ビットコインのシステム拡張を理解する方法

ビットコインに関して2016年に最も話題になったトピックの1つは、将来の成長と拡大に関する適切な計画が欠如していることです。

これは奇妙だと思います。なぜなら、何らかのシステムに依存している人は、少なくとも、今年と今後 5 年以上にわたってどのような成長を達成できるか、そしてそれが私たちの望むことを実現できるかどうかについて、何らかの調査を行う必要があるからです。

この記事では、ビットコインからどのようなスケーリングが期待できるのか、そしてさらにスケーリングを実現するためにシステムで何を行う必要があるのか​​を調査したいと思います。 、

ターゲット

ビットコインが価値を持つ主な理由は、そう遠くない将来に何百万人もの人々によって使用され、有用であるとみなされるという期待です。いかなる通貨も、十分な数の人々がそれを使用して初めて価値が生まれます。お金は実際に使える場合にのみ価値があります。誰もそれを支払いに使用しなければ、その価値は実現されません。

したがって、一番の目標は、何百万人もの人々が日常生活でビットコインを使用するようにすることであり、「使用」とは 1 日に少なくとも 1 件の取引を行うことと定義されます。他のテクノロジーと同様に、成長には時間がかかり、システムの構築にも時間がかかることから、このテクノロジーは明日、あるいは今年中には利用可能になると考えています。

したがって、私たちの目標の 1 つは、5,000 万人のユーザーが Bitcoin ネットワークを使用して 1 日に 1 件のトランザクションを送信することです。今日ではありませんが、今後5年以内には。

もう一つの目標は、家庭ユーザーがビットコインのブロックを、作成される速度の少なくとも 5 倍の速度で処理できるようにすることです。つまり、ノードが 1 時間オフラインの場合、最新のブロックに追いつくまでに約 20 分かかります (バックログの処理と、バックログの処理中に生成されたすべての新しいトランザクションの処理)。

速いほど良いですが、ブロック作成速度の 5 倍未満では遅すぎます。

結論

言い換えれば、現在の理論的裏付けは何でしょうか?

ビットコインは、数年の開発を経て成熟した、さまざまなノードソフトウェアによって実装されたシステムです。しかし、開発者はもはや草の根ユーザーの成長にあまり注意を払っていません。そのため、Bitcoin Classic や Bitcoin Unlimited などの競合他社が参入してくると考えられます。いつものように、競争はエンドユーザーにとって良いことであり、将来的に利益が生まれる可能性が高まっています。

しかし、今日どのようなトランザクション負荷をサポートできるかを見てみましょう。

先週、forum.bitcoin.com はダウンロード時間に関するビデオを公開しました。 7 年間、または 420,000 ブロックの履歴 (ビットコインの初日から) にわたって完全に検証およびチェックされています。ミッドレンジのハードウェアを使用した場合、75GB のデータを完全に検証するのに 6 時間 50 分かかりました。ミッドレンジのハードウェアは安くはありませんが、最高級のハードウェアやサーバー ハードウェアではありません。言い換えれば、これは優れたベースライン システムです。

6 時間 50 分で何が行われたかを詳しく見てみましょう。

• ブロック高 295,000 からブロック高 420,000 (合計 125,000 ブロック) まで、すべてのトランザクション署名が検証されています。

• 世界中のビットコインノードから75GBのデータがダウンロードされました。

• UTXO データベースには 1,100 万件のトランザクションが含まれており、4,000 万件の未使用の Bitcoin アドレスが作成されます。 (TX設定情報はRPC呼び出しから取得できます)。

• 125,000 ブロックには、完全に検証されたトランザクションが 104,847,758 件含まれています。それは1億500万トランザクションです。

これはすべて設定を微調整することなく行われたことがわかっています。これはクラシック 1.1.0 ノードです (パフォーマンスは Bitcoin Core 0.12.1 と同等です)

どのような作業が必要ですか？

では、目標と最終的な結果を比較してみましょう。ほとんどの人はソフトウェアが可能な限り高速であることを望んでいますが、優先順位は重要であり、どの部分に注意を払う必要があるかを検討する必要があります。

私たちの目標は、単一のノードが 24 時間で約 5,000 万件のトランザクションを処理できるようにすることです。

6 時間 50 分のベースライン チェックでは、ノードが実際に 1 億 500 万件近くのトランザクションをダウンロード、保存、チェックしていることに気付きました。ダウンロードおよび検証率は、1日あたり3億6,800万件のトランザクションと計算できます。

これは、1 日あたり 5,000 万件のトランザクションという当社の 5 年間の目標が、今日の帯域幅と CPU パワーではもはや問題にならないことを意味します。実際、当社のベースライン システム (翻訳者注: ベースライン システムとは、上記のミッドレンジ ハードウェアを指します) は、目標を 7 倍上回ることができます。

現在、当社のベースライン システムは、今後 5 年間の目標の 7 倍の量を処理できます。

現在、独立した各ビットコインノードは、1 日あたり 3 億 6,800 万件のトランザクションをダウンロード、保存、検証できます。この金額は現在使用されているビットコインの量の何倍にもなります。

システム拡張についてどのように理解すればよいですか?

