シャーディング

暗号資産におけるシャーディングとは？

シャーディングとは、ネットワークのデータ、処理負荷、または状態を「シャード」と呼ばれる小さな単位に分割するブロックチェーンのスケーリング手法です。

各シャードはネットワーク全体の処理の一部を担います。これにより、ブロックチェーンはより多くのトランザクションを処理し、より多くのユーザーをサポートできる可能性があります。

暗号資産分野では、すべてのノードがすべてのトランザクションを同じ方法で処理する必要なく、スケーラビリティを高める方法としてシャーディングが主に議論されています。

従来のブロックチェーンでは、多くのノードが同じデータ一式を保存、検証、更新する必要があることがよくあります。

この設計は安全性が高く、検証も容易ですが、ネットワーク需要が増えるとトランザクションの処理能力が制限される可能性があります。

シャーディングは、異なるノードグループがネットワークの異なる部分を処理できるようにすることで、この問題の解決を目指します。

その目的は、分散化とセキュリティを維持しながら、ブロックチェーンシステムの高速化、低コスト化、効率化を図ることです。

シャーディングは、すべてのブロックチェーンで同じように機能する単一の機能ではありません。

プロトコルによって、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、データシャーディング、またはこれらを組み合わせた方式が採用される場合があります。

近年の暗号資産分野では、シャーディングはEthereumのスケーリング、データ可用性、ロールアップ、Proto-Danksharding、Danksharding、その他のモジュラーブロックチェーン設計と関連付けて議論されることがよくあります。

シャーディングの簡単な定義

シャーディングとは、ブロックチェーンを小さな部分に分割し、ネットワークがより多くの処理を並行して行えるようにする仕組みです。

シャードは、ブロックチェーンのより大きなデータシステムまたは処理システムを構成する一部分と考えることができます。

すべてのバリデーターやノードがすべてを管理する代わりに、シャーディングされたブロックチェーンでは、異なるグループに異なる役割を割り当てられます。

これにより、各ノードの負荷を軽減し、ネットワーク全体の処理能力を向上させられる可能性があります。

簡単に言えば、シャーディングは、大きな教室を小さなグループに分け、各グループが課題の一部をより早く終わらせるようなものです。

課題は、すべてのグループが最終的な結果について合意し、同じルールに従うようにすることです。

ブロックチェーンにおいてシャーディングが重要な理由

暗号資産における最大の課題の一つがスケーラビリティであるため、シャーディングは重要です。

1秒あたりに処理できるトランザクション数が少ないブロックチェーンは、需要が高まると処理が遅くなり、手数料が高くなる可能性があります。

手数料が上昇し、承認時間が長くなると、ユーザーが分散型アプリケーションの利用を避けたり、別の場所に活動を移したりすることがあります。

シャーディングは、ウォレット、分散型金融アプリケーション、ゲーム、決済ツール、トークン化資産をより多くのユーザーが利用できるよう、ネットワーク容量の拡大を目指します。

また、ブロックチェーンインフラを世界規模の金融システムやデジタルシステムに役立てるという長期的な目標も支えます。

ただし、スケーリングはセキュリティを犠牲にして実現すべきではありません。

高速化しても中央集権化したブロックチェーンは、パブリックな暗号資産ネットワークの価値を支える多くの利点を失う可能性があります。

そのため、優れたシャーディング設計では、速度、コスト、分散化、バリデーター間の調整、データ可用性のバランスを取る必要があります。

シャーディングの仕組み

シャーディングでは、ブロックチェーンの処理負荷を小さな単位に分け、それぞれを異なるネットワーク参加者に割り当てます。

基本的なシャーディング設計では、あるバリデーターグループが特定のシャードのトランザクションを処理し、別のグループが別のシャードを処理する場合があります。

各シャードは、ほかのすべてのシャードがすべての処理を終えるのを待たずに、ネットワーク内の担当部分を更新できます。

ネットワークが単一の処理経路に制限されなくなるため、この並列処理によって全体のスループットを高められます。

通常、シャード同士を連携させる調整レイヤーが必要です。

このレイヤーは、バリデーターの割り当て、シャードの出力記録、データの検証、シャード間通信の管理、攻撃からのネットワーク保護などを支援します。

適切な調整がなければ、シャードが孤立したり、整合性を失ったりする可能性があります。

優れたシャーディングシステムでは、すべてのシャードが一つの安全なブロックチェーンエコシステムの一部であり続けるようにする必要があります。

シャーディングの主な種類

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では、ピアツーピアネットワークを小さなノードグループに分割します。

