ポピュラーサイエンス | Vitalik が Ethereum のスケーラビリティの将来として言及したシャーディングとは何ですか?

ブロックチェーン技術の大規模な応用を制限する非常に重要な要素はパフォーマンスであることもご存知でしょう。これは、多くの従来のインターネット実践者がブロックチェーン技術に楽観的ではない理由の 1 つでもあります。

では、ブロックチェーンのパフォーマンス問題をどのように解決するのでしょうか?解決策の 1 つはシャーディングです。

シャーディングとは何ですか?

シャーディングは、データベース パーティショニングの一種で、水平パーティショニングとも呼ばれ、大規模なデータベースを多数の小さな処理可能な部分に分割して、パフォーマンスを向上させ、応答時間を短縮します。

シャーディングは新しい概念ではありません。これは、1990 年代後半にはすでに従来の集中型データベース管理に登場していました。このコンセプトは、マルチプレイヤーオンラインロールプレイングゲームである Ultima Online のおかげで人気を博しました。

このゲームでは、開発者はトラフィックの負荷を軽減するためにプレイヤーを異なるサーバーに分散します (つまり、多数の並行した「ゲーム ワールド」が存在します)。ビジネスにおいて、一般的なシャーディングのケースとしては、ユーザー情報のデータベースを地理的な場所ごとに分割し、同じ地域のユーザー情報をまとめて別のサーバーに保存することが挙げられます。

ブロックチェーン分野におけるシャーディングとは何ですか?

ブロックチェーンはデータベースに相当し、各ノードは独立したサーバーに相当します。通常の状況では、一度にブロックを記録および生成する権利を取得できるのは、これらのノードのうちの 1 つだけです。ブロックを生成する権利を取得していない残りのノードは、「無駄な作業」を行って計算能力を無駄にしているのと同じです。

シャーディング技術をブロックチェーンに適用すると、ブロックチェーンネットワーク内のすべての保留中のタスク（トランザクションの確認、DAppsの実行など）を分解することと同等になり、ネットワーク全体のノードもグループ化されます。各グループは、分解されたタスク (保留中のトランザクション 150 件など) を同時に処理します。このようにして、単一のノードがネットワーク全体のすべてのタスクを処理し、複数のノード グループがそれらを並列に処理します。

たとえば、現在 Ethereum 上に 8,000 個のノード (マイナー) があり、ネットワーク全体で確認待ちのトランザクションが 15,000 件あるとします。 Ethereum は 1 秒あたり 7 ～ 15 件のトランザクションを処理できます。通常の状況では、保留中のすべてのトランザクションを処理するには少なくとも 1,000 秒かかります。もちろん、処理中に新しい保留中のトランザクションが生成されます。

シャーディング技術を使用すると、8,000 個のノードを 80 個のノードを含む 100 個のグループに分割し、15,000 件の保留中のトランザクションを 150 件のトランザクションを含む 100 個のパーティションに分割できます。次に、各ノード グループ (80) は、それぞれのパーティション内の保留中のトランザクション (150 件のトランザクション) を並列に処理できるため、保留中のトランザクション 15,000 件すべてを 10 秒以内に処理できます。

この例から、シャーディング技術によってブロックチェーンのパフォーマンスが大幅に向上することがわかります。

シャーディング技術の潜在的なリスク

では、シャーディング技術には欠陥があるのでしょうか?答えはイエスです。

シャーディング技術はブロックチェーンのパフォーマンス問題をある程度解決し、ブロックチェーンのスケーラビリティを高めることができますが、2 つの欠点もあります。

1 つは、パーティション分割後の異なる領域間の通信の問題です。上記の例では、Ethereum ネットワークは 100 個のパーティションに分割されており、各パーティションは独立しており、100 個の独立した並列 Ethereum ブロックチェーンに相当します。各ブロックチェーンはマイナーのグループ (80 個のノード) によって維持および確認されます。

これら 100 個の独立した Ethereum ブロックチェーンは相互に通信できません。通信を行う場合、必然的にパーティション間通信メカニズム（チェーン崩壊に類似）を追加する必要があり、ブロックチェーンの複雑さが増し、開発の難易度が高くなります。

2つ目はブロックチェーンのセキュリティです。もう一度上記の例を見てみましょう。シャーディング前、Ethereum ネットワークは 8,000 個のノードで構成されていました。 100 個のパーティションに分割された後、各パーティションは独立した Ethereum ブロックチェーンと同等になり、計算能力は 80 ノードに低下しました。

この時点で、パーティションの 1 つに対して 51% のコンピューティング パワー攻撃を実行するのがはるかに簡単になります。パーティションを制御することにより、攻撃者はこのパーティション内で悪意のある操作を行い、トランザクションを改ざんすることができます。

イーサリアム財団は、イーサリアム 2.0 のアップグレード内容の 1 つとしてシャーディング技術を使用する予定です。イーサリアムがシャーディング技術の上記 2 つの欠陥をどのように解決するかを見守る必要があります。