要点
ブロックチェーンの分野における並列化とは、複数のトランザクションを同時に処理する方法を指します。
並列化には、トランザクションレベルの並列化、ブロックレベルの並列化、スマートコントラクトの並列化など、さまざまな種類があります。
並列化のメリットには、トランザクション処理の高速化、スケーラビリティの向上、ガス代の削減などがあります。
はじめに
効率的なトランザクション処理は、ブロックチェーンネットワークのスループットを向上させ、ブロックチェーンのスケーラビリティの問題解決の鍵となります。この記事では、並列化の基本、その仕組み、一般的な種類、そのメリットについて説明します。
並列化の概要
並列化（トランザクションの並列実行）とは、複数のタスクを同時に処理する手法です。並列化は、並列コンピューティングと密接な関係があります。並列コンピューティングとはコンピューターサイエンスの概念で、複数のプロセスを同時に実行することを指します。
並列化の仕組み
並列化は、複数のトランザクションを順番に（1つずつ）処理するのではなく、同時にネットワークデータを検証できるように配置します。トランザクションの実行タスクは、複数のノードに分散されます。各ノードはトランザクション負荷の異なるセグメントを個別に処理するため、処理時間が短縮され、ネットワークの混雑が緩和されます。
並列トランザクション処理では、ネットワークは複数のステートを同時に検証し、それぞれが特定のトランザクショングループの検証結果を提示します。この方法では、ネットワークはトランザクションが台帳に正式に記録される前に、トランザクションの潜在的なインパクトを評価できます。この評価に続いて、これらの並列運用による検証結果から同意を得て、ノードが共通ステートとして反映させます。
並列化モデル
ブロックチェーンの並列化には、オプテミスティック並列化とステートアクセス並列化の2種類があります。
1. オプテミスティック並列化：オプティミスティック並列化実行モデルでは、ネットワークはソート段階を経由せず、直接トランザクション処理に進みます。この方法では、処理待ち状態のデータのほとんどのトランザクションは、相互依存せず個別データである前提で処理されます。処理後にデータが相互依存していることが判明した時点で、データ処理を修正します。つまり、当初は無関係と考えられていたトランザクションが後に互いに関係していることが判明した時点で、システムがそれらを調整しすべてのデータが整合性を持つことを保証します。
2. ステートアクセス並列化：ステートアクセス並列化実行モデルにおいては、まずトランザクションがネットワークのステートに影響を与える度合いに基づきソートされます。この際、特定のスマートコントラクトまたはアカウントとのやり取りなどの要因が考慮されます。これにより、矛盾なく並列処理できるトランザクションが識別されます。お互いに影響し合わないトランザクションは、同時に実行されます。逆に、似たようなステート要素に影響を与えるトランザクションは、支払われるガス代で設定された順序で優先的に処理されていきます。
並列化の種類
トランザクションレベルの並列化
トランザクションレベルの並列化により、複数のトランザクションを同時に処理できます。これにより、ネットワークのスループットが向上し、1秒あたりのトランザクション件数（TPS）が増加します。また、トランザクションの承認に必要な時間が短縮され、ネットワーク全体のパフォーマンスが向上します。このような並列化は、特に迅速な処理時間が求められるブロックチェーンにとって、非常に有用です。
トランザクションレベルの並列化には課題もあります。例えば、トランザクションの並行処理ではデータの依存関係が生じ、あるトランザクションの出力が別のトランザクションに影響を与える可能性があります。一貫性と信頼性を確保するために、洗練されたデータ管理戦略が必要になります。
ブロックレベルの並列化
ブロックレベルの並列化では、ブロックの同時生成と検証が行われ、ネットワークのスケーラビリティを向上させるものです。複数のブロックを同時に処理することで、ブロックチェーンがより多くのトランザクションに対応し、ネットワークの混雑を回避できます。
しかし、ブロックレベルの並列化では、ブロックチェーンのセキュリティが損なわれないように慎重な実装が求められます。さらに、ブロックレベルの並列化はより多くのコンピューターリソースが必要になり、ネットワークノードのハードウェア要件が高くなります。このため、ネットワークノードへの参加へのハードルが高くなり、ネットワークの分散化とアクセシビリティに悪影響を及ぼします。
スマートコントラクトの並列化
スマートコントラクトの並列化とは、複数のスマートコントラクトの並列実行を指します。これにより、分散型アプリケーション（DApps）のパフォーマンスが向上し、スケーラビリティと応答性が向上します。
スマートコントラクトの並列実行を容易にするメカニズムがいくつかあります。例えば、オプティミスティック・ロールアップはトランザクションをオフチェーンで実行し、それを最終確定時にのみブロックチェーンとやり取りし、メインチェーンの負荷を軽減します。EthereumのValidiumスケーリングソリューションは、ゼロ知識証明とオフチェーン演算処理を組み合わせ、スマートコントラクトアプリのスケーラビリティとプライバシーの両方に対応します。
並列化によるメリット
トランザクション処理速度の向上
複数のノードにタスクを分散させることで、トランザクションの実行時間が短縮され、トランザクションの処理速度が向上します。並列化を採用するネットワークは、逐次処理モデルネットワーク環境での動作よりも効率性が高い傾向があります。
スケーラビリティ
並列化はトランザクション検証を異なるノードに分散させ、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題に対応しています。これにより、処理が高速化され、水平方向のスケーリングが実現されます。水平スケーリングにより、ネットワークは需要動向に基づきノードの増減に柔軟に対応できます。
ガス代の削減
並列化は、ノードサブグループにトランザクションを割り当てることで手数料を削減します。これは、各トランザクションがすべてのノードによって検証される逐次処理に比べてコストが安くなります。さらに、トランザクション速度が速くなるとノード間の競争が減り、トランザクション手数料が一層安くなります。
まとめ
並列化とは、複数のトランザクションを同時に処理する方法です。トランザクション処理の高速化、スケーラビリティの向上、手数料の削減など、多くのメリットがあります。将来的には、並列化をシャーディングなどの他のスケーリングソリューションと組み合わせて、ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを一層向上させられます。
参考文献
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