各グループは、同じシャードを担当するノードとより頻繁に通信する場合があります。

すべてのノードがあらゆるメッセージをほかのすべてのノードに送る必要がなくなるため、通信のオーバーヘッドを減らせる可能性があります。

ネットワークシャーディングは効率を高められますが、ピアの検出、データ伝播、バリデーター間の調整に弱点が生じないよう、慎重に設計する必要があります。

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では、トランザクション処理を複数のシャードに分散します。

たとえば、あるアカウントグループのトランザクションを一つのシャードで処理し、別のアカウントグループのトランザクションを別のシャードで処理できます。

複数のシャードが同時にトランザクションを処理できるため、スループットを高められる可能性があります。

異なるシャードにあるアカウントやスマートコントラクトを含むトランザクションの処理は、大きな課題です。

こうしたシャード間トランザクションには、信頼性の高いメッセージ通信と決済ルールが必要です。

ステートシャーディング

ステートシャーディングでは、ブロックチェーンの状態を複数のシャードに分割します。

状態には、アカウント残高、スマートコントラクトのストレージ、アプリケーションデータ、ブロックチェーンの現在の状態を把握するために必要なその他の情報が含まれます。

ステートシャーディングにより、各ノードが保存するデータ量を大幅に削減できる可能性があります。

一方で、異なるシャードに保存された状態間のやり取りを安全に管理する必要があるため、最も難しいシャーディング方式の一つでもあります。

ステートシャーディングの設計が不十分だと、シャード間のやり取りで遅延や結果の不整合が生じたり、セキュリティリスクが高まったりする可能性があります。

データシャーディング

データシャーディングでは、すべてのトランザクション実行を分割するのではなく、データ可用性に関する役割の分担に重点を置きます。

このモデルは、Ethereumの現在のスケーリングロードマップで特に重要です。

Ethereumでは以前、シャードチェーンが議論されていましたが、現在のロードマップでは従来型のシャードチェーンを主要なスケーリング計画として採用していません。

代わりに、Ethereumはロールアップ、blob、データ可用性サンプリング、Proto-Danksharding、Danksharding、および関連するアップグレードに重点を置いています。

公式のEthereum Dankshardingロードマップでは、シャードチェーンはロードマップに含まれておらず、Dankshardingではblob全体に分散されたデータサンプリングが使われると説明されています。

シャーディングとEthereum

Ethereumのロードマップは、暗号資産業界におけるスケーリングの議論に大きな影響を与えてきたため、シャーディングを説明する際の重要な事例の一つです。

以前のEthereumの計画では、ネットワーク容量を拡大するため、複数のシャードチェーンを作ることがシャーディングを意味していました。

その後、トランザクション実行のスケーリングではロールアップが主要な方法となり、ロードマップが変更されました。

ロールアップはEthereumのベースレイヤー外でトランザクションを処理し、圧縮データや証明をEthereumに送信します。

これにより、Ethereumは決済、セキュリティ、コンセンサス、データ可用性に注力し、Layer 2システムが実行処理の多くを担えます。

公式のEthereumスケーリングロードマップでは、ロールアップがEthereumにトランザクションデータを送信し、ネットワークがロールアップの処理を検証できる仕組みが説明されています。

ロールアップには手頃な価格で利用できるデータ領域が必要なため、Ethereumのシャーディングロードマップは、個別の実行シャードチェーンではなくデータを中心とするものになっています。

そのため、近年のEthereumのシャーディングに関する議論では、Proto-Danksharding、Danksharding、blob、データ可用性サンプリングといった用語がよく使われます。

