ブロックチェーン/レベル VI · ビットコインの後/6.1 コピーと約束/レッスン 4
トリレンマ型セールスピッチ
検証コストとネットワークスループットのトレードオフ
用意するものBitcoin Core、Geth（Ethereum）、およびその他2つの主要なチェーンに関する公式ドキュメントで、フルノードのシステム要件が詳述されている。さまざまなチェーンにおけるノードオペレーター数とハードウェア仕様を追跡するためのスプレッドシートテンプレート
問い
- なぜブロックチェーンの速度を上げると、その履歴を検証できる人の数が減少するのか？
- 実際にチェーンがパーミッションレスのままでいられるかどうかを決定するのは、どのような具体的なハードウェアや帯域幅の要件なのでしょうか？
- スケーラビリティのために分散性を犠牲にするという選択は、ネットワークのセキュリティモデルにどのような影響を与えるのか？
探究
- 2017年頃、ヴィタリック・ブテリンは「スケーラビリティのトライレマ」という概念を広めました。それによると、分散型システムでは非中央集権性、セキュリティ、スケーラビリティという3つの特性のうち2つは容易に実現できるが、3つすべてを同時に実現することはほとんどないとされます。この枠組みは、新しいブロックチェーンが自らのアーキテクチャ上の選択を評価する際の主要な指針となりました。以前からこれらの矛盾についての議論はあったものの、ブテリンによる定式化によって、開発者がトレードオフを正当化するための標準的な用語が生まれました。高い処理能力を重視するブロックチェーンは、速度を得る代わりにより高いハードウェア要件や中央集権的な調整を受け入れざるを得ず、非中央集権性を犠牲にしなければならないことが多いのです。
- 実際には、より高いトランザクション処理能力を実現するためには、より大きなブロックサイズ、より短いブロック間隔、またはより計算負荷の高いコンセンサスルールという3つの手段のいずれかが必要となる。これらの手段は、各ルールを独立して検証するフルノードの運用コストを増加させる。ブロックデータが増えると帯域幅やストレージ容量の要求も高まり、ブロックがより頻繁に届くと同期処理の負荷も増大する。こうした技術的な要件によって、単なる参加者は排除され、チェーンの状態を検証するために必要なインフラを維持できる十分なリソースを持つ主体だけが残る。
- ビットコインは、基盤層において単なる処理速度よりも安価な検証を重視しました。ビットコインノードは、標準的なラップトップやシングルボードコンピュータといった手頃なハードウェア上で動作するため、インターネットに接続できれば誰でも全ての取引履歴を検証することができます。この設計により、コンセンサス形成に特別な企業向けの高度なインフラは不要となるため、分散型性が保たれます。処理速度の制約は、取引をオフチェーンで処理しつつメインチェーン上で最終的な確定を行うライトニングネットワーク（レベルV）のようなスケーリング層によって解決されます。
- イーサリアムはこの緊張関係を異なる形で示している。2020年にそのロードマップはシャーディングによる処理から、ロールアップ中心の計画へと移行した。ベースレイヤーは引き続き検証可能な状態を保ちつつ、ほとんどの処理はロールアップが担い、「ダンクシャーディング」によってロールアップが利用するデータ空間が拡大される（レッスン8.2.6）。ここには明確なトレードオフが存在する。より多くのデータをベースレイヤー上に置くと検証コストが増加する一方、オフチェーンに留めておくにはこれらのセカンダリーレイヤーの完全性を信頼しなければならない。
- 2017年以降に立ち上げられたほぼすべての新しいチェーンは、3つの特性を同時に実現することでこのトリレマを解決したと主張している。しかし実際には、こうした主張は、その特定のネットワークにおける「分散化」や「セキュリティ」という概念の微妙な変更に基づいていることが多い。一部のチェーンでは、多数の参加者を犠牲にして高速性を得るため、必要なバリデータの数を少数の高性能マシンに絞っている。また別のチェーンでは、信頼できる中継機や委員会による最終決定方式を導入している。重要なのは、そのチェーンが高速かどうかではなく、誰がそのルールを検証でき、どのようなコストを払って検証されるかという点だ。
- 新しいチェーンの魅力を評価するには、2つの具体的な指標を検討すべきだ。1つ目は、すべてのルールをチェックするフルノードを動作させるために必要な最小限のハードウェア仕様であり、もう1つは、実際にそのようなノードを運用している独立した主体の数だ。もしチェーンがコンセンサスに参加するために企業向けサーバーや専用データセンターを必要とするなら、それは分散性をスケーラビリティと引き換えに捨てたことになる。もし状態の検証ができるのがごく少数の組織だけなら、セキュリティは数学的証明ではなく、彼らの誠実さに依存することになる。このチェックによって、マーケティング上の主張の背後に隠された真のトレードオフが明らかになる。
重要な事実
- ヴィタリック・ブテリンは2017年頃に「スケーラビリティのトリレマ」を提唱し、分散性、セキュリティ、スケーラビリティの3つを同時に最大限に高めることはできないと述べました。
- より大きなブロックや短い間隔によってブロックチェーンのスループットを向上させると、フルノードに必要なハードウェアや帯域幅が増加する。
- ビットコインのベースレイヤーは安価な検証を重視しており、ノードはラップトップやRaspberry Piといった一般的な消費者向けハードウェアで動作することが可能だ。
- 検証ノードを動作させるためにエンタープライズグレードのインフラストラクチャが必要なチェーンは、実質的に分散性をスケーラビリティと引き換えにしている。
- フルノードを運用できる独立したプロセスの数が、ネットワークにおける実質的な分散度を決定します。
- ビットコインは、ベースレイヤーのブロックサイズを拡大する代わりに、ライトニングネットワークのようなレイヤー2ソリューションにおいて高頻度の処理能力を実現している。
演習 九・六・三・一
9集める2017年から2023年の間に立ち上げられた、注目すべきブロックチェーンプロジェクト9つを挙げてください。各プロジェクトについて、公式ドキュメントに記載されている目標となる1秒あたりのトランザクション処理数（TPS）およびフルノードを動作させるために必要な最小RAM容量やストレージ容量を明記してください。
6まとめるこれら9つのプロジェクトを、アーキテクチャ上のトレードオフに基づいて6つのカテゴリーに分類してください：高スループット/中央集権型、低スループット/分散型、シャード化/ハイブリッド型、ロールアップ依存型、コンセンサス重視/遅延型、または実験的/未検証のもの。
3絞り込む6つのグループを、検証にかかるハードウェアコストおよびアクティブな独立したノードオペレーター数と最も強く相関する3つの因子に削減する。
1結晶化する分散型システムを評価する上で、チェーンが主張するTPSよりも最小限の検証用ハードウェア要件の方が重要な理由は、後者がシステムの信頼性と安全性を直接左右するからである。
事実確認
日付、数字、主張は、下記に記載された公表資料と照合して確認しました。