シャードチェーン

暗号資産におけるシャードチェーンとは？

シャードチェーンとは、より大規模なブロックチェーンネットワークのデータ、トランザクション、または状態の一部を処理するよう設計された、小さなブロックチェーン区分です。

一つのチェーンですべてのユーザーの全トランザクションを処理する代わりに、シャードチェーン設計では、連携する複数のチェーンに処理負荷を分散します。

各シャードチェーンは割り当てられた処理を担いながら、より大きなブロックチェーンシステムとの接続を維持できます。

シャードチェーンの主な目的はスケーラビリティです。

ブロックチェーンの利用が広がると、より多くのユーザー、ウォレット、アプリケーション、スマートコントラクトが限られたブロックスペースを競い合います。

需要が高い時期には、ネットワークの処理が遅くなり、コストが上昇する可能性があります。

シャードチェーンは、ネットワークの複数の部分を並行して処理できるようにし、容量を増やす方法として提案されました。

簡単に言えば、シャードチェーンは大規模な高速道路網の一車線のようなものです。

各車線は交通の一部を担いますが、高速道路全体では共通のルール、調整、安全システムが必要です。

暗号資産におけるシャードチェーンは、単に独立したサイドネットワークであればよいわけではありません。

メインプロトコルのセキュリティ、バリデーター間の調整、コンセンサスルールと接続されている必要があります。

シャードチェーンの簡単な定義

シャードチェーンとは、シャーディングされたブロックチェーンアーキテクチャ内の一つのチェーンです。

ネットワーク全体の処理負荷すべてではなく、その一部を保存または処理します。

ブロックチェーンでは、スループットを高め、各ノードの負担を減らすために複数のシャードチェーンを使う場合があります。

この概念は、大規模なシステムをシャードと呼ばれる小さな部分に分割するシャーディングと密接に関係しています。

シャードチェーンは、その考え方をチェーン形式で実現したものです。

各シャードに独自のブロック履歴やデータ経路を持たせ、調整レイヤーがすべてのシャードチェーンの整合性を保ちます。

シャードチェーンの仕組み

シャードチェーンは、ネットワークの処理の一部を小さなチェーンに割り当てて機能します。

割り当てられる処理には、トランザクション、スマートコントラクトのデータ、アカウント残高、データ可用性に関するタスクなどが含まれる場合があります。

その後、バリデーターやノードグループがシャードチェーンを確認し、そのデータがプロトコルのルールに従っていることを確かめる役割を担います。

多くの設計では、一つのシャードが少数のグループに支配されるリスクを下げるため、バリデーターをシャードチェーン間でローテーションさせます。

中央の調整レイヤー、ビーコンチェーン、またはメインのコンセンサスシステムが、通常は各シャードチェーンの状態を追跡します。

この調整レイヤーにより、どのシャードチェーンのブロックが有効かについてネットワークが合意しやすくなります。

また、バリデーターの割り当て、ファイナリティ、ランダム性、シャード間通信の管理にも役立つ場合があります。

共通の調整がなければ、シャードチェーンがセキュリティの弱い、または一貫性のない独立したブロックチェーンになる可能性があります。

シャードチェーンを並行して処理させながら、一つの大きなブロックチェーンエコシステムとして機能させることが目標です。

ブロックチェーンのスケーリングでシャードチェーンが重要だった理由

初期のブロックチェーン設計は、世界規模で無制限に利用されることを想定していなかったため、シャードチェーンが重要視されるようになりました。

単一チェーンのネットワークはシンプルで安全ですが、多数のユーザーが同時にトランザクションを送信すると混雑する可能性があります。

各ノードが同じ情報をダウンロード、検証、保存しなければならない場合もあります。

これによりトラストレス性を維持できますが、スループットは制限されます。

シャードチェーンは、このボトルネックを減らすために設計されました。

一つのブロックチェーンを複数のシャードチェーンに分割できれば、すべてのノードにあらゆる作業を求めずに、ネットワーク全体でより多くの処理を実行できます。

これにより、決済、ゲーム、分散型金融、IDシステム、トークン化資産などの分散型アプリケーションが利用しやすくなる可能性があります。

ただし、シャードチェーンは新たな課題も生みます。

ネットワークは複数のチェーンを調整し、各シャードを攻撃から守り、ユーザーがシャード間で安全にやり取りできるようにする必要があります。

