スケーラブルな支払い検証ネットワーク - 将来、ビットコインの取引データが非常に大きくなると、一般ユーザーノードはどうなるのでしょうか?

第0章はじめに

ここで、Bitcoin フルノードウォレットをインストールします。最新のブロックに同期すると、合計 85.6G のハードディスク容量が必要になります。通常のパソコンの場合、ビットコインの愛好家でもない限り、このようにハードドライブのスペースを無駄にすることは難しいでしょう。しかし、この数字は今後も増加し、加速するでしょう。

ハードディスクの容量を大量に消費するという理由だけで、何も変更しなければ、ビットコインネットワークのノード全体が減少するという危機に直面することになりますが、私たちが期待しているのは、ビットコインネットワークのノードが縮小するのではなく、拡大していくことです。

ビットコイン開発者のトム・ハーディング氏はサトシ・ナカモト・ラウンドテーブルで講演し、ビットコインネットワークの拡張ルートに関する技術計画を立てた。私は彼のスピーチのPPTを中国語に翻訳し、スピーチの内容についての科学的な解釈を書きました。

第 1 章トム・ハーディングのスピーチ「スケーラブルな支払い検証ネットワーク」とはどのような内容ですか?

このスピーチでは、ビットコインネットワークの容量を拡張する方法について説明していますが、これはブロック拡張を実現する方法ではなく、ネットワークノードを追加することとして理解できます。

将来的にはフルノードデータの量が非常に大きくなり、TXID の合計が急速に増加するため、ノードの分散化を実現するには、多数のライトノードを使用する必要があります。ライトノードとは、サトシ・ナカモトが書いたホワイトペーパーに記載されているように、高度にプルーニングされたブロックチェーンのみを保存するウォレットを指します。大まかに言えば、ライトノードウォレットは所有者自身のトランザクションに関連するブロックのみを保存し、無関係なブロックはすべて切り捨てられます。しかし、このタイプのライトノードはセキュリティ上の課題に直面します。

この講演では、主にライトノードを展開し、ライトノードのセキュリティとスケーラビリティを解決する方法について説明します。

不正証明は、Simple Payment Verification (SPV) のセキュリティ戦略として使用できます。

Simple Payment Verification (SPV) は主に、軽量クライアントが完全なブロックを検証できない問題を解決します。したがって、ビットコインネットワークは、最終的には少数のフルノードとマイニングノード、および多数の SPV ノードで構成されます。これらの少数の完全なノードがハードフォークや二重支払いを開始するのをどのように防ぐかが、SPV ノードのセキュリティの鍵となります。これがこのスピーチの重要なポイントの一つです。

SPV ウォレットには、トランザクションが信頼できるかどうかを確認する 3 つの方法があります。まず、トランザクション入力に 0 より大きい入力が欠けていることが判明した場合、それはトランザクション詐欺であると直接判断されます。 2番目に、支出警告が設定されます。トランザクションに警告が含まれていない場合、信頼の可能性が高まります。 3 番目に、ローカルトランザクション検証ルールが改善されます。（注：ここで紹介した3つの方法のうち、私が理解できるのは最初の方法だけです。最後の2つは理解できません。コミュニティの専門家が引き続きポピュラーサイエンスを続けてくれることを願っています）

SPV ウォレットのセキュリティを向上させるもう 1 つの方法は、ネットワーク全体の構造を最適化することです。方法の 1 つは、ノード間に「分割フィルター」、ノードループ、ブルームフィルターなどを確立することです。（注：しかし、具体的な意味はわかりません。コミュニティの専門家が引き続きポピュラーサイエンスを続けてくれることを願っています）

SPV ノードのセキュリティを向上させるもう 1 つの方法は、SPV ノードの機能を強化することです。「証明者」や「証明者ファインダー」などの機能が追加されました。 (注: しかし、これらの証明者が何を意味するのか私には全く分かりません。コミュニティの専門家が知識を広め続けることを願っています。)

ビットコインネットワークは、最終的には、少数のフルノードとマイニングノード、多数の SPV ノード、いくつかのトランザクションリレーステーション、およびその他のさまざまなウォレットで構成されるネットワークになります。このネットワーク構造は拡張に非常に役立ちます。

