IOGの研究を詳しく見てみる、その4。レイヤー1とレイヤー2のソリューションが、より高速で耐障害性の高いブロックチェーンを作る方法

以下はIOGブログに掲載された記事「An analysis of the research underpinning Cardano’s scalability」を翻訳したものです。

カルダノのスケーラビリティを支える研究の分析

by Olga Hryniuk 2022年7月19日

以前のブログ記事では、表現力豊かなスマートコントラクトとネイティブアセットをサポートするカルダノの多機能台帳を可能にした基礎研究を掘り下げました。

Bashoの開発フェーズの一環として、Cardanoはスケーラビリティと相互運用性を高めるために、着実にアップグレードと最適化が行われている。「2022年にどのようにCardanoをスケーリングしているか」の投稿では、Cardanoのスケーラビリティの目標を振り返り、相互運用性とサイドチェーンの役割についても議論しました。この新しい投稿では、これらの段階的な強化を可能にする研究を詳しく見ていきます。

Cardanoのスケーリング

スケーラビリティは、ブロックチェーンネットワークが拡大するユーザーベースをサポートし、スループットを犠牲にすることなく成長を確保するために不可欠です。

ブロックチェーンのスケーリングには、通常、あらゆる状況やプロジェクトに適した多様なソリューションを組み合わせたアプローチが必要です。例えば、以下のようなものです。

• レイヤー1のソリューション：メインチェーンのプロトコルに直接適用されるアップグレード。
• レイヤー2ソリューション：メインチェーンのパフォーマンスを向上させる追加チェーン（サイドチェーン）またはレイヤー2ソリューション（ZKロールアップ）。

レイヤ1スケーラビリティ・ソリューション

パイプラインとインプットエンドーザーは、2022年から2023年にかけてカルダノに実装される予定の2つのオンチェーンソリューションである。パイプラインについて行われた研究の詳細を記した論文はまだ公開されていませんが、パイプラインの特性や導入の根拠を紹介します。

Ouroborosにおけるパイプライン化

パイプラインとは何かを理解するために、まずブロックプロパゲーションという言葉を定義しておこう。ブロックプロパゲーションとは、ブロックを生成するノードが新しいブロックの情報をネットワーク上に配信することを意味します。

パイプラインは、ブロックの伝搬時間を改善します。目標は、ブロックが5秒以内にピアに伝搬されることです。パイプラインは、ブロックの受信を下流のピアに事前に通知する機能をノードに与え、ピアが新しいブロック本体を事前にフェッチできるようにすることで、これを可能にします。

この研究では、ブロック本体を完全に検証する前に伝搬させるというアイデアを提示しています。これにより、ブロック伝搬のクリティカルパスからブロック本体の検証作業を取り除き、検証作業に費やした時間を、ネットワーク内の次のピアへのブロック送信にオーバーラップさせることが可能になります。これにより、ブロック伝搬時間が短縮され、さらにブロックサイズの拡大やPlutusの改善などが可能になります。その結果、ブロックが大きくなればなるほど、より多くのトランザクションとPlutusスクリプトを運ぶことができ、ブロックチェーンのスループットにも影響します。これらのアップグレードは、Vasilハードフォークイベント中にCardanoに適用される予定です。

インプットエンドーザー

インプットエンドーザーの実装もブロック伝搬時間とスループットを改善します。インプットエンドーザーは提出されたすべてのトランザクションを追跡し、これらのトランザクションを事前に構築されたブロックにバンドルする。これは、トランザクションを含むブロックとコンセンサスを達成するブロックの2つのセットがあることを意味する。コンセンサスを得たブロックは、コンセンサスが得られるのを待つことなく常にストリームされる事前構築されたブロックを参照する。これにより、ブロックの伝搬時間の一貫性が向上し、より高いトランザクションレートを実現することができます。

IOGでCardanoアーキテクチャの元ディレクターであるジョン・ウッズ氏は、次のように述べています。

パイプラインの実装は、まさに素晴らしい技術です。合成ベンチマークでは、最大40%の効率向上が見られます。2022年の需要に対応するために、カルダノがどのようにスケーリングするのか、その