ブロックチェーンにおけるスケーリングとは何を意味し、なぜ難しいのでしょうか?

ブロックチェーンのスケーリングとは？

ブロックチェーンにおけるスケーリングとは、パフォーマンス、セキュリティ、分散性を損なうことなく、増加するトランザクション数やユーザーベースに対応できるブロックチェーンネットワークの能力を指します。スケーリングの基本的な目標は、スループット（1秒あたりのトランザクション数）の向上、レイテンシの削減、そして特に普及が進むにつれてネットワーク利用に伴うコストの抑制です。

例えば、ブロックチェーンネットワークの元祖であるビットコインは1秒あたり約7トランザクション（TPS）を処理できますが、主要なスマートコントラクトプラットフォームであるイーサリアムは1秒あたり約15～30トランザクションしか処理できません。一方、Visaのような従来の決済システムは24,000TPS以上を処理できます。この大きな差は、ブロックチェーン技術が直面するスケーラビリティの課題を如実に示しています。

スケーリングのアプローチには、大きく分けて2つのカテゴリーがあります。

• オンチェーンスケーリング： ブロックチェーンのメインプロトコルに変更を加えることで、1秒あたりのトランザクション数を増やすこと。これには、ブロックサイズの増加、ブロックタイムの短縮、コンセンサスアルゴリズムの変更などが含まれる場合があります。
• オフチェーンスケーリング: メインブロックチェーンと連携しながらも独立して動作する補助システムまたはセカンダリレイヤーにトランザクション処理をオフロードすることで、全体的なスループットを向上させます。

効果的なスケーリングは、ブロックチェーンのセキュリティと分散性を維持する必要があります。しかし、これは大きな技術的課題を伴います。ある側面への変更が他の側面を損なう可能性があり、「スケーラビリティのトリレンマ」と呼ばれる状況につながるからです。

スケーラビリティのトリレンマ

イーサリアムの共同創設者であるヴィタリック・ブテリンによって提唱されたスケーラビリティのトリレンマは、ブロックチェーンシステムは以下の3つの特性のうち、最大でも2つを同時に実現できるというものです。

• 分散化: 中央集権に依存せず、独立したノードが平等に参加できること。
• セキュリティ: 攻撃や改ざんから保護できること。
• スケーラビリティ: 大量のトランザクションを効率的に処理できること。

難しいのは、これら3つすべてを最適化することです。スループットを向上させるにはブロックを大きくし、スケーラビリティを向上させる必要がありますが、多くの場合、より多くの計算能力が必要になり、ノードの参加が集中化し、分散性が弱まります。同様に、コンセンサスステップを追加するとセキュリティは強化されますが、スケーラビリティが低下する可能性があります。

金融からサプライチェーンまで、さまざまな業界でブロックチェーンの導入が進むにつれ、スケーラビリティ問題の解決は極めて重要になっています。開発者や研究者は、ブロックチェーンネットワークのコアバリューを維持しながら、ネットワークを拡張するための革新的な方法を積極的に模索しています。

なぜブロックチェーンのスケーリングは難しいのか？

ブロックチェーンネットワークのスケーリングは、分散化とセキュリティを優先する基本的な設計上の選択により、本質的に困難です。これらの設計原則は、不変性やトラストレス性といったブロックチェーンの最大のメリットの一部をもたらす一方で、処理速度とデータストレージにも制限をもたらします。

1. コンセンサスメカニズム

あらゆるブロックチェーンネットワークの中核を成すのは、コンセンサスメカニズム、つまり参加者が台帳の状態について合意する方法です。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）やプルーフ・オブ・ステーク（PoS）といった一般的なメカニズムでは、すべてのトランザクションの正当性を保証するために、集中的な計算処理や分散検証作業が必要になります。

これらのメカニズムは詐欺や改ざんから保護しますが、遅延も生じます。ビットコインの場合、ブロックの平均生成時間は10分であり、トランザクションの確定速度が制限されます。ブロックサイズを大きくしてより多くのトランザクションを詰め込むことは有効かもしれませんが、ノードへのデータ負荷が大きくなり、参加意欲が減退し、制御が集中化してしまう可能性があります。

2. ネットワークの伝播

もう一つのハードルは、新しいブロックをネットワーク全体に伝播させるのに必要な時間です。分散型システムでは、ノードは地理的に分散した場所で通信する必要があります。ブロックが大きいほど伝播に時間がかかり、孤立ブロックやコンセンサス問題が発生する可能性が高まり、信頼性と効率性が低下します。

3. データストレージとノード要件

ブロックチェーンのデータは、すべてのフルノードに冗長的に保存されます。ブロックチェーンが成長するにつれて、ノードを動作させるために必要なストレージと帯域幅も増加します。慎重にバランスを取らないと、ノードを操作できる人数が減少し、分散化が損なわれます。例えば、イーサリアムは、スケーリングを妨げる過剰なデータストレージの問題に対処するために、「ステートレント」提案を導入しました。