シャーディングとProto-Danksharding

Proto-Dankshardingは、EIP-4844を通じて導入されたEthereumのスケーリングアップグレードです。

このアップグレードではblob付きトランザクションが導入され、ロールアップが一時的なデータをより効率的にEthereumへ送信できるようになりました。

blobとは、通常のトランザクションのcalldataに同じ情報を恒久的に保存することなく、ロールアップのデータ可用性に利用できる大容量のデータオブジェクトです。

公式のEIP-4844仕様では、blob付きトランザクションはEthereumのデータスケーリングロードマップを支える新しいトランザクション形式として説明されています。

Proto-Dankshardingは、2024年3月13日のDencunアップグレードを通じてEthereumメインネットで稼働しました。

公式のEthereum Dencun FAQでは、Proto-Dankshardingはノード運営者間でロールアップデータを分散しやすくすることで、完全なDankshardingへの準備を整えると説明されています。

Proto-Dankshardingは、完全なシャーディングと同じものではありません。

データのコストを下げ、データ可用性をさらに向上させるための中間段階です。

シャーディングとDanksharding

Dankshardingは、Ethereumの長期的なデータシャーディング設計です。

Ethereumを多数の独立した実行チェーンに分割しない点で、従来のシャードチェーンとは異なります。

代わりに、ロールアップが利用できるデータ量を増やすことを目的に設計されています。

これにより、ロールアップはより多くのデータを低コストで送信でき、Layer 2の利用体験が向上する可能性があります。

Dankshardingはデータ可用性サンプリングにも依存します。ノードはすべてのデータをダウンロードする代わりに、ランダムに選ばれた小さなデータ片を確認できます。

こうした仕組みにより、ノード要件をより管理しやすく保ちながら、ネットワークがより多くのデータを扱える可能性があります。

独立したユーザーがノードを運営するための費用や難易度を過度に高めずに、Ethereumをスケーリングすることが目標です。

シャーディングとデータ可用性

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。

シャード間で処理を分割すると新たな検証上の課題が生じるため、データ可用性はシャーディングの重要な要素です。

データが隠されていたり利用できなかったりすると、ブロック、シャード、ロールアップのバッチが有効かどうかをユーザーが証明できない場合があります。

このため、ブロックチェーンのシャーディング設計では速度だけを重視することはできません。

トランザクションや状態変更の根拠となるデータを、誠実な参加者が確認できることも証明する必要があります。

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の可用性を確実に確認できることが重要な理由を説明しています。

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実行しながら、セキュリティについてはベースレイヤーに依存することが多いため、データ可用性は特に重要です。

ロールアップのデータを利用できなければ、ユーザーや独立した検証者がシステムの正しい状態を確認できない場合があります。

シャーディングとバリデーター

バリデーターは、現在の多くのシャーディング設計に不可欠です。

Proof of Stakeを採用するブロックチェーンでは、バリデーターがブロックの提案、ブロックへのアテステーション、データの検証、コンセンサスの維持を支援します。

シャーディングされたネットワークでは、バリデーターを異なるシャードやデータ関連の役割に割り当てる場合があります。

無作為に割り当てることで、攻撃者が特定のシャードを支配しにくくなる可能性があります。

バリデーターを定期的に入れ替えることも、時間の経過とともに担当を変更し、長期的な支配のリスクを下げるのに役立ちます。

調整システムは、バリデーターが担当するシャードと、役割の開始時期を把握できるようにする必要があります。

また、不正なバリデーターがプロトコルのルールに違反した場合に、それを検出して処罰できる仕組みも必要です。

EthereumのProof of Stakeシステムについては、公式のEthereum Proof of Stakeドキュメントで、コンセンサスメカニズ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。

