オンチェーン拡張への道: Xthin は 20MB のブロックを安全にサポートできるようになりました

パート5: 初日から最大20MBのブロックをサポートする大規模なオンチェーンスケーリング

著者: Andrew Clifford、Peter R. Rizun、@sickpig、Andrew Stone、Peter Tschipper。ブロック リソースを提供してくださった AntPool の Jihan Wu 氏、および中国本土のノードへの支払いを許可してくださった @cypherdoc 氏とその他の寛大な寄付者の方々に特に感謝します。

このセクションでは、この 5 部構成のシリーズを要約し、Xthin がチェーン上で60tps (トランザクション数/秒) と20MBブロックをサポートできると考える理由について説明します。これにより、現在の深刻なネットワーク輻輳（3tps 制限）が大幅に緩和され、オフチェーン拡張ソリューションの成熟のための余裕が生まれます。最後に、Bitcoin Unlimited の今後の展望について少し見てみましょう。

1秒あたり60トランザクション、20MBブロック

「超薄型ブロックにより、効率的なブロックリレーが実現します。」

なんとも刺激的な記事シリーズですね！セクション 1 では、超薄ブロックが Bitcoin Core の長年の非効率性を解決する方法について説明しました。つまり、トランザクションは常に各ノードによって 2 回受信されます。1 回はユーザーが最初にトランザクションをブロードキャストしたとき、もう 1 回はノードが後でそのトランザクションを含むブロックをダウンロードしたときです。このような非効率性により、ブロック転送が遅くなり、大量の帯域幅が消費されます。実際のビットコイン ネットワークで送信された 9,000 を超えるブロックの統計を照合することで、超薄ブロックは標準ブロックよりも高速 (セクション 2)、GFW の影響が少ない (セクション 3)、サイズが小さい (セクション 4) ことがわかります。 (先週、私たちは疑惑の攻撃ベクトルを暴くために回り道をしました。) 極薄ブロックにより、効率的なブロックリレーが実現します。

図 1: 実際のビットコイン ネットワークで送信された 9,000 を超えるブロックのデータに基づくと、超薄型ブロックは標準ブロックよりも高速で、GFW の影響が少なく、サイズも小さくなります。

超薄ブロックのこれらの特性は、オンチェーンのスケーラビリティのボトルネック問題に対処します。これらの問題に関して私たちが知っている純粋なデータ主導の研究は、コーネル大学のスケーラビリティに関する立場表明論文と、ジョナサン・トゥーミムの「ブロック サイズ オリンピック」研究論文から得られています。

コーネル大学の立場表明

(http://fc16.ifca.ai/bitcoin/papers/CDE+16.pdf)

コーネル大学は、ブロックとノード間の伝送問題が主なボトルネックであると考えています。彼らは、現在のブロック サイズでは、一部のノードが 10 分間の目標ブロック時間内にブロックをダウンロードできず、ますます遅れをとることになると考えています。ビットコインネットワーク上のブロック転送の実際の測定に基づいて、平均ブロックサイズが4.1MBの場合、ネットワークのノードの10％が対応できず、平均ブロックサイズが37MBの場合、ネットワークのノードの半分が遅れると計算されました。ブロック サイズは 4MB を超えないようにすることを推奨します。

「ブロックとノードの転送の問題がボトルネックです。超薄型ブロックで解決できます。」

ジョナサン・トゥーミム ブロックサイズオリンピック

（https://toom.im/blocktime）

コーネル大学の論文発表に先立ち、ジョナサン・トゥーミム氏は「ブロックサイズオリンピック」と呼ばれる研究を主導し、現在のネットワークは4MBのブロックを安全にサポートできるという結論を出していた。 Toomim は、GFC 内の中国本土に 3 つ配置された 20 個の異なるノードから、最大サイズが 10 MB の数百のテスト ネットワークのブロック転送時間データを測定しました。コーネル大学の論文と同様に、トゥーミム氏が 4MB の制限を設けた理由は、ブロックからノードへの転送が非効率的であること、特に GFC によって分離されたノードへの転送が非効率的であることが理由です。

超薄型ブロックがボトルネックを解決

ブロックとノードの転送の問題がボトルネックになっていますが、超薄型ブロックで解決できます。標準のブロック転送ブロックでは 4MB ブロックが安全であれば、超薄型ブロックが広く使用される場合、安全基準は 4MB をはるかに超える可能性があります。

図 2: コーネル大学の立場表明と Toomim の「ブロック サイズ オリンピック」の調査はどちらも、ブロックは 4MB (1 秒あたり 12 トランザクション) 以下に抑えるべきであると示唆しています。これら 2 つの研究で発見されたボトルネックは、ブロックとノードの送信にあります。超薄型ブロックはこの問題を解決できます。私たちの意見では、Xval と併用すれば 20 MB (1 秒あたり 60 トランザクション) の安全なブロック制限を達成できます。このレベルのオンチェーン拡張は、オフチェーン拡張ソリューションの成熟に十分な余裕を与えることができます。

超薄型ブロックにより、ノードへのブロック転送速度が 5.6 倍 (通常の P2P)、GFC 経由の場合は 9.7 倍向上します。また、ブロック転送の帯域幅要件を最大 24 倍削減することもできます。単純に比例すると、新しいブロック制限は 5.6 倍で 22MB、9.7 倍で 39MB、24 倍で 96MB になります。 (コーネル大学の論文では、トランザクション確認とディスク I/O のボトルネックが 4MB よりもはるかに大きいことが示唆されているため、ボトルネックは主に帯域幅に関連するものと考えられます。)

