ブロックチェーン技術では、「スケーリング」という用語は、2 秒あたりに実行されるトランザクションの数によって測定される、システムのスループットを向上させることを意味します。 暗号通貨が日常生活でますます使用されるようになると、ネットワーク セキュリティや記録管理などを改善するためにブロックチェーン レイヤーを作成することが必要になりました。 分散型エコシステムの最初のレイヤーはブロックチェーンです。 一方、レイヤー 1 は、レイヤー XNUMX と組み合わせたサードパーティ コンポーネントの統合であり、ノード数を増やしてシステム スループットを増やします。 現在、第 XNUMX 層のブロックチェーンに基づく多くのソリューションが実装されています。 これらのソリューションは、スマート コントラクトを使用してトランザクションを自動化します。
レイヤーXNUMXブロックチェーンとレイヤーXNUMXブロックチェーン
ブロックチェーン テクノロジーには多くの利点があります。セキュリティ レベルが向上し、不要な手間をかけずにトランザクションを実行し、記録を保持できるようになります。 しかし、その使用が普及するにつれて、多くの問題が発生します。 そのような問題の XNUMX つがスケーラビリティです。
ブロックチェーンでは、分散型システムの各トランザクションはいくつかの段階を経る必要があり、これにはかなりの計算能力と時間が必要です。 データを処理するブロックチェーンの能力を向上させるために、ブロックチェーン開発者はその構造に第XNUMXレベルのスケーリングを実装します。 それがどのように機能するかについてもっと知りましょう。
ブロックチェーンのスケーラビリティが重要なのはなぜですか？
「スケーラビリティ」という言葉の定義は、専門家によって異なります。 ただし、ブロックチェーンのスケーラビリティとは、その時点でのユーザーの総数に関係なく、すべてのユーザーに豊かなエクスペリエンスを提供するシステムの能力を意味します。
「スループット」という用語は、システムによって 20 秒間に処理されるトランザクションの数を指します。 Visa などの企業/決済チャネルは 000 近くを処理していますが、 TPS 主な電子決済ネットワーク VisaNet を使用して ビットコインブロックチェーン 3〜7TPSしか実行できません。
スループットの違いは衝撃的かもしれませんが、これには簡単な説明があります。 ビットコインは分散型システムを使用していますが、VisaNet は集中型システムで動作します。 前者は、ユーザーのプライバシーを確保するために、より多くの処理能力と時間を使用します。 各データ トランザクションは、受け入れ、 採掘、ノードネットワークによる配布と検証。
暗号通貨はビジネスの世界で不可欠な力になると予想されているため、ブロックチェーン開発者はブロックチェーンの範囲を拡大しようとしています。 ブロックチェーンレイヤーを作成し、レイヤーXNUMXのスケーリングを最適化することで、処理時間を短縮し、TPSを向上させたいと考えています。
スケーラビリティとビットコインの闘い
ビットコインは、デジタル通貨を送受信するための単純なブロックチェーンとして始まりました。 しかし、当初からスケーラビリティの問題に直面しており、ビットコインを使い始める人が増えるとどうなるのかという疑問が生じています。
このシナリオは、ネットワークの問題と考えることができます。 各システムには一定量のスループットがあり、XNUMX秒あたりの特定の数のトランザクション（TPS）しか処理できません。 さらに、分散型システムの各トランザクションを検証する必要があるため、十分なデータストレージスペースが必要です。
2021年に早送りします。 ビットコインの人気が高まるにつれ、予想通りのことが起こりました。プロトコルがオーバーフローしました。 その結果、データ処理速度が低下しました。
現在のブロックチェーンに第XNUMX層テクノロジーが必要なのはなぜですか？
答えは簡単です。需要の増加とトランザクションのコストの増加です。 例としてイーサリアムを使用してこれを説明しましょう。
イーサリアムにはコンセンサスメカニズムがあるため、多くの分散型アプリケーションが可能になります。 ブロックチェーン テクノロジでは、コンセンサス メカニズムはフォールト トレラントなシステムであり、分散ノード上のネットワークの XNUMX つの状態で合意を行うことができます。 これらのプロトコルは、すべてのノードがトランザクションに同意し、同期していることを保証します。 これにより、イーサリアム ブロックチェーンは上書きや攻撃が非常に困難になります。
イーサリアムの安定性とセキュリティのおかげで、ICO の流行が始まり、その結果、個人がブロックチェーンでコインを作成し始めました。 その結果、ユーザーが流入し、イーサリアムで行われるトランザクション数が増加しました。 システムが詰まると、イーサリアム ネットワーク上で取引を処理する当事者が支払う取引手数料 (または「ガス」) が増加しました。
ブロックチェーンネットワークが詰まると、保留中のトランザクションがメモリプールに残り、処理に時間がかかります。 この問題を解決するために、鉱夫はそれらを確認するために、より高いガス価格での取引を優先し始めています。 これにより、トランザクションを完了するために必要な最小値がさらに引き上げられます。
