ブロックチェーン・トリレンマとは?

概要
ブロックチェーンは、1秒間で処理することができるトランザクション数は限定されています。例えば、Bitcoinネットワークは、1秒間で約7件のトランザクションを処理することができます。ブロックチェーン技術がグローバルで普及する場合、より多くのデータを、より早く処理できるようにすることで、遅延や高価なトランザクション手数料を気にすることなく、多くの人がネットワークを使用することができます。しかし、多くの分散型ネットワークの基本的な設計は、スケーラビリティを向上させると分散性またはセキュリティを弱める傾向にあります。これはブロックチェーン・トリレンマとして知られているものです。この問題を解決しようとしている開発者は、シャーディング、サイドチェーン、ステートチャネルなど、さまざまなコンセンサス・メカニズムとスケーラビリティ・ソリューションを試しています。
はじめに基本的に、ブロックチェーンは分散型デジタルデータベースです。データのブロックは時系列順に編成されます。ブロックは暗号化証明によって連携され、保護されています。さまざまな業界にまたがるこの技術の実装は、すでに私たちの働き方や生活を変えています。
その考え方は、分散型かつ安全なブロックチェーンは、ネットワークや市場が機能するために第三者に頼る必要がない世界を可能にするということです。しかし、専門家は一般的に、この技術がより広く普及するのであれば、解決が必要な核心的な問題が発生すると述べています。その問題は「ブロックチェーン・トリレンマ」として知られています。
この用語は、Ethereumの共同創設者Vitalik Buterinによって普及しました。この問題を理解するには、ブロックチェーンで望まれる3つの異なる要素、つまり 分散化、セキュリティ、スケーラビリティに着目する必要があります。ブロックチェーン・トリレンマは、ブロックチェーンが3つの要素すべてを最適なレベルで同時に達成するのは難しいという考えを指します。通常、1つを強化した場合は別のものが弱まります。
この記事では、トリレンマの3つの要素をすべて調べ、それぞれについて詳しく説明します。それぞれをより深く議論し、それらがどのように適合するかを議論することで、ブロックチェーン・トリレンマがどのように、そしてなぜ存在するのかをより理解することができます。この記事では、開発者によって提案されたソリューションの一部についても取り上げます。
分散性とは?Bitcoinおよび類似のブロックチェーン・ネットワークは、設計上分散されています。全体の構造として、担当者や組織が1人も存在しないようなものです。むしろ権力が分散化されています。ネットワーク層は、参加を希望する人は誰でも参加することができます。その結果、1つのエンティティによって制御されるのではなく、完全に分散されます。誰もが同じデータにアクセスすることができます。誰かが記録を変更してシステムをごまかそうとすると、残りの参加者はそのようなデータの変更を拒否します。
この点については、より技術的な話になる可能性はありますが、Bitcoinネットワークを例に説明していきます。このネットワークは第三者によって管理されているわけではありません。これを金融システムにおける銀行の必要性と比較してください。銀行は、取引する人々の間で信頼を確保し、すべての記録が正しく保管されるようにします。しかし、Bitcoinブロックチェーンは、デジタルデータベースに追加される前に、そのすべてのデータをネットワーク上のすべての人と共有し、確認することができます。その結果、第三者を必要とせずに存在できるシステムが実現します。
分散型は、Web3として知られているものの可能性を提供します。現在のインターネットをWeb2とします。企業によって管理されているサイトやアプリは多くありますが、ユーザーによって作成されたコンテンツが特徴です。Web3は次のステップです。分散型ブロックチェーン技術により、人々が自分のデータとオンライン生活を制御できるインターネットが実現します。
ただし、注意すべき点の1つは、これらの分散システムがどのように機能するか (幅広い参加者がデータの有効性について合意する必要があるため)、情報の共有と処理の方法が原因でトランザクションの処理時間が遅くなる可能性があることです。したがって、ブロックチェーンはスケーリングする必要があります。つまり、より多くのデータをより高速に処理できる必要があるということです。スケーラビリティについて説明するときに、この点に戻ります。
さらに、分散性という性質は、基礎となるブロックチェーンが安全である場合にのみ実現します。ブロックチェーンにセキュリティが欠けている場合、悪意のある人物が制御を取り、データを有利に変更することができます。これは、トリレンマの2番目の部分であるセキュリティにつながります。
ブロックチェーン・セキュリティとは?ブロックチェーンがどれほど分散化されていても、セキュリティが欠けていれば意味がありません。優れたブロックチェーンネットワークは、悪意のあるエンティティからの攻撃に耐性を持っている必要があります。中央集権型システムは、システムを閉鎖的にすることでセキュリティ実現しています。誰が管理している場合でも、データが干渉を受けていないことでセキュリティを保証しています。しかし、誰でも参加できる分散型システムにおいては、どのように達成されるのでしょうか?