典型的な家族連れのスポット

全員が正直であることを保証するために、すべてのブロックを完全に検証するノードが必要です。また、自分のノードを信頼すれば、他の誰かを信頼する必要がないので、安心できます。したがって、フルノードの小さなコミュニティが集まるようになると予測しています。家族で利用することもできますし、単にコミュニティを支援するために、サッカー クラブや教会がコミュニティを立ち上げることもできます。個人のモバイル ウォレットには、自分のコミュニティに属する信頼できるフル ノードが少なくとも 1 つ含まれます。

これにより、ビットコインの最大の資産が保護され、銀行や政府を信頼する必要がなくなります。人々が地元の教会やサッカークラブに信仰を置くことはよくあることです。

このようなノードは、ゼロ高さブロックから完全な履歴ブロックを保存する必要はありません。ストリームラインを使用します。今日のハードウェアでは、ブロック履歴全体を提供できないわけではありませんが、1 か月分のブロック履歴を簡単に取得することは可能です。しかし、これはソフトウェアをよりスマートにする必要があることを意味します。いくつかの簡潔なアイデアを見てみましょう。

現在、ハードドライブの容量は安価です。現在のブロックサイズ制限では、3TB のハードドライブに 75 年分のビットコイン履歴データを保存できます。しかし、もし私たちが目標を達成し始めたらどうなるでしょうか。どのようなハードドライブが必要ですか?

答えは、何も大きなものは必要ありません。ブロックが大きいので、より大きなハードドライブが必要であるというのは誤解です。実際、誰もがストレージスペースにさらに投資する必要がないように、合理化を図ることができるはずです。

ノードに対する最後の大きなパフォーマンス要件は、インターネット接続速度です。目標を達成するには、平均トランザクション サイズが 300 バイトのトランザクションを 24 時間あたり 5,000 万件ダウンロードできる必要があります。

理想的には、ノードがしばらくオフラインの場合、ノードが最新のブロックに「追いつく」ことができるように、オンラインになった後に 5 倍の速度でブロックをダウンロードする必要があります。他の部分にもオーバーヘッドを追加する必要があるかもしれません。しかし、今日ではほぼどこでも 1.39Mbit のダウンロード速度が利用可能です。 2GB は、5 年で達成する必要がある速度の 1440 倍の速度であり、日本などの国では現在達成されています。

ビットコインのユーザー数が1日あたり約5000万人にまで急増したとしても、ホームノードにはまったく心配する必要がありません。ハードウェアとインターネットは、特にソフトウェアの最適化がさらに進む可能性がある 5 年後には、問題なくカバーされるでしょう。

ここではムーアの法則のような法則に頼っているわけではないことに注意してください。私たちの目標を達成するために、ハードウェア技術を成長させる必要はありません。

典型的なユーザー

典型的なユーザーは、携帯電話またはハードウェアウォレットを使用します。ユーザーが軽量クライアント (SPV) を使用すると、安全で高速な支払いを実現でき、実際のハードウェア要件は非常に低くなります。

ただし、現在のウォレットにはまだ最適化作業が必要です。彼らは、ネットワークを使用してウォレットの状態を更新するという点では、非常に貪欲であることが多いです。便利ですが、海外にいてデータローミングが非常に高額な場合など、これが必要ない状況も数多くあります。

支払い取引を作成する前にネットワーク通信は必要ありません。実際の支払いそのものをビットコイン ネットワークに転送するだけで済みます。

一般的なユーザーは携帯電話を使用して操作し、オンチェーン拡張に関しては、これらのユーザーはほとんど何もする必要がありません。

ただし、シンクライアントの使いやすさや関連するトピックには多くの作業が必要です。

典型的なマイニングノード

マイナーにはフルノードが必要です。この場合、「すべて」はすべてのトランザクションを検証することを意味します。ホームノードのニーズを満たすことに加えて、マイナーは他のマイナーにすばやく接続し、他のマイナーにブロックをすばやくブロードキャストする必要もあります。

現在、ほとんどの帯域幅、ハード ドライブ容量、CPU 速度は、一般的なホーム ノードがネットワークに参加できるほど十分に大きくなっています。

さらに、マイナーはノードを使用してブロックを作成します。つまり、メモリプールから未確認のトランザクションを処理し、新しいブロックを作成する必要があります。このプロセスにはすでにいくつかの最適化が行われていますが、さらに最適化を行うこともできます。たとえば、ブロックが返される前に、getblocktemplate RPC 呼び出しを使用して、新しく作成されたブロック チェーンをチェックし、その有効性を検証します。このチェックにはかなり時間がかかるため、簡単な解決策としては、ブロックの返却と検証を切り離して、マイナーがチェックが合格したことを楽観的に判断してマイニングを開始できるようにすることです (いずれにしても、100% のケースで合格するはずです)。