「最大 20MB のブロックを受け入れるようにノードを安全に構成できました。」

Bitcoin Unlimited は、プロトコルによって強制されるブロック サイズ制限が必要であるという考えを拒否します。代わりに、各ノード オペレーターが手元にある情報に基づいて独自の最大ブロック制限設定を調整できる「有効な制限」メカニズムの初期形態を促進するツールを提供します。 Bitcoin Unlimited によって実現された超薄型ブロックやその他の進歩 (Xval を含む)、およびこれらの実験から得られた情報のおかげで、最大 20 MB のブロックを受け入れるようにノードを安全に構成できるようになりました。

スキニーブロックはみんな大好き

6 か月前、効率的なブロックノードリレーは単なる概念に過ぎませんでした。当時の議論は、これが良い考えであるかどうかでした。

Peter Tschipper、@sickpig、Andrew Stone の多大な努力のおかげで、効率的なブロック リレーが実現しました。 Classic、Core、XT を含むあらゆる分野の開発者は、これが良いアイデアであることに同意しただけでなく、それぞれのコンソールにこれを (または非常に類似したものを) 実装したいと考えていました。

開発者コミュニティは現在、詳細について議論しています。

図 3: 開発者は最小限のコード変更で、顧客のニーズに合わせてシン ブロックに機能を追加したり削除したりできます。

たとえば、開発者の中には、ブルーム フィルターを削除してバイトを均等にしたい (ただし、転送時間が長くなり、データの往復回数が増える) 人もいれば、追加のセキュリティ対策としてハッシュにソルトを追加したい (ただし、CPU サイクルが増え、コードが複雑になる) 人もいます。

「詳細については自由市場で議論しましょう。」

Bitcoin Unlimited の中心的な信条は、人々が自由に実行することを選択したコードに基づいてネットワークが進化するべきであるということです。これを念頭に置いて、ユーザーの需要があり、開発者の関心も高いすべてのシンブロックチェーン機能を導入すべきだと考えています。詳細は自由市場で議論しましょう。

Bitcoin Unlimited ラボの内部を覗いてみよう

以下の4つのプロジェクトが進行中です。誰でも Bitcoin Unlimited に参加して、これらのアイデアに貢献できます (または独自のアイデアを持ち寄ることもできます)。

楽観的な採掘

PoW が検証された後、ブロック全体が検証のためにダウンロードされる前に、ブロック ヘッダーに基づいてマイニングを行うことを指します。これを実行するマイナーは、他のマイナーよりもわずかに利益面で有利になります。この技術は、マイナーの競合相手のブロックを遅くすることに依存するあらゆる「攻撃」を打ち破ることもできるだろう。 Thomas Zander は、Gavin Andresen が提案したヘッダーファースト手法に基づいて、「楽観的マイニング」という用語を作り出した。

高速ブロックリレー

高速ブロックリレー

eXpedited Block Relay は、「遅延を考慮した」マイナー ノードとリレー ノードを開発することを目的としています。超薄ブロックなどの Bitcoin の inv/getdata メソッドとは異なり、Bitcoin Unlimited ノードは、eXpedited によって提供されるノードに、そのノードがブロックを受信する意思があるかどうかを事前に確認せずに、薄ブロックを送信します。これにより、帯域幅の消費量は増えますが、ブロック転送データの往復回数は 0.5 回程度に抑えられます。

「ロングテール」ブロックの伝播時間

「ロングテール」ブロック転送時間

ブロック伝送に関する実証的研究の中で、少数のブロックの伝送には不規則に長い時間がかかることがわかりました。この問題は、グローバル ネットワークとの接続の問題、GFC トラッキング、ソフトウェア バグなど、さまざまな原因で発生する可能性があります。多くの物理工学分野では、実証的研究の結果を設計に取り入れ、反復的な設計プロセスを作成することが標準的な方法です。ビットコイン クライアントは単なるコンピュータ プログラムですが、ビットコイン全体は複雑なシステムとして、世界中のデータ センターと家庭を接続する物理的な光ケーブルと銅線ケーブルを含むインターネット基盤の上に構築されています。経験に基づく再設計のサイクルにより、ビットコイン システムを効果的に最適化できると考えています。私たちは、これらの「ロングテール」ブロック転送時間を調査することから、反復的な再設計を開始しました。

サブチェーン

サブチェーン (www.bitcoinunlimited.info/resources/subchains.pdf)

サブチェーンは、孤立ブロックのリスクを軽減し、ゼロ確認セキュリティを強化する弱いブロックアプリケーションです。サブチェーンは超薄型ブロックと連携して、オンチェーンの拡張を 100 MB 以上に促進できます。

「誰でもBitcoin Unlimitedに参加できます」

終わり

最後に、読者の皆様とビットコインコミュニティ全体に感謝申し上げます。この偉大な実験が世界を変え、このすべてを前進させるだろうと皆さんは期待しています。

寄付する

Bitcoin Unlimited のオンチェーン スケーリング プロジェクトを推進するには、上海と深センのノードを含む VPS ネットワークの維持にご協力いただく寄付をご検討ください。 1 BTC 以上を寄付していただいた寄付者には、今後の記事でクレジットされます。

Bitcoin Unlimited の寄付アドレスは 3AtbpAikJ6C11ZCHiYbEKcSjyoVjzfxYwU です。これは、署名キーが Andrew Clifford、Andrew Stone、Peter Rizun によって保持されている 2/3 マルチ署名アドレスです。 （翻訳者注：原文と合わせてご確認ください。）