イーサリアム: シャーディングを最も簡単に理解する

導入

周知のとおり、イーサリアムの成功は、そのスケーラビリティと信頼の証としてのプルーフ・オブ・ワークの使用において、当初のモデルを超越しています。インターネットの夢の 1 つは、世界中に分散して処理とサービスを実行できるインフラストラクチャを構築することでしたが、最終的に採用されたのは、データが中央サーバーに集中する集中型アプローチでした。 Ethereum の世界観では、データは世界中に分散され、インターネットの現在の状態を集中管理できない多くの場所に保存されます。完璧なインターネットでは、地球の反対側にいる誰かが使用しているのと同じ状態であることがわかっているブロックチェーンのローカルバージョンを保持し、それと通信する必要があります。

現在、シャーディングが Ethereum インフラストラクチャに導入されつつあり、これにより、特定の時点で処理できるトランザクションの数が大幅に増加することになります。シャーディングを使用すると、Ethereum ノードは分散レジストリの一部を保存し、その情報をネットワーク内の他のノードに転送するだけで済みます。

シャーディング

シャーディングの仕組みを詳しく見てみましょう。

私たちが解決しようとしている主な問題は、コンセンサスを形成するために、すべてのノードがすべての計算を実行し、すべてのトランザクションを検証する必要があることです。トランザクションの数が増えるとネットワークの速度が低下し、ここで Ethereum はボトルネックに遭遇します。

Ethereum ネットワーク上のすべてのトランザクションには、特定の状態、つまりグローバル状態が存在します。誰でもこのステータスを確認し、すべての取引を確認できる必要があります。しかし今では、Merkle ツリーを使用して状態を分割し、ルートでグローバル状態を定義し、状態をシャードノードに分割することができます。以下に、グローバルルートを形成する 3 つのシャードがあり、各シャードは担当するトランザクションを収集します。

したがって、インフラストラクチャ全体の状態を複数のシャードに分割し、各固有のアカウントを 1 つのシャードに含め、これらのアカウントはこのシャード内の他のアカウントとのみ取引できるようにします。ヴィタリック・ブテリンは、ブロックチェーンは何千もの島に分かれており、それぞれの島が独自の機能を持つと考えることができると考えています。それぞれの島では、他の島の人々の関与を必要とせずに、人々が互いに貿易や取引を行っています。島内に取引を記録する信頼できるエージェントがいれば、その取引はグローバル取引台帳に入力できます。ある島の人々が他の島の人々に連絡を取る場合、これをサポートし、取引をリンクするメカニズムを構築できます。

シャーディングシステムは、トランザクショングループヘッダーとトランザクショングループ本体を持つトランザクショングループを作成し、そのシャードに関連するすべてのトランザクションを格納することによって機能します。次の例では、シャード ID 22 を例に挙げます。トランザクショングループヘッダーには次の内容が含まれます。

シャード ID: トランザクションが関連付けられているシャードを識別します。
事前状態ルート: 新しいトランザクションの前のシャード 22 ルートの状態を定義します。
ポスト状態ルート: 新しいトランザクション後のシャード 22 ルートの状態を定義します。
領収書ルート: これは、トランザクションに使用されたシャード 22 の領収書です。

トランザクショングループヘッダーでも署名を確認できます。これらのノードはシャード内のトランザクションを検証するために選択され、これはランダムに行われます。したがって、各シャードは ID で自身を識別し、独自のトランザクションで独自の状態を維持し、以前の状態にマップします。これは、シャードに対して別のブロックチェーンを実行することに似ており、シャード内のトランザクションはシャード外の他のトランザクションと相互作用しません。

しかし、あるシャード内のアカウントが別のシャードと取引したい場合はどうなるでしょうか?トランザクションを記録し、領収書の証明をシャード B に送信します。その後、シャードは消費の領収書を返送します。

シャーディングの主な課題は、シャードが信頼できるノード上で動作し、シャードが互いに信頼できる場所にあることを保証できるかどうかです。

ダンクシャーディング

完全にシャード化されたインフラストラクチャを実現するプロセスでは、既存のアプローチを完全にシャード化されたインフラストラクチャに移行する必要があり、実装されているアプローチの 1 つが Danksharding (Ethereum 開発者 Dankrad Feist にちなんで名付けられました) です。 Danksharding は、速度の向上、ガス料金の削減、大容量のデータストレージの提供を目指しています。これは基本的に、Ethereum の完全にシャード化されたインフラストラクチャに向けた取り組みの一部です。この点では、マイナーに別れを告げ、現在は申請者、ビルダー、バリデーターが存在します。

一般的に、スロットに入るデータとトランザクションは信頼できるブロックビルダーを通じて選択され、その後、ブロックビルダーが申請者にリクエストを送信します。ビルダーは応募者に取引コストを提案し、応募者は最高額の入札者を選択します。ブロック内の特定のスロットにビルダーが選択された場合、そのビルダーはそのスロットにデータとトランザクションを追加する責任を負います。バリデータは、スロットが正しく構築されたことを確認します。その主な利点は、ビルダーがトランザクションからマージを削除するスキームを提案したため、各トランザクションに関連するガス料金がないため、トランザクションのガス料金が大幅に削減されることです。入札者が多すぎない限り、スロットを埋めるための総コストはかなり低くなります。

既存の Ethereum インフラストラクチャのマイナーは、基本的にはブロック申請者にすぎませんが、新しいインフラストラクチャが実装されると、マイナーはバリデーターになり、ブロックビルダーと呼ばれる新しいソフトウェアエージェントが、データとスロットのトランザクションを収集して提案する上で重要な役割を果たします。スロットが無効であると検証された場合、消去コードが提案され、最終的にそのスロットからデータが削除される可能性があります。

EIP-4844 とブロブ

1 つの脆弱性が大規模な侵害につながる可能性があるため、新しいインフラストラクチャの展開は慎重に行う必要があります。そのため、EIP-4844 が danksharding のプロトタイプ仕様として提案されました。

提案の完全な名前は、バイナリラージオブジェクト (BLOB) に関連しています。データブロブは他の多くのアプリケーション領域にも存在しますが、新しい提案の主な違いは、スマートコントラクトに関連付けることができることです。 BLOB の場合、提案者はトランザクションに関連付けられたデータパケットが存在する必要があることを提案しています。ヘッダーとデータ本体を持ち、申請者によってデジタル署名されることがあります。このデータ BLOB の推奨最大サイズは 1 MB です。これにより、トランザクションは共有データにアクセスできるようになります。