価格上昇のサイクルは、ガス価格が高騰し、誰にとっても状況を悪化させるところまで来ています。 レイヤーXNUMXスケーリングは、この問題に対処し、トランザクションコストを削減することを目的としています。
第XNUMXレベルの問題
第 XNUMX 層のネットワークは、分散型システムのブロックチェーンです。 そのようなネットワークの XNUMX つの例は、ビットコインとイーサリアムです。
レイヤーXNUMXスケーリングは、スケーラビリティを確保するためにブロックチェーンの基礎となるプロトコルを変更します。 このようなソリューションでは、プロトコルルールが変更され、トランザクションのスループットと速度が向上し、より多くのデータとユーザーに対応できるようになります。
第XNUMXレベルのスケーリングは、次のようになります。
- ブロック確認速度の向上
- データを含むブロックの容量を増やします。
これらのスケーリングソリューションを組み合わせることで、ネットワーク帯域幅が増加します。 ただし、Tier1は増加するブロックチェーンユーザーの数に追いつくことができないようです。 以下にリストされているのは、システムのいくつかの欠点です。
非効率的なコンセンサスプロトコル
レイヤー1ブロックチェーンは、古くて扱いにくいプルーフオブワークコンセンサスメカニズムを引き続き使用します。
このメカニズムは他のメカニズムよりも安全ですが、その速度によって使用が制限されます。 鉱夫は、暗号化アルゴリズムを解決するために計算能力を使用する必要があります。 したがって、一般に、より多くの計算能力と時間が必要です。
ソリューション
代替コンセンサスは ステークホルダー、で使用されます エテリアム2.0。 このコンセンサスメカニズムは、ネットワーク参加者の提供に従ってトランザクションデータの新しいブロックを確認し、プロセスをより効率的にします。
過度のワークロード
ユーザー数が増えると、第XNUMX層のブロックチェーンのワークロードも増えました。 このため、データ処理の速度とパフォーマンスが低下しました。
ソリューション
この問題に対する大規模な解決策は、シャーディングです。 簡単に言えば、シアリングは、トランザクションの検証と認証の作業を小さくて管理しやすいチャンクに分割します。 このようにして、より多くのノードの処理能力を利用するために、ワークロードをネットワーク全体に分散させることができます。
ネットワークはこれらのフラグメントを並行して処理するため、複数のトランザクションのシリアル処理が同時に発生する可能性があります。
レイヤー2スケーリングソリューション
レイヤー 2 ブロックチェーンは「ネイティブ」レベルで動作し、効率を高めます。 トランザクションを効果的にオフロードすることで、レイヤー 2 はレイヤー 1 ブロックチェーンのトランザクション負荷の一部を引き継ぎ、それを別のシステム アーキテクチャに転送します。
次に、レイヤー2ブロックチェーンがロードを処理し、結果の最終処理のためにデータをレイヤー1に渡します。 データ処理の負荷のほとんどがこの隣接するサポートアーキテクチャに転送されるため、ネットワークの輻輳が軽減されます。Tier1ブロックチェーンは、過負荷が少なくなるだけでなく、よりスケーラブルになります。
第 XNUMX レベルのブロックチェーンの例は、ネットワークです。 雷ネットワーク ビットコイン。第 XNUMX レベルでスケーラブルで、同時にビットコインからの負荷を受け取り、ビットコインに報告します。 その結果、ライトニング ネットワークはビットコイン ブロックチェーンのデータ処理速度を向上させます。 さらに、ライトニング ネットワークは、レイヤー XNUMX ビットコイン ブロックチェーンにスマート コントラクトをもたらします。
他のいくつかの第XNUMXレベルのスケーリングソリューションは次のとおりです。
ネストされたブロックチェーン（プラズマ）
ネストされた第XNUMXレベルのブロックチェーンは、別のブロックチェーンの上で実行されます。 基本的に、第XNUMXレベルのブロックチェーンがパラメーターを設定し、第XNUMXレベルのネストされたブロックチェーンがプロセスを実行します。
XNUMXつのメインブロックチェーンに複数のブロックチェーンレイヤーが存在する場合があります。 典型的な企業構造のように考えてください。 XNUMX人の人（たとえば、マネージャー）がすべての作業を行う代わりに、マネージャーは部下にタスクを割り当てます。部下は、タスクを完了するとすぐにマネージャーに報告します。 したがって、マネージャの負荷が軽減され、スケーラビリティが向上します。
例として、OMG Plasmaプロジェクトがあります。これは、レイヤーXNUMXプロトコルEthereumのレイヤーXNUMXブロックチェーンとして機能し、より安価で高速なトランザクションを可能にします。
州のチャネル
状態チャネルにより、ブロックチェーン参加者間の双方向通信が可能になります。 同時に、マイナーなどの第三者がプロセスに関与しないため、参加者は待ち時間を短縮できます。
それはどのように動作するのです：
- スマートコントラクトの枠組みの中で、参加者はベースレイヤーの一部をブロックすることに事前に同意します。
- その後、彼らは互いに直接対話することができ、鉱夫を巻き込む必要がなくなります。
- トランザクションのセット全体を完了した後、チャネルの最終状態をブロックチェーンに追加します。