ブロックが大きくなるにつれて、返されるデータも大きくなります。現在、システムでは JSON が使用されていますが、これはバイナリ データの大きな塊を保存するには最悪のタイプのデータ コンテナーです。 RPC インターフェースを、通信形式をバイナリに変更するだけの単純なものに置き換えるのは比較的簡単 (おそらく 1 か月かかるプロジェクト) であり、インターフェースの遅延でマイナーが長時間待たされることもおそらくないでしょう。

ベースライン ノードでは、新しいノードから最初から完全に同期するには 7 時間かかると説明しました。ブロックをより大きなサイズに拡大すると、この状況は発生しなくなります。初期同期を開始するにはかなりの時間がかかります。ただし、マイナーには完全に同期されたノードが必要です。 Bitcoin Classic では、検証時間を大幅に短縮する大きな変更が行われました。動的チェックポイントが導入され、約 1 週間分のブロックが二重支払いデータの上に構築されないと想定して、ノードがトランザクション データの検証をスキップできるようになりました。これにより、ノードを最初から同期して、何百万ものトランザクション検証を削除できるようになります。

マイナーをターゲットとする将来のビットコイン クライアントに対するもう 1 つの提案は、新しいノードが既知の信頼できるノードを指すようにすることです。新しいノードは、この信頼できるノードから、すぐに起動して実行するために必要な UTXO とその他すべての詳細を受け取ります。つまり、数メガバイトのデータをダウンロードしてから 10 分以内に新しいノードを実行できることになります。

マイニングにおける最も重要な改善点は、新しいブロックの高速ダウンロードとアップロードを保証するさまざまな方法の使用です。

1 つ目は、極薄ブロック (xthin) です。これは、わずか 25KB のデータで 1MB のブロックをすべてのマイナーに配信する方法です。この拡張は線形であるため、10MB のブロック チェーンを送信するには 250KB のデータを送信する必要があります。

もう 1 つのアプローチは、私が「楽観的マイニング」と呼んでいる手法です。これは、ブロックを 2 つの部分に分割してマイナーがアップロードできるようにするものです。 1 つのセクションは、新しいブロックの超高速通知です。ブロックヘッダー情報を送信するだけです。このようなヘッダーを受信したマイナーは、そのプルーフ・オブ・ワークの有効性を検証し、このヘッダーに基づいてブロックのマイニングを開始できます。完全なブロックが到着すると、新しいブロックに含まれるトランザクションが見えるようになります。メモリ プール内のすべてのトランザクションが新しいブロックに追加され、最後に新しいブロックの作成によって可能な限り多くのトランザクションが追加され、マイナーがマイニングを続行できるようになります。

マイニング ノードには、ノード上にウォレットを含める必要はなく、ノード上に履歴ブロックを保存する必要もないため、合理化できます。

これらの技術の多くはすでに開発されており、一部は今後 1 年ほどで完成する予定です。 5 年間で 1 日あたり 5,000 万人のユーザーという目標を達成するには、これらのテクノロジのほとんどで、マイナーがハイエンドのサーバー ビットコイン ノードに投資することなくビットコイン ネットワークに接続し続けることができます。

結論は

私が達成しようとしている目標は、1日あたり5000万人のユーザーです。その目標は今日から大幅に増加したことになります。しかし、それを正しく行うために、私は今後 5 年以内に目標を設定することを目標としています。

ビットコインのスケーリングは非常に退屈な作業であり、ほとんど労力を必要としません。現代のシンプルなシステムでは、ブロックを現在のブロック サイズ制限の 10,000 倍まで簡単にスケーリングできることが長い間実証されているからです。

システム全体をスケーリングするには、より多くの作業が必要です。主な理由は、マイナーが安全なスケーリングに対応できる新しい機能の多くをまだ受け取っていないためです。これらの機能のほとんどは、極薄ブロック (xthin) や楽観的マイニングなどのすでに開発されているテクノロジーを採用することで、数か月で追加できます。

私の結論は、1日あたり5,000万人のユーザーという目標は達成可能であるだけでなく、5年以内に簡単に達成できるだろうということです。

このドキュメントでは、ライトニング ネットワークのような巧妙なトリックについては一切触れられていません。必要がないためです。ビットコインは、オンチェーン上で非常に簡単に、ほとんどリスクなく拡張できます。ライトニング ネットワークのようなアイデアは、未知数が多いため、かなりリスクが高くなります。

現時点でのスケーリングに関する最大の問題は、1MB のブロック サイズというプロトコルの制限です。このプロトコル制限はできるだけ早く削除する必要があります。