シャーディングのメリット

シャーディングの最大のメリットは、スケーラビリティの向上です。

複数のシャードに処理を分散させることで、同じノード要件の単一チェーン設計よりも多くの処理をブロックチェーンで実行できる可能性があります。

また、すべてのトランザクションが同じ実行領域を奪い合う必要がなくなるため、混雑の軽減にもつながる可能性があります。

混雑が緩和されれば、特にロールアップや効率的なデータ可用性システムと組み合わせた場合に、手数料の低下が期待できます。

シャーディングによって分散型アプリケーションの動作が速くなり、利用しやすくなることで、ユーザー体験が向上する可能性もあります。

開発者にとっては、混雑したベースレイヤーではコストが高すぎる複雑なアプリケーションを構築する余地が広がります。

バリデーターやノード運営者にとって、優れたシャーディング設計は、各参加者に必要なデータ量や計算量を減らせる可能性があります。

高価なハードウェアがなくてもノードを運営できる人が増えれば、分散化の維持にも役立つ可能性があります。

シャーディングのリスクと課題

シャーディングには大きな可能性がありますが、安全に設計するのは困難です。

主な課題の一つは、シャード間通信です。

トランザクションが異なるシャードのアカウントやコントラクトとやり取りする場合、ネットワークはエラーや遅延を起こさずに結果を調整する必要があります。

もう一つの課題は、シャードのセキュリティです。

攻撃者が一つのシャードのバリデーターを十分な数だけ支配できれば、ネットワーク全体の規模が大きくても、そのシャードが脆弱になる可能性があります。

バリデーターの無作為割り当てやローテーション、暗号学的証明、経済的なペナルティは、このリスクの軽減に役立ちます。

ノードはシャードのデータが隠されていないことを検証できなければならないため、データ可用性も大きな課題です。

シャーディングはプロトコルの複雑さも増します。

複雑さが増すと、バグ、クライアントの問題、予期しない経済的挙動が生じる余地も大きくなる可能性があります。

そのため、本格的なシャーディングのアップグレードには、通常、何年にもわたる研究、テストネット、監査、段階的な導入が必要です。

シャーディングとLayer 2スケーリングの違い

シャーディングとLayer 2スケーリングは関連していますが、同じものではありません。

シャーディングは、ベースブロックチェーンまたはそのデータレイヤーが処理負荷を扱う方法を変更します。

Layer 2スケーリングでは、決済やセキュリティにベースレイヤーを利用しながら、トランザクションの実行をベースレイヤーの外に移します。

ロールアップは、最も重要なLayer 2スケーリング手法の一つです。

多数のトランザクションをまとめ、その結果をベースブロックチェーンに送信します。

Ethereumの現在のロードマップでは、データ可用性をより低コストで拡張することで、シャーディングがロールアップを支えます。

つまり、シャーディングとLayer 2システムは競合するのではなく、連携して機能できます。

ロールアップ中心のブロックチェーンでは、データシャーディングを利用して、検証に必要な情報をロールアップが公開するための領域を拡大できます。

シャーディングとサイドチェーンの違い

シャーディングはサイドチェーンとは異なります。

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、独自のセキュリティモデルを持ちます。

一方、シャードは通常、同じプロトコルの一部であり、ネットワークのほかの部分とセキュリティを共有するよう設計されています。

サイドチェーンは、ベースブロックチェーンと同じバリデーターセットやセキュリティ保証を引き継がない場合があるため、この違いは重要です。

適切に設計されたシャーディングシステムでは、シャードが一つの調整されたコンセンサス構造のもとで連携することを目指します。