これは複雑なトピックですが、分散型ブロックチェーンセキュリティの例として、Bitcoinに立ち返ってみましょう。Bitcoinブロックチェーンは、暗号化とProof of Work (PoW) と呼ばれるネットワークコンセンサスメカニズムの組み合わせを使用します。暗号化の側面では、各ブロックには一種のデジタル署名 (またはハッシュ) があります。データの各ブロックは、変更するとブロックのハッシュが変更されるため、改ざんできない方法で接続されます。データを変更しようとすると、ネットワーク上ですぐに特定されます。
PoWコンセンサスメカニズムは、パズルの一部分です。これが、仮想通貨の台帳の安全性の維持に役立ちます。「Proof of Work」の理解には、それ自体で1つの記事が必要となりますが、ここでは、ネットワークのメンバーが新しいトランザクションを検証し、マイニングと呼ばれる活動を通じてのみ、そのトランザクションを台帳に追加できることに注意してください。これには、計算能力を使用して数学的なパズルを解くことが含まれます。プロセスの一部では、これらのコンピューターが多数のハッシュ機能を実行する必要があります。PoWメカニズムは安全ですが、処理能力は比較的遅いため、これはスケーラビリティの問題に影響します。
また、ネットワーク内に参加者 (ノード) が多いほど、安全性が高くなることにも注意してください。つまり、参加者の数が多いほど、1人の悪意のある人物がシステムを制御するのが難しくなります。これは、51%攻撃として知られている攻撃手法に関連しています。概要として、単一のエンティティ (または悪意のあるグループ) がブロックチェーンの合計ネットワークハッシュレートの50%以上を制御できる場合、コンセンサスを上書きし、トークンの二重支払など、自分自身に利益をもたらすようにチェーンのデータを変更することができます。 
要するに、セキュリティはブロックチェーンが成功するための基本的な要件であり、ブロックチェーンがなければ、攻撃者がチェーンを制御して役に立たなくなる可能性があります。
スケーラビリティとは?スケーラビリティとは、毎秒より多くのトランザクションをサポートすることができるブロックチェーンを構築するという目標を指します。ブロックチェーン技術がより広い社会、そしておそらく何十億人ものユーザーにサービスを提供するためには、スケールが必要です。しかし、これは多くのブロックチェーンがいまだに苦労している領域です。 
これは、分散化とセキュリティがブロックチェーンにとって基本であり、最初に注目される傾向があります。分権化はブロックチェーンの精神と目標において重要なものであり、多くのブロックチェーンのコンセプトの中心にある概念です。これまで説明してきたように、セキュリティはブロックチェーンを成功させ、有用とするために必要な重要な要件です。
しかし、分散化とセキュリティを優先することで、スケーラビリティが課題になります。分散化とセキュリティを優先すると、チェーンが処理できるトランザクションの数は、大幅に制限される可能性があります。Visaなどの中央集権型決済システムは、毎秒24,000件のトランザクションをサポートできると述べています。これは、ネットワークが閉鎖的であり、パブリックノードやコンセンサスなどを考慮していないためです。これを最も有名な他のブロックチェーンと比較してみましょう。 
2022年のブルームバーグによると、「9月現在、Bitcoinは毎秒7件以上のトランザクションを処理できず、2番目に人気のあるネットワークのEthereumは毎秒約15件に制限されていました。」
前述のように、これらのブロックチェーンのトランザクション速度は、分散型ネットワークを構成するさまざまな参加者によって情報を処理する必要があることと、PoWコンセンサスメカニズム自体の性質のために制限されています。社会でブロックチェーン技術を使用する人が増えると、処理できるトランザクション数が制限されるため、ネットワークが混雑します。
ブロックチェーンのトリレンマが存在する理由上記で概説した問題に対する最も明白で基本的な解決策は、規模と速度の向上と引き換えに、ネットワークデータを検証して追加する参加者の数を減らすことです。しかし、そうすることは、少数の参加者に制御権を委ねることになり、分散化の弱体につながるでしょう。また、参加者が少ないほど攻撃の可能性が高まるため、セキュリティの弱体化にもつながります。
したがって、ここにトリレンマがあります。分散性とセキュリティに求められる特性の間にある関係を考慮すると、ブロックチェーンの仕組みにおける基本的な設計により、スケーリングが困難になります。どちらかを強化した場合、もう片方が弱くなってしまいます。分散性、セキュリティ、またはその両方を損なうことなく、スケーラビリティを推進するにはどうすれば良いでしょうか?