シャードチェーンとシャーディングの違い

シャーディングは、ブロックチェーンの処理負荷を小さな単位に分割する一般的な手法です。

シャードチェーンは、シャーディングによって構成される一つの形態です。

シャーディングは、ネットワーク、トランザクション、状態、またはデータ可用性に適用できます。

シャードチェーンは通常、システムの一部を処理する、独立したチェーンに似た区分を指します。

たとえば、ブロックチェーンに複数のシャードチェーンを設け、それぞれが異なるアカウント群やスマートコントラクトを処理する場合があります。

各シャードチェーンはブロックを生成し、ローカル状態を管理して、共通のコンセンサスレイヤーに結果を報告することがあります。

この点で、シャードチェーンは、より広い概念であるシャーディングより具体的な仕組みです。

シャードチェーンとサイドチェーンの違い

シャードチェーンはサイドチェーンと同じものではありません。

サイドチェーンは通常、メインブロックチェーンと並行して稼働する独立したブロックチェーンで、独自のバリデーターセット、ブリッジ、セキュリティモデルを持つ場合があります。

シャードチェーンは通常、同じプロトコルの一部となり、ネットワーク全体のセキュリティを共有するよう設計されています。

この違いはユーザーにとって重要です。

サイドチェーンのセキュリティが弱い場合、そこに移動した資産は異なる信頼上の前提に依存する可能性があります。

適切に設計されたシャードチェーンは、メインネットワークのコンセンサスおよびバリデーターシステムとの接続を維持する必要があります。

実際には、プロトコルごとに用語の定義が異なる場合があるため、資金やデータをどのように保護しているかを確認してください。

シャードチェーンとLayer 2の違い

シャードチェーンはLayer 2ネットワークとも異なります。

Layer 2システムは、ベースレイヤーの外でトランザクションを処理し、その後、証明、データ、または結果をベースブロックチェーンに送信します。

シャードチェーンは通常、ベースプロトコル自体のスケーリング構造の一部とみなされます。

Layer 2システムとシャードチェーンはどちらもスケーラビリティの向上に役立ちますが、方法は異なります。

Layer 2スケーリングでは、実行処理をベースレイヤーの外に移します。

シャードチェーンでは、ベースレイヤーの処理を連携する複数のチェーンに分割します。

現在のEthereumのスケーリングでは、従来型のシャードチェーンよりもロールアップとデータ可用性に重点が置かれています。

公式のEthereumスケーリングドキュメントでは、シャーディングは長年Ethereumのロードマップに含まれていたものの、Layer 2スケーリングの台頭によって優先事項が変わったと説明されています。

Ethereumとシャードチェーンの歴史

暗号資産ユーザーが「シャードチェーン」という用語を目にする最も一般的な場面は、Ethereumに関する説明です。

以前のEthereumの計画では、ネットワークを複数の並列チェーンに分割することで、シャードチェーンがEthereumのスケーリングを支えると想定されていました。

これらのシャードチェーンによって、ネットワークが処理できるデータ量とトランザクション数を増やす計画でした。

将来のスケーリングアップグレードを支えるProof of Stakeの調整レイヤーとして、ビーコンチェーンが導入されました。

公式のEthereumビーコンチェーンドキュメントでは、シャーディングをエコシステムに安全に導入するにはProof of Stakeのコンセンサスが必要だったと説明されています。

EthereumがThe Mergeを完了した後も、ロードマップは進化を続けました。

ロールアップが主要なスケーリング手段となり、Ethereumは従来型のシャードチェーンから方向転換しました。

公式のEthereum Dankshardingロードマップには、シャードチェーンはロードマップに含まれていないと記載されています。

これは、現在の用語を理解するうえで特に重要な変更点です。

シャードチェーンは今もEthereumのロードマップに含まれていますか？

従来型のシャードチェーンは、現在のEthereumのロードマップには含まれていません。

Ethereumのスケーリング方針は、ロールアップ、blob、Proto-Danksharding、Danksharding、データ可用性サンプリングに重点を置いています。

これは、「シャーディング」という言葉が使われなくなったという意味ではありません。

Ethereumが実行シャードチェーンから、データに重点を置いたシャーディングへ移行したということです。

トランザクション実行用の独立したシャードチェーンを多数作るのではなく、ロールアップがベースレイヤーに公開できるデータ量を増やしています。

これにより、Ethereumが決済、コンセンサス、データ可用性を提供し続けながら、Layer 2システムがより多くのトランザクションを処理できます。

したがって、現在のEthereumのロードマップはシャードチェーン中心ではなく、ロールアップ中心です。

現在のユーザーにとって、シャードチェーンは今日直接利用する機能というより、Ethereumの過去の用語である場合が多いといえます。

Ethereumのシャードチェーンに代わるもの

Ethereumのシャードチェーンは、Dankshardingを中心とするデータスケーリングのロードマップに置き換えられました。

Dankshardingは、ロールアップのデータ可用性を拡大し、Ethereumのスケーラビリティを高めるよう設計されています。

ロールアップはベースレイヤー外でトランザクションを処理しますが、ユーザーや検証者が処理を確認できるよう、十分な情報を公開するためのデータ領域が必要です。

Ethereumがこのモデルに向けて進めた最初の大きな段階がProto-Dankshardingです。

Proto-DankshardingはEIP-4844を通じて導入され、blob付きトランザクションが追加されました。

公式のEIP-4844仕様では、blob付きトランザクションは、大量のデータを含み、そのコミットメントにEthereum Virtual Machineからアクセスできる形式として説明されています。

blobは、ロールアップデータの公開をより効率化するために設計された一時的なデータオブジェクトです。

Dencunアップグレードにより、2024年3月13日にProto-DankshardingがEthereumメインネットで有効になりました。

公式のEthereum Dencun FAQでは、Dencunによってロールアップデータをより低コストで保存するための一時的なデータblobが導入されたと説明されています。

シャードチェーンとデータ可用性

データ可用性は、シャードチェーンに関わる技術的な主要課題の一つです。

データ可用性とは、ブロックチェーン上の処理を検証するために必要なデータを、ネットワークが実際に利用できる状態にすることです。

シャードチェーンは独自のデータを処理できますが、ネットワーク全体として、そのデータが利用可能で有効であると確信できる必要があります。

シャードチェーンのデータが隠されると、ユーザーが残高、トランザクション、スマートコントラクトの結果を検証できない可能性があります。

これは重大なセキュリティリスクにつながる場合があります。

ブロックの生成が速いだけでは不十分なため、近年のスケーリング研究ではデータ可用性が重視されています。

誠実な参加者が実際に何が起きたかを確認できることも、ブロックチェーンには必要です。

公式のEthereumデータ可用性ドキュメントでは、ロールアップやライトクライアントが検証のためにデータへ確実にアクセスする必要がある理由を説明しています。

そのため、近年のシャーディングに関する議論では、データ可用性サンプリングが重要になっています。

データ可用性サンプリングを使うと、ノードはすべてのデータを直接ダウンロードするのではなく、ランダムに選ばれた小さなデータ片を確認できます。

シャードチェーンとバリデーター

バリデーターは、シャードチェーンシステムのセキュリティ維持を担います。

Proof of Stakeブロックチェーンでは、バリデーターが資産をステークとしてロックし、有効なブロックについてネットワークが合意するのを支援します。

シャードチェーン設計では、異なるバリデーターを別々のシャードチェーンに割り当てる場合があります。

バリデーターはトランザクションを確認し、ブロックの有効性に投票し、シャードの状態の確定を支援します。

攻撃者が特定のシャードを狙いにくくするため、無作為な割り当てがよく使われます。

バリデーターのローテーションも、一つのシャードチェーンが長期にわたり支配されるリスクを下げる可能性があります。

公式のEthereum Proof of Stakeドキュメントでは、Ethereumのコンセンサスシステムにおけるバリデーターのブロック提案とアテステーションについて説明されています。