イーサリアムの雷電ネットワークとビットコインのライトニングネットワークはどちらも州のチャネルの例です。 ライトニングネットワークを使用すると、参加者は一定期間にわたって複数のマイクロトランザクションを実行できます。 同時に、雷電は参加者が個人的なチャネルを通じてスマートコントラクトを実行することを可能にします。
ライトニングネットワークなどの政府チャネルも、参加者だけがトランザクションを認識しているため、完全に安全です。 一方、第XNUMX層のイーサリアムブロックチェーンは、すべてのトランザクションを公的に検証可能な元帳に記録します。
サイドチェーン
サイドチェーンは、ライトニング ネットワークやスマート コントラクトなどの政府チャネルとともに、レイヤー XNUMX ブロックチェーン テクノロジをスケーリングするためのソリューションでもあります。 サイドチェーンは、多数のトランザクションを容易にするトランザクション チェーンです。 ネイティブ層から独立したコンセンサスメカニズムを備えています。 このメカニズムを最適化して、スケーラビリティと処理速度を向上させることができます。 この状況では、メインチェーンは取引記録を確認し、セキュリティを維持し、紛争を解決する必要があります。
サイドチェーンは、すべてのトランザクションを元帳に公に記録するという点で、パブリックチャネルとは異なります。 また、サイドチェーンでセキュリティ違反が発生した場合でも、他のサイドチェーンや基盤となるメインチェーン自体には影響しません。
ロールアップ
ロールアップは、レイヤー XNUMX ブロックチェーンの外部でトランザクションを実行し、その上でトランザクション データをホストするレイヤー XNUMX ブロックチェーン スケーリング ソリューションです。 データはベース レイヤーにあるため、最初のレイヤーでロールアップを保護できます。
ロールアップにはXNUMXつの異なるものがあります セキュリティモデル:
楽観的なロールアップ： それらでは、トランザクションはデフォルトで有効と見なされます。 したがって、問題がある場合にのみ不正検出の計算を実行します。
知識がゼロのロールアップ： これらのロールアップは、オフチェーン計算を実行します。 その後、有効性の証明をベースレイヤーまたはメインチェーンに渡します。
ロールアップは、トランザクションスループットの向上、オープンな参加、およびユーザーのガス料金の削減に役立ちます。
レイヤー1および2の制約
マルチレベルのブロックチェーンには多くの利点があります。 たとえば、Tier 1ソリューションの主な利点は、基盤となるレイヤーが変更されても、開発者が既存のアーキテクチャに何も追加する必要がないことです。
一方、スケーリング用のレイヤー2ソリューションは、ベースレイヤープロトコルを変更しません。 さらに、これらのソリューションにより、ユーザーが高額の支払いをすることなく、多くのマイクロトランザクションを実行できます。 取引手数料 または鉱夫をチェックする時間を費やします。
ただし、これらのブロックチェーンレイヤーには両方とも、考慮する必要のある独自の制限があります。
既存のプロトコルへの追加
ブロックチェーンレイヤーの主な問題は、既存のプロトコルにそれらを追加することです。 ビットコインとイーサリアムの時価総額は数十億ドルです。 ユーザーは毎日数百万ドルを取引しています。 したがって、コストがかかるため、不要なコーディングや実験によってプロセスを複雑にすることは意味がありません。
スケーラビリティのトリレンマ
Ethereum の創設者である Vitalik Buterin は、「スケーラビリティのトリレンマ」という用語を作り、ブロックチェーンが XNUMX つの要素を両立させる能力を指しています。 有機特性:
- セキュリティ
- スケーラビリティ
- 分権化
トリレンマは、どのブロックチェーン技術も最大 XNUMX つのプロパティを持つことができるが、XNUMX つすべてを同時に持つことはできないと述べています。 したがって、現在のブロックチェーン技術は、常に基本的な特性の XNUMX つを妥協せざるを得なくなります。 ビットコインはその好例です。 ブロックチェーンは分散化とセキュリティを最適化することに成功しましたが、スケーラビリティについては妥協しなければなりませんでした。
第XNUMXレベルと第XNUMXレベルの後の未来は何ですか？
スケーラビリティは、ブロックチェーン業界で暗号通貨の大量採用が現在不可能である理由の XNUMX つです。 暗号通貨の需要が高まるにつれて、ブロックチェーン プロトコルを拡張する圧力も高まります。 ブロックチェーンの両方のレイヤーには特定の制限があるため、将来の解決策は、スケーラビリティのトリレンマを解決できるプロトコルを作成することです。
合計
上記のボトルネックに関しては、1つのオプションがあります。2）スケーリングの問題を軽減するか、2.0）実行可能な代替案を探します。 ブロックチェーン開発者は、Ethereum XNUMXで動作するレイヤーXNUMXスケーリングに移行するときに、最初のオプションを選択しています。
公開時点では、ブロックチェーン システムはまだ開発中です。 将来の切実な問題は、ブロックチェーン レイヤーと第 XNUMX レイヤーのスケーリングが一時的なものになるか、永続的なものになるかということです。 現時点では、誰も確実に知りません。