

20180109 詳細分析: ブロックチェーン クロスチェーン テクノロジー

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Vitalik Buterin 《Sharding doc》

Vitalik Buterin  《Chain Interoperaability》

編集者：陳文陽

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