ブロックチェーン・トリレンマの解決このトリレンマに対する絶対的な解決策はありません。しかし、この問題を解決することの重要性を考えると、コミュニティ内には興味深い結果をもたらすさまざまなアプローチがあります。この分野で何が起こっているのかを理解するために、最も人気のあるアプローチの概要をいくつか見てみましょう。
1. シャーディングこれは、ブロックチェーン (または他のタイプのデータベース) を、特定のデータセグメントを管理する、より小さなブロックチェーンに分割する方法です。この設定により、ネットワーク上のすべてのトランザクションと相互作用を処理する単一のチェーンからストレスが取り除かれます。分割された各ブロックチェーンはシャードと呼ばれ、固有の台帳を持っています。これらのシャードは独自のトランザクションを処理できますが、ビーコンブロックチェーンまたはメインチェーンはシャード間の相互作用を管理します。これにより、シャーディングはブロックチェーン・メインネットの変更であるため、レイヤー1のネットワーク・スケーラビリティのアップグレードになります。
2. 異なるコンセンサスメカニズムBitcoinネットワークにトリレンマが存在する理由の1つは、セキュリティを確保するためのPoWによるものです。マイナー、暗号化アルゴリズム、および大量の分散型コンピューティングパワーが必要なため、システムの安全性は高くなりますが、処理速度は低くなります。コンセンサスを確保するために別の方法を見つけることは、トリレンマを解決するための1つのアプローチです。これが、EthereumがPoWからProof of Stake (PoS) に移行した理由の1つです。
PoSブロックチェーンでは、トランザクションの検証に関与する参加者はトークンをステーク (ロック) する必要があります。高度かつ専門性の高いマイニング機器は必要ありません。ネットワーク上にバリデーターを追加することは、簡単かつ誰でも行うことができます。PoSは、スケーラビリティを念頭に置いたコンセンサスメカニズムのアプローチの1つにすぎません。 
3. レイヤー2ソリューションシャーディングと別のコンセンサスメカニズムはどちらもレイヤー1ソリューションです。これらのアプローチは、基盤となるネットワークの基本設計を変更しようとしています。しかし、トリレンマを解決しようとしている他の開発者は、既存のネットワーク構造の上に構築されたソリューションに取り組んでいます。言い換えれば、彼らは答えが2番目のレイヤー、すなわちレイヤー2にあると考えています。この例には、サイドチェーンやステートチャネルが含まれます。
サイドチェーンは、基本的にメインチェーンに接続された独立したブロックチェーンです。これは、資産が2つのチェーン間で自由に転送できるように設定されています。重要なのは、サイドチェーンがさまざまなルールの下で稼働できるため、速度とスケールを向上することです。同様に、ステートチャネルは、トランザクションをメインチェーンから外し、レイヤー1へのプレッシャーを緩和するもう1つの方法です。ステートチャネルは、個別のチェーンではなくスマートコントラクトを使用して、ユーザーがトランザクションをブロックチェーンに公開することなく、互いにやりとりできるようにします。ブロックチェーンは、チャネルの開始と終了のみを記録します。
まとめスケーラビリティのトリレンマは、ブロックチェーンが世界を変える技術としての可能性を発揮するのを妨げています。ブロックチェーンネットワークが分散化とセキュリティを維持するために毎秒少数のトランザクションしか処理できない場合、一般への普及に到達することは困難です。しかし、この問題を解決しようとしている開発者によって現在提案されている解決策は、ブロックチェーンによってすでになされた技術的進歩が続くだけであり、これらのネットワークは将来さらに多くのデータを処理できる可能性があることを示唆しています。