第2章このスピーチの内容がなぜ注目に値するのか - まず話をしましょう

数年前、私は首鋼でネットワーク管理者として働き、3 つのローカルエリアネットワークと合計 300 台を超えるコンピューターで構成されるメトロポリタンエリアネットワークを管理していました。かつて大規模なネットワーク異常が発生しました。ローカルエリアネットワークの 1 つはインターネットに接続できましたが、Web ページを開いたり QQ にログインしたりすることはできませんでした。私はその事件の調査にほぼ一週間を費やした。最後に、スイッチを使用して LAN 全体をさまざまな領域に分割し、一度に複数のコンピューターを切断して、他のコンピューターのネットワークをチェックしました。最終的に、スイッチの 2 つの L ポートが同じネットワークケーブルで接続されていることが判明しました。ネットワークケーブルが非常に長く、何本もロールに巻かれていたため、ネットワークケーブルを接続した人が誤って、同じネットワークケーブルの両端を 2 本のワイヤとして扱いました。ケーブルを接続すると、ネットワーク全体が正常に戻りました。その後、情報を調べたところ、スイッチの 2 つの L ポートをネットワークケーブルで接続すると、ブロードキャストストームが発生し、LAN 全体に DDOS 攻撃が直接開始されることがわかりました。

その後数年間、インターネットに関する知識が蓄積されるにつれ、情報の蓄積がインターネットに質的な変化をもたらすだろうという認識が深まりました。

第3章このスピーチが注目に値する理由 - 現在のビットコインシステムの問題点

現在のビットコインシステムには、いくつかの大きな問題があると思います。トランザクション量が制限されています (1M のブロックサイズによって制限されます)。プロトコルの進化は非常に遅く、開発は非常に非効率的です。大規模なブロードキャストストームも発生していません。最初の 2 つの質問は誰もがよく理解していると思いますが、最後の質問は実は非常に漠然としており、見落とされやすいものです。

大規模なブロードキャストストームがビットコインにとって課題であると感じるのはなぜでしょうか?

なぜなら、ビットコインは2015年後半に発生したスケーラビリティ攻撃による大規模なストレステストを受けたからです。その攻撃では、スケーラビリティの脆弱性を利用して複数のビットコインを送受信しましたが、完了するまでに10日以上かかりました。その期間中、ほぼすべてのビットコインウォレットがクラッシュしました。ビットコインネットワークはまったく使えないように見えます。ここでのクラッシュとは、当時ビットコインネットワークがトランザクションを正常に処理することができなかったという事実を指します。いくら取引手数料を払っても、確認されない可能性が高かったのです。また、崩壊は文字通り爆発して死ぬことを意味するものではありません。

その後、スケーラビリティの脆弱性を慎重に分析したところ、ウォレットのクラッシュの原因はストレステストによって引き起こされたブロードキャストストームであることがわかりました。スケーラビリティの脆弱性により、ブロードキャストストームの規模がさらに拡大しました。簡単に言えば、ビットコインネットワークは現在、1 秒あたり最大 7 件のトランザクションを処理できますが、平均すると 1 秒あたり 3 件のトランザクションしか処理できません。突然、ネットワーク上で 1 秒あたり 300 件のトランザクションが開始されると、ネットワーク上のウォレットノードが崩壊寸前になる可能性があり、いくらトランザクション手数料を支払っても無駄になります。

スケーラビリティ攻撃によるストレステスト中に、大規模ネットワーク設計に関する知識を探しましたが、私の知識体系では厳密に証明することはできませんが、現在のビットコインネットワークは超大規模ブロードキャストストームによる崩壊を避けるのが確かに難しいと確信しています。

これが、大規模ネットワーク設計を学んだ後、私がしっかりとビッグブロックの側に立った理由でもあります。なぜなら、小さなブロックを持つビットコインネットワークはブロードキャストストームに対して脆弱になるからです。

ブロードキャストストームに対処するには、ブロックのトランザクション容量を増やすだけでよいということではなく、現在のビットコインのピアツーピアネットワークは比較的「単純な」ネットワークであるということです。「シンプル」と言ったのは、それを説明する適切な言葉が見つからなかったからです。つまり、現在のビットコインネットワークノードはすべて家庭用コンピューターと、最大でもサーバーコンピューターで構成されているということです。サーバーコンピューターは、Alibaba Cloud や Amazon Cloud などのクラウドサービスプロバイダー上に構築されたノードです。このような性能のノードでは、超大規模なブロードキャストストームを処理できないと思います。

