[NEAR Protocol]Near Protocol: 'Blockchains Cannot Scale Without Sharding!' - Illia Polosukhin. Alex Skidanov 546

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まとめ
NEARプロトコルは、シャーディングを活用することで、ブロックチェーンのスケーラビリティを高める革新的なプロジェクトである。NEARでは、データ可用性とコンセンサスの統合、ステートレス検証、動的シャーディング、リーダーレスチャンクプロダクションなどの独自の設計により、シャーディングの効率とセキュリティを高めている。これにより、大規模なユーザー基盤とトランザクション処理能力を実現し、他のブロックチェーンを上回るパフォーマンスを示している。一方で、シャーディングにはアトミックトランザクションの制限などの課題もあるが、長期的にはシャーディングなしでのスケーリングは現実的ではない。NEARは、これらの課題に適応しつつ、シャーディングの利点を最大限に活用することで、ブロックチェーンの大規模な普及を目指している。また、チェーン抽象化により、他のブロックチェーンとのシームレスな相互運用性も実現する。NEARの革新的なアプローチは、Web3の発展に大きく貢献すると期待される。

詳細について

• ブロックチェーンのスケーリングにはシャーディングが不可欠である ブロックチェーンが大規模なユーザーベースを獲得するためには、トランザクションの処理能力とデータ容量を拡張する必要がある。しかし、単一のノードですべてを処理することは現実的ではない。そこで、ブロックチェーンをシャード（分割）し、各シャードが並列に処理を行うことでスケーリングを実現する。これにより、ユーザー数の増加に合わせて容量を拡張できる。シャーディングなしでは、トランザクション手数料の高騰や処理速度の低下が避けられない。したがって、ブロックチェーンの長期的な成長と普及には、シャーディングが不可欠な技術となる。

• シャーディングにおけるデータ可用性とコンセンサスの統合 NEARプロトコルでは、データ可用性とコンセンサスを統合することで、シャーディングの効率を高めている。各シャードのチャンクプロデューサーは、トランザクションデータをイレイジャーコーディングし、全ノードに分散する。これにより、一部のノードが機能停止しても、データを復元できる。また、ブロック承認の際、バリデーターはチャンクデータの一部を受け取っていることを確認する。十分な数のバリデーターが署名すれば、チャンクデータが利用可能であることが保証される。このようにデータ可用性とコンセンサスを一体化することで、効率的かつ安全なシャーディングを実現している。

• バリデーターのローテーションによるアダプティブ攻撃への耐性 シャーディングされたブロックチェーンでは、各シャードを担当するバリデーターが限定されるため、悪意のある者によるアダプティブ攻撃のリスクがある。NEARプロトコルでは、バリデーターを頻繁にローテーションすることで、このリスクを軽減している。バリデーターは、各ブロックごとにランダムに選択され、異なるシャードを検証する。これにより、特定のシャードを長期間担当することがなくなり、アダプティブ攻撃が困難になる。また、ステートレス検証により、バリデーターはシャードの完全な状態を保持する必要がなくなるため、ローテーションがスムーズに行える。バリデーターのローテーションは、シャーディングされたブロックチェーンのセキュリティを高める重要な機能である。

• チャンクプロデューサーとバリデーターの役割 NEARプロトコルでは、チャンクプロデューサーとバリデーターが異なる役割を担っている。チャンクプロデューサーは、各シャードのトランザクションを収集し、チャンクを生成する。チャンクには、トランザクションデータとステートの変更が含まれる。チャンクプロデューサーは、チャンクをイレイジャーコーディングし、全ノードに分散する。一方、バリデーターは、チャンクの検証を行う。バリデーターは、ステートの証人（ステートの変更前と変更後の状態）を確認し、チャンクが正しく処理されたかを検証する。十分な数のバリデーターが署名すれば、チャンクが承認される。チャンクプロデューサーとバリデーターの役割を分担することで、効率的かつ安全なシャーディングを実現している。

• ステートレス検証とその利点 NEARプロトコルでは、ステートレス検証を採用することで、バリデーターの負担を軽減している。ステートレス検証では、バリデーターはブロックチェーンの完全な状態を保持する必要がない。代わりに、チャンクプロデューサーがトランザクションに必要なステートの証人を提供する。バリデーターは、この証人を使ってトランザクションを検証する。これにより、バリデーターはシャードの状態を同期する必要がなくなり、リソースの消費が抑えられる。また、ステートレス検証により、バリデーターのローテーションがスムーズに行える。新しいバリデーターは、すぐにブロックの検証を開始できる。ステートレス検証は、シャーディングの効率とセキュリティを高める重要な技術である。

• ブロックチェーンの動的なシャード分割 NEARプロトコルでは、ブロックチェーンを動的にシャード分割することで、負荷の変動に対応している。初期状態では、ブロックチェーンは1つのシャードとして動作する。トランザクションの増加に伴い、シャードを分割し、処理能力を拡張する。シャードの分割は、ガバナンスプロセスを通じて行われる。十分な数のバリデーターが賛成すれば、新しいシャードが作成される。また、ステートレス検証により、バリデーターはシャード間を柔軟に移動できる。これにより、負荷の高いシャードに多くのバリデーターを割り当てることができる。動的なシャード分割は、ブロックチェーンのスケーラビリティを高め、ユーザーの需要に応じて処理能力を最適化する。