ただし、プロトコルごとに設計が異なるため、資産を移動したりアプリケーションを利用したりする前に、実際のセキュリティモデルを理解する必要があります。

シャーディングと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。

シャーディングは特定の機能のスケーリングに重点を置く場合があるため、モジュラー設計の一部となることがあります。

たとえば、データシャーディングは、検証に利用できるデータ量の拡大に重点を置きます。

これは、ベースレイヤー外で実行処理を担うロールアップと自然に組み合わせられます。

モジュラー型のロードマップでは、ベースレイヤーがセキュリティとデータ可用性を提供し、別の実行環境がユーザーのトランザクションを処理する場合があります。

この方法により、一つのレイヤーがすべての役割を担うことなく、ブロックチェーンのスケーリングを支援できます。

シャーディングの実例

決済、ゲーム、分散型金融、トークン化資産を通じて、数百万人のユーザーをサポートするブロックチェーンを想像してください。

すべてのノードがあらゆるアプリケーションの全トランザクションを処理しなければならない場合、ネットワークは混雑する可能性があります。

シャーディングを使うと、ネットワークは一部の役割を小さな単位に分割できます。

あるシャードが一つのデータグループを扱い、別のシャードが別のグループを扱う場合があります。

その後、ネットワークはコンセンサスルールと通信システムを使って各シャードの整合性を保ちます。

シャーディングが適切に機能すれば、ユーザーが技術的な詳細を意識することはないかもしれません。

ユーザーが感じるのは、トランザクションの高速化、コストの低下、アプリケーションのよりスムーズな動作だけという場合もあります。

ほかのブロックチェーン設計におけるシャーディング

シャーディングを検討しているブロックチェーンエコシステムはEthereumだけではありません。

一部のブロックチェーンプロトコルでは、当初からアーキテクチャの中核としてシャーディングが採用されています。

たとえば、NEARはスケーラビリティを支えるため、Nightshadeと呼ばれるシャーディング設計を採用しています。

公式のNEARドキュメントでは、Nightshadeシャーディングによってスケーラビリティを実現するシャーディングプロトコルとして説明されています。

シャーディングを採用するブロックチェーンは、それぞれ異なる名称、バリデーター構造、ファイナリティルール、シャード間通信方式を用いる場合があります。

そのため、「シャーディング」という言葉が、どのブロックチェーンでも同じ技術設計を指すと決めつけないことが重要です。

シャーディングに関するよくある誤解

シャーディングによって、ブロックチェーンの処理能力が自動的に無制限になるわけではありません。

どのシャーディングシステムにも、帯域幅、バリデーターの性能、データ可用性、コンセンサス設計、ユーザー需要に応じた制限があります。

シャーディングによって手数料が自動的になくなるわけでもありません。

ブロックスペース、blob領域、アプリケーションの利用に対する需要が高まれば、手数料は上昇する可能性があります。

シャーディングを導入しても、セキュリティが不要になるわけではありません。

むしろネットワークを小さな処理単位に分けるため、より強固な調整が必要になる場合があります。

また、シャーディングは複数のブロックチェーンを並行して稼働させることとも異なります。

真のシャーディング設計では、共通のプロトコルとセキュリティモデルのもとで各シャードを連携させる必要があります。

暗号資産の投資家やユーザーにとってシャーディングが重要な理由

シャーディングは、トランザクション速度、ネットワーク手数料、アプリケーションの品質、ブロックチェーンの長期的な普及に影響する可能性があるため、ユーザーにとって重要です。