たとえば、現在のインターネットは、非常に大量の情報のブロードキャストを処理することができます。インターネットのノードには、多数の家庭用コンピュータ、さまざまなサーバー、スーパーデータセンター、多数のスイッチやルーターが含まれます。専門的な情報転送および伝送機器であるスイッチとルーターは、情報ブロードキャストストームを処理するための重要な機器です。（注：この記事の冒頭の写真はGoogleのスーパーデータセンターです）

現在のビットコインネットワークには、今日のスイッチやルーターに類似した機器はありません。トランザクションの送信、トランザクションの受信、ブロックのブロードキャスト、ブロックの受信は、依然としてホームコンピューターとサーバーコンピューターに完全に依存しています。このネットワーク構造は、大規模なネットワーク構造に成長することはできません。

ビットコインネットワークが超大規模なトランザクションブロードキャストに直面した場合、現在のビットコインネットワーク構造では対応できないのではないかと懸念しています。誰もが平等なノードである純粋な分散化の理想では、このようなネットワーク構造は行き止まりです。私たちの将来が 1 秒あたり 3 件のトランザクションにならない限りは。

純粋なピアツーピアネットワークは大規模に拡張できません。たとえば、現在、当社には約 6,000 個のノードがあり、世界中で約 100 万人のユーザーにサービスを提供しています。ノードの数が 100 万、あるいは 1,000 万に増えると、このピアツーピアネットワークは崩壊すると思います。

ビットコインのネットワーク構造は、将来、膨大な量のデータを処理できるようにスーパーノードを備える必要があります。すべてのデータを保存できます。これはブロックチェーンデータを保存するだけではなく、ブロックチェーンブラウザーや SPV ウォレットの大量のデータアクセスクエリも処理できる必要があります。

ビットコインのネットワーク構造では、インターネット上のスイッチやルーターなどのデバイスも導入する必要があります。単に家庭用のコンピュータとサーバーを使用してブロードキャストトランザクションを完了するだけでは、ブロードキャストストームに対処することはできません。同様のビットコインスイッチとルーターは、トランザクションの送信と転送に特化しており、ブロックデータを保存する必要はありません。マイニングマシンがハッシュ計算を担当するのと同様に、ビットコインスイッチとルーターはトランザクションの送信と転送のみを行う必要があります。大変申し訳ございませんが、私の現在の知識では、この種のルーターとスイッチの具体的な動作を説明するには不十分です。

第4章このスピーチの内容が注目に値する理由 - このスピーチはビットコインネットワークの開発の方向性を示しています

第 3 章では、ビットコインの現在のネットワーク構造が非常に脆弱であることがわかります。この脆弱性の第一の理由は、大規模なブロードキャストストームに耐えられないことです。 2 つ目の理由は、構造自体を拡張できない、つまりノードの数を大規模に増やすことができないことです。そうしないと、ネットワークに問題が発生します。

今回、トムのスピーチは、ビットコインネットワークの堅牢性をどのように強化するか、そしてビットコインネットワークノードの規模をどのように拡大するかについて直接的に語っています。これは、私たちビットコイン愛好家全員が懸念していることです。

ビットコインの価格もそのネットワーク構造と密接に相関しています。現在のネットワーク構造ではネットワークノードを大規模に拡張できないということは、すでに多くのユーザーがいるとしても、ノードを実行するのに十分なユーザーを確保できないことを意味します。このネットワークノードは完全なノードを指すだけではなく、ライトウォレットノードの数も大規模に拡張することはできません。たとえば、現在、完全なノードは 6,000 を超えており、ライトウォレットノードを搭載した携帯電話やその他の端末は数百万台ある可能性がありますが、同時にオンラインになっているライトウォレットは数万台しかない可能性があります。オンラインライトウォレットの数が数千万に増加すると、ビットコインネットワークが正常に機能しなくなる可能性があります。

ビットコインが数百倍、あるいは千倍もの価格上昇を達成したいのであれば、現在のビットコインネットワーク構造を改善する必要があります。そうでなければ、それは単なる夢でしかありません。