4.後方互換性とフォーク

スケーラビリティの向上を実現するには、通常、ブロックチェーンのコアプロトコルの変更が必要です。これらの変更は多くの場合「ハードフォーク」につながり、既存のチェーンとエコシステムを分裂させます。これは混乱、断片化、そしてコミュニティのコンセンサス喪失を引き起こす可能性があります。スケーラブルなアップグレードを実装しながら後方互換性を維持することは、依然として大きな課題です。

5. セキュリティ上の脆弱性

スケーリングの取り組みは、意図せず新たな攻撃ベクトルを生み出す可能性があります。例えば、サイドチェーンやロールアップなどのレイヤー2ソリューションは部分的にオフチェーンで動作し、メインチェーンよりも弱いセキュリティの前提を継承している可能性があります。システムの脆弱性を高めることなく、より広範なスケーラビリティを確保することは、開発者にとって常に重要な課題です。

まとめると、ブロックチェーンソリューションをスケーリングしようとするたびに、数々のトレードオフを乗り越えなければなりません。プロトコルの最適化であれオフチェーンソリューションであれ、開発者はブロックチェーンの柱であるセキュリティと分散性を維持しながら、グローバルに分散された環境におけるパフォーマンスを向上させる必要があります。すべてのネットワークに適合する単一のソリューションは存在しないため、プラットフォームごとに戦略が多様化しています。

ブロックチェーンのスケーラビリティへのソリューション

上記の課題を踏まえ、開発者はブロックチェーンネットワークのスケーリングに多面的なアプローチを採用してきました。これらのソリューションは、トランザクション量、コンセンサス効率、データストレージといった課題をターゲットとしています。これらは、オンチェーン、オフチェーン、そしてハイブリッドモデルに大別されます。

1. レイヤー2ソリューション

• ステートチャネル： これにより、2つの当事者がオフチェーンでトランザクションを行い、最終結果のみをメインチェーンにコミットできるため、輻輳が大幅に軽減されます。例としては、ビットコインのライトニングネットワークやイーサリアムのRaidenネットワークが挙げられます。
• Plasmaとロールアップ： Plasmaチェーンは、トランザクションをメインチェーンで決済する前にまとめる、半自律的な子チェーンとして動作します。ロールアップ（楽観的またはゼロ知識）は、トランザクションデータを圧縮し、オフチェーンで処理しながら、証明をオンチェーンに保存します。これにより、セキュリティが維持され、スループットが向上します。

レイヤー2オプションは、ベースプロトコルを変更することなくトランザクション容量を大幅に増加できるため、ますます人気が高まっています。

2. シャーディング

シャーディングとは、ブロックチェーンを小さな断片、つまり「シャード」に分割し、それぞれがトランザクションとスマートコントラクトを処理できるようにすることです。メインチェーンによって調整されたシャードは、ネットワークサイズに応じて線形に拡張できます。Ethereum 2.0では、シャーディングをスケーラビリティの中心的な機能として想定していますが、実装は複雑で、現在も開発が進められています。

3.代替コンセンサスメカニズム

一部の新しいブロックチェーンは、本質的に優れたスケーラビリティを提供するコンセンサスモデルを採用しています。

• 委任型プルーフ・オブ・ステーク（DPoS）： EOSとTronで採用されているDPoSは、限られたバリデーター群に依存しており、分散性は低下するものの、トランザクション速度を向上させます。
• 履歴プルーフ（PoH）： Solanaで採用されているPoHは、トランザクションの高速シーケンス化を可能にし、スループットを向上させます。

これらのメカニズムは、セキュリティとスケーラビリティのバランスを取ろうとしますが、それぞれに限界と集中化のリスクがあります。

4. ブロックチェーンのプルーニングとストレージ効率

ブロックチェーン全体のアーカイブは膨大であり、大量のストレージ容量を必要とします。不要なデータや履歴データを削除するプルーニング技術は、ノードが参加しやすくすることを目的としています。一部のブロックチェーンでは、ステートレスなクライアントモデルも検討されています。このモデルでは、検証には現在の状態データのみが必要なため、全体的な負荷が軽減されます。

5. 相互運用性とサイドチェーン

サイドチェーン（メインチェーンにリンクされた並列ブロックチェーン）を活用することで、トランザクションの負荷を分散できます。例えば、Polygonは、計算とストレージの負荷を軽減するEthereum互換のサイドチェーンを提供しています。PolkadotやCosmosなどの相互運用性プロトコルは、チェーン間のトランザクションを容易にし、スケーラブルなマルチチェーンエコシステムを構築します。

6. 結論と今後の展望

ブロックチェーンのスケーラビリティを解決する単一のソリューションは存在しません。進歩は反復的であり、多くの場合、トレードオフを伴います。Ethereumのような主要プラットフォームはシャーディングとロールアップを徐々に実装しつつあり、オルタナティブブロックチェーンは新しいアーキテクチャを模索しています。一方、研究者たちは、DAGベースの台帳からAIを活用した取引検証に至るまで、革新的な技術の探求を続けています。

最終的には、ブロックチェーンの効率的な拡張性が、グローバルな商取引、金融、そしてそれ以外の分野でブロックチェーンがどれだけ広く採用されるかを決定づけるでしょう。拡張性は依然として技術的なハードルであると同時に、分散型システムによってデジタルインフラを再構築する機会でもあります。