• リーダーレスチャンクプロダクションの設計 NEARプロトコルでは、リーダーレスチャンクプロダクションを導入することで、チャンクの生成を効率化している。従来のモデルでは、各シャードに1つのチャンクプロデューサーが割り当てられ、トランザクションの収集とチャンクの生成を行う。しかし、チャンクプロデューサーがオフラインになると、チャンクの生成が遅れる可能性がある。リーダーレスチャンクプロダクションでは、複数のチャンクプロデューサーが並行してチャンクを生成する。各チャンクプロデューサーは、ランダムなロッタリーチケットを持ち、最も高いチケットを持つプロデューサーのチャンクが採用される。これにより、チャンクの生成が遅れるリスクを軽減できる。リーダーレスチャンクプロダクションは、シャーディングの可用性と効率を高める革新的な設計である。

• シャーディングによるアトミックトランザクションの制限 シャーディングは、ブロックチェーンのスケーラビリティを高める一方で、アトミックトランザクションに制限をもたらす。アトミックトランザクションとは、複数のアカウントを同時に更新するトランザクションである。シャーディングでは、アカウントが異なるシャードに存在する可能性があるため、アトミックトランザクションが困難になる。NEARプロトコルでは、当初からこの制限を考慮し、アプリケーション設計に反映している。クロスシャードメッセージングにより、シャード間のトランザクションを実現している。また、フラッシュローンのような特定のユースケースは、シャーディングでは実現が難しい。しかし、長期的には、シャーディングなしでのスケーリングは現実的ではないため、これらの制限に適応することが重要である。

• チェーン抽象化によるクロスチェーン通信 NEARプロトコルでは、チェーン抽象化の概念を導入することで、他のブロックチェーンとのシームレスな通信を実現している。チェーン抽象化では、他のブロックチェーン上のアカウントをNEARアカウントとして扱うことができる。これにより、NEARのスマートコントラクトは、イーサリアムやその他のブロックチェーン上のアカウントとシームレスに通信できる。チェーン抽象化では、メッセージングとデータ可用性が重要な役割を果たす。NEARは、他のブロックチェーンのステートルートを検証し、メッセージを中継する。これにより、異なるブロックチェーン間でのアトミックなトランザクションが可能になる。チェーン抽象化は、マルチチェーンの相互運用性を高め、Web3の発展に貢献する革新的な技術である。

• シャーディングの利点と課題 シャーディングは、ブロックチェーンのスケーラビリティを高める有望な技術である。シャーディングにより、トランザクションの処理能力とデータ容量を拡張できる。また、シャードを動的に分割することで、負荷の変動に対応できる。NEARプロトコルでは、データ可用性とコンセンサスの統合、ステートレス検証、リーダーレスチャンクプロダクションなどの革新的な設計により、シャーディングの効率とセキュリティを高めている。一方で、シャーディングにはいくつかの課題もある。アトミックトランザクションが制限され、特定のユースケースが実現しにくくなる。また、シャード間のメッセージングにはレイテンシが発生する。しかし、長期的には、シャーディングなしでのスケーリングは現実的ではない。これらの課題に適応し、シャーディングを活用することが重要である。

• イーサリアムのロールアップとNEARのシャーディングの経済的な関係性の違い イーサリアムでは、ロールアップを使ったスケーリングが主流になりつつある。ロールアップは、イーサリアムのメインチェーンとは異なる経済的な関係性を持つ。ロールアップは、トランザクション処理に対して手数料を徴収し、その一部をイーサリアムに支払う。しかし、ロールアップで生成された手数料の大部分は、ロールアップ自体に帰属する。これにより、イーサリアムのメインチェーンの収益が減少する可能性がある。一方、NEARのシャーディングでは、すべてのシャードがNEARトークンにより統治される。シャードで生成された手数料は、NEARトークンホルダーに分配される。これにより、NEARエコシステム全体の経済的なインセンティブが調整される。NEARのシャーディングは、スケーリングと経済的な持続可能性を両立する優れたモデルである。

• NEARの大規模なユーザー基盤とトランザクション処理能力 NEARプロトコルは、シャーディングにより、大規模なユーザー基盤とトランザクション処理能力を実現している。NEARは、日次アクティブユーザー数において、他のブロックチェーンを上回っている。また、トランザクション数においても、イーサリアムのレイヤー2ソリューションを合わせたものよりも多い。これは、シャーディングによるスケーラビリティの高さを示している。NEARでは、ユーザー数の増加に合わせてシャードを分割し、処理能力を拡張している。これにより、トランザクション手数料の上昇を抑え、ユーザーにとって利用しやすい環境を維持している。NEARの大規模なユーザー基盤とトランザクション処理能力は、シャーディングの有効性を実証するものである。NEARは、ブロックチェーンの大規模な普及を実現する有力な候補の一つである。