Ethereumは従来型のシャードチェーンを計画していませんが、スケーリングとセキュリティのロードマップでは、引き続きバリデーター間の調整が重要です。

シャード間通信

シャード間通信とは、シャードチェーン間で情報や価値を送信することです。

これはシャードチェーン設計における最も難しい課題の一つです。

2人のユーザーが同じシャードチェーンを利用している場合、トランザクションはシンプルなものになる可能性があります。

別のシャードチェーンとのやり取りが必要な場合、ネットワークにはシャード間でメッセージを安全に送る方法が必要です。

異なるシャードにある別のコントラクトのデータを必要とする場合があるため、スマートコントラクトが関わると、さらに複雑になります。

シャード間通信システムが不十分だと、遅延、トランザクションの失敗、セキュリティ上の脆弱性につながる可能性があります。

優れたシステムでは、二重支払い、リプレイ攻撃、状態更新の不整合、メッセージの順序に関する問題を防ぐ必要があります。

多くのブロックチェーンのロードマップがシャードチェーンの研究を慎重に進めてきた理由の一つが、これです。

シャードチェーンのメリット

シャードチェーンの主なメリットは、スケーラビリティの向上です。

複数のシャードチェーンが処理を並行して行うことで、ブロックチェーンネットワーク全体の容量を高められる可能性があります。

また、各バリデーターやノードにかかる負荷を減らすこともできます。

すべてのノードがすべてのトランザクションを処理する必要はなく、割り当てられたシャードチェーンの役割だけを担えばよい場合があります。

これにより、必要なハードウェアの水準をより現実的に抑えられる可能性があります。

ハードウェアの負担が軽減されれば、ネットワークに参加できる人が増え、分散化を支えられる可能性があります。

シャードチェーンは、頻繁なトランザクションや大量のデータを必要とするアプリケーションを構築するための余地を開発者に提供することもあります。

安全に実装されれば、混雑を緩和しコストを下げることで、ユーザー体験の向上につながる可能性があります。

シャードチェーンのリスク

シャードチェーンには重大なリスクもあります。

一つは、シャード単位でのセキュリティが弱くなるリスクです。

攻撃者が一つのシャードチェーンに割り当てられたバリデーターを十分な数だけ支配すると、そのシャードが脆弱になる可能性があります。

もう一つは、シャード間通信の複雑さです。

シャードチェーン間のトランザクションには、慎重なメッセージ送信、ファイナリティルール、状態の同期が必要です。

シャードチェーンは、ブロックチェーンソフトウェアの開発や保守を難しくする可能性もあります。

複雑さが増すと、バグ、クライアントの障害、予期しないネットワークの挙動が起こる可能性も高まります。

データ可用性も大きなリスクの一つです。

ユーザーがシャードチェーンのブロックの根拠となるデータにアクセスできなければ、チェーンの有効性を検証できない場合があります。

こうしたリスクがあるため、シャードチェーンの設計には、十分な研究、監査、テストネット、段階的な導入が必要です。

近年の暗号資産分野におけるシャードチェーンの使われ方

現在、「シャードチェーン」という用語は主に二つの意味で使われています。

一つ目は、複数の小さなチェーンが一つのセキュリティモデルを共有する、一般的なブロックチェーンアーキテクチャを指す使い方です。

二つ目は、現在ではデータ中心のスケーリングに置き換えられた、Ethereumの以前のスケーリング計画を指す使い方です。

古い記事の多くが、Ethereumのシャードチェーンをこれから導入されるかのように説明しているため、この違いは重要です。

その説明は現在では古くなっています。

現在のEthereumロードマップは、従来型のシャードチェーンではなく、ロールアップとデータシャーディングに重点を置いています。

ほかのブロックチェーンエコシステムでは、シャードに似た設計が引き続き使われている場合がありますが、具体的な構造はプロトコルによって異なります。

たとえば、スループットを高めるために、シャード、チャンク、分割された状態を利用するネットワークもあります。

調べているブロックチェーンの最新の技術ドキュメントを必ず確認してください。

シャードチェーンとモジュラーブロックチェーン

シャードチェーンは、モジュラーブロックチェーンの概念とも関連しています。

モジュラーブロックチェーンでは、実行、決済、コンセンサス、データ可用性といった主要な機能を分離します。

シャードチェーン設計は、ブロックチェーンの処理を異なる構成要素に分ける一つの方法とみなすことができます。

ただし、近年のモジュラー設計では、従来型の実行シャードチェーンよりも、ロールアップや専用のデータ可用性レイヤーが重視されることが多くなっています。

この変化は、暗号資産インフラ全体の大きな流れを反映しています。

一つのチェーンですべてを処理するのではなく、プロトコルは役割を異なるレイヤーに分けるようになっています。

これにより、ベースレイヤーをセキュリティと検証に集中させながら、スケーラビリティを高められる可能性があります。

シャードチェーンの例

4つのシャードチェーンを持つブロックチェーンを想像してください。

シャードチェーンAは、あるアカウントグループを処理します。

シャードチェーンBは、別のアカウントグループを処理します。

シャードチェーンCは、別のスマートコントラクト群を担当します。

シャードチェーンDは、ネットワーク処理の別の部分を担当します。

各シャードチェーンは、それぞれに割り当てられた範囲のブロックを生成します。

中央のコンセンサスレイヤーは、すべてのシャードチェーンから届く要約やコミットメントを記録します。

シャードチェーンAのユーザーがシャードチェーンC上のコントラクトとやり取りする必要がある場合、ネットワークはシャード間通信を使ってその処理を完了します。

この仕組みで容量を増やせる可能性がありますが、慎重な調整も必要です。

シャードチェーンに関するよくある誤解

シャードチェーンが、あらゆる状況で自動的に高速になるわけではありません。

速度は、プロトコルの設計、バリデーターの性能、ネットワーク帯域幅、シャード間通信に左右されます。

シャードチェーンによって、ユーザーのコストが自動的に下がるわけでもありません。

手数料は、需要、データコスト、実行コスト、アプリケーションの利用状況にも左右されます。

シャードチェーンは、独立したブリッジを備えた別個のブロックチェーンと同じものではありません。

本来のシャードチェーンは、共通のプロトコルとセキュリティモデルの一部である必要があります。

また、シャードチェーンは現在のEthereumのスケーリング計画でもありません。

Ethereumでは現在、従来型のシャードチェーンではなく、データ可用性のアップグレードを伴うロールアップ中心のロードマップが採用されています。

ユーザーにとってシャードチェーンが重要な理由

シャードチェーンは、ブロックチェーンがスケーラビリティの課題を解決するために試みてきた主要な方法の一つを理解するうえで重要です。

ユーザーがシャードチェーンを直接利用することがなくても、この概念は手数料、トランザクション速度、アプリケーション設計、ネットワークセキュリティに影響します。

シャードチェーンを理解すれば、古くなった情報を見分けるのにも役立ちます。

古い暗号資産関連の解説では、シャードチェーンをEthereumの将来のスケーリング手段として紹介しているものが多くあります。

これは現在のEthereumロードマップについては正確ではありません。

現在のスケーリングは、ロールアップ、blob、データ可用性サンプリング、モジュラーアーキテクチャへの依存を強めています。

こうした知識は、ネットワーク、ウォレット、アプリケーション、インフラに関する主張を評価する際に、より適切な判断を行う助けになります。

開発者にとってシャードチェーンが重要な理由

シャードチェーンは、アプリケーションによるデータの保存方法やネットワーク内での通信方法を変える可能性があるため、開発者にとって重要です。

単一チェーンのアプリケーションでは、すべてのスマートコントラクトが同じ実行環境を共有すると想定できることがよくあります。

シャードチェーンを利用するアプリケーションでは、シャード間の非同期通信に対応する必要がある場合があります。

これは、ユーザー体験、コントラクト設計、トランザクションの順序、エラー処理に影響する可能性があります。

開発者は、各スケーリングモデルのセキュリティ上の前提も理解する必要があります。

ロールアップ中心のシステムでの開発は、従来型のシャードチェーンシステムでの開発とは異なります。

現在のEthereum開発では、直接シャードチェーンを導入するより、Layer 2での実行やblobを利用したデータ可用性について考える機会のほうが多いでしょう。

FAQ

シャードチェーンとはどういう意味ですか？

シャードチェーンとは、シャーディングされたブロックチェーンシステム内で、ネットワークのデータ、トランザクション、または状態の一部を処理する小さなチェーンです。

シャードチェーンの目的は何ですか？

シャードチェーンの目的は、ブロックチェーンネットワークの異なる部分が並行して処理を行えるようにし、スケーラビリティを高めることです。

シャードチェーンはシャーディングと同じですか？

いいえ。シャーディングは一般的なスケーリング手法であり、シャードチェーンはシャーディング設計によって作られる、チェーン形式の区分の一つです。

シャードチェーンはサイドチェーンと同じですか？

いいえ。シャードチェーンは通常、同じプロトコルと共有セキュリティモデルの一部ですが、サイドチェーンは通常、独自のセキュリティモデルを持ちます。

Ethereumは現在もシャードチェーンを導入する計画ですか？

いいえ。Ethereumの現在のロードマップに従来型のシャードチェーンは含まれておらず、代わりにロールアップ、blob、Proto-Danksharding、Danksharding、データ可用性サンプリングに重点が置かれています。

Ethereumではシャードチェーンに何が取って代わりましたか？

Ethereumでは、従来型のシャードチェーンのロードマップに代わり、Proto-Danksharding、Danksharding、blob、ロールアップのデータ可用性を通じたデータ中心のスケーリングが進められています。

シャードチェーンの構築が難しいのはなぜですか？

安全なバリデーターの割り当て、シャード間通信、データ可用性、多数のチェーン区分間の調整が必要なため、シャードチェーンの構築は困難です。

シャードチェーンによってトランザクション手数料を削減できますか？

シャードチェーンは容量を増やすことで手数料の削減に役立つ可能性がありますが、手数料はネットワーク需要、データコスト、実行コスト、プロトコル設計にも左右されます。

シャードチェーンは安全ですか？

強固なコンセンサス、バリデーターの無作為割り当て、セキュリティの共有、信頼性の高いデータ可用性、安全なシャード間メッセージングを採用すれば、シャードチェーンは安全に運用できる可能性があります。

暗号資産ユーザーがシャードチェーンについて学ぶべき理由は何ですか？

シャードチェーンはブロックチェーンのスケーラビリティを理解するうえで重要であり、古くなったスケーリングに関する主張と現在のプロトコルロードマップを区別する助けになるため、暗号資産ユーザーが学ぶ価値があります。

まとめ

シャードチェーンとは、シャーディングされたブロックチェーンアーキテクチャにおける、チェーン形式の区分です。

複数の連携するチェーンに処理を分散し、スケーラビリティを高めることを目的としています。

適切に設計されれば、シャードチェーンはスループットを高め、ノードの負担を減らし、より多くのユーザーを支えられる可能性があります。

一方で、バリデーターのセキュリティ、シャード間通信、データ可用性、プロトコルの複雑さに関する課題も生じます。

初期のスケーリングに関する議論でシャードチェーンを広く知らしめたEthereumですが、現在のロードマップでは従来型のシャードチェーンを採用していません。

近年のEthereumのアプローチは、ロールアップ、blob、Proto-Danksharding、Danksharding、データ可用性サンプリングに重点を置いています。

現在の暗号資産ユーザーにとって、シャードチェーンは重要なスケーリング概念であり、Ethereumロードマップの過去の一部として理解するのが最も正確です。

より広い観点から見ると、ブロックチェーンには、分散化、セキュリティ、パブリックな検証可能性を損なわずにスケーリングする方法が必要です。