優れたスケーリング技術を備えたネットワークは、より多くの実用的なユースケースを支えられる可能性があります。

これには、ステーブルコイン決済、分散型取引ツール、レンディングプロトコル、ゲーム内経済、IDシステム、トークン化された現実資産などが含まれます。

シャーディングは技術的なスケーリング手法であり、投資成果を保証するものではないことを理解しておく必要があります。

シャーディングが導入されているからといって、暗号資産に自動的に価値が生まれるわけではありません。

投資家は、セキュリティ、普及状況、開発者の活動、ガバナンス、トークン経済、実需も検討する必要があります。

実際に利用するユーザーにとって最も重要なのは、シャーディングによってネットワークの信頼性と利用しやすさが向上するかどうかです。

開発者にとってシャーディングが重要な理由

アプリケーションの設計はネットワークの性能やデータアクセスに左右されるため、開発者にとってシャーディングは重要です。

シャーディングされたブロックチェーンでは、データの保存場所や、異なるシャード間でコントラクトが通信する方法を慎重に検討する必要がある場合があります。

シャード間の呼び出しは、単一チェーン内のコントラクト間のやり取りより複雑になることがあります。

アプリケーション開発者は、非同期通信、決済の遅延、または特別なメッセージ送信ルールを前提に設計する必要があるかもしれません。

ロールアップ中心のデータシャーディングモデルでは、開発者はベースレイヤーのデータ可用性を利用しながら、Layer 2での実行により重点を置く場合があります。

これにより、安全な決済レイヤーとの接続を維持しながら、アプリケーションをより低コストかつ高速に利用できる可能性があります。

シャーディングに関連する主な用語

シャードとは、ブロックチェーンのデータ、状態、または処理負荷を小さく分割した単位です。

バリデーターとは、ブロックの提案、検証、アテステーションを通じてProof of Stakeブロックチェーンの保護を支援するネットワーク参加者です。

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利用できる状態にすることです。

ロールアップとは、多数のトランザクションを処理し、そのデータまたは証明をベースブロックチェーンに送信するLayer 2システムです。

blobとは、ロールアップのデータ可用性を支えるProto-Danksharding設計で使われる一時的なデータオブジェクトです。

Dankshardingとは、ロールアップのデータ容量を拡大するための、Ethereumの長期的なデータシャーディングロードマップです。

シャード間通信とは、異なるシャード間で情報や価値を送信する処理です。

FAQ

暗号資産におけるシャーディングとは何ですか？

暗号資産におけるシャーディングとは、ブロックチェーンの処理負荷、データ、または状態を小さな単位に分割し、ネットワークがより多くの処理を並行して行えるようにすることです。

シャーディングの主な目的は何ですか？

シャーディングの主な目的は、ネットワークの分散化とセキュリティを維持しながら、ブロックチェーンのスケーラビリティを高めることです。

シャーディングはLayer 2と同じですか？

いいえ。シャーディングはベースブロックチェーンまたはデータレイヤーが処理負荷を扱う方法を変更します。一方、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、その結果をベースレイヤーに決済します。

Ethereumは現在もシャードチェーンを使っていますか？

いいえ。Ethereumの現在のロードマップでは従来型のシャードチェーンを中心としておらず、代わりにロールアップ、blob、データ可用性サンプリング、Proto-Danksharding、Dankshardingに重点を置いています。

データシャーディングとは何ですか？

データシャーディングとは、すべてのトランザクション実行を別々のシャードチェーンに分割するのではなく、データ可用性の容量を増やすスケーリング手法です。

ステートシャーディングとは何ですか？

ステートシャーディングとは、残高やスマートコントラクトのデータなどのブロックチェーンの状態を複数のシャードに分割し、各ノードがすべてを保存する必要をなくす方法です。

シャーディングが難しいのはなぜですか？

シャーディングでは、バリデーターの割り当て、シャード間通信、データ可用性、セキュリティ、プロトコルの複雑さに同時に対応する必要があるため、設計が難しいのです。

シャーディングによってガス代を削減できますか？

シャーディング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、手数料は需要、ネットワーク設計、データ市場、アプリケーションの利用状況にも左右されます。

シャーディングは安全ですか？

強固なコンセンサス、バリデーターの無作為割り当て、データ可用性の検証、信頼性の高いシャード間通信を採用すれば、シャーディングは安全に運用できる可能性があります。

ロールアップにとってシャーディングが重要なのはなぜですか？

データシャーディングによって、ロールアップが検証に必要なデータをより低コストかつ容易に公開できる可能性があるため、ロールアップにとって重要です。

まとめ

シャーディングは、ブロックチェーンの処理を小さな単位に分割し、より効率的に処理する、暗号資産における重要なスケーリング概念の一つです。

基本的な考え方はシンプルですが、パブリックブロックチェーンではセキュリティ、分散化、検証可能性を守る必要があるため、技術設計は複雑です。

従来型のシャーディングでは、ネットワークの処理、トランザクション、状態を複数のシャードに分割する場合があります。

近年のデータシャーディングは、ロールアップやモジュラーブロックチェーンシステム向けにデータ可用性を拡張することに重点を置いています。

Ethereumのロードマップは、シャーディングの意味がシャードチェーンからProto-Danksharding、Danksharding、blob、データ可用性サンプリングへと変化してきたことを示しています。

適切に導入されれば、シャーディングはユーザーにとって、トランザクションの高速化、コストの低下、アプリケーションのパフォーマンス向上につながる可能性があります。

開発者にとっては、データ、実行、シャード間通信、Layer 2との連携に関する新たな設計上の選択肢が生まれます。

暗号資産業界全体にとって、シャーディングは、暗号資産の価値を支えるオープンで分散型の原則を損なわずに、大規模な普及を支えられるブロックチェーンを実現するための重要な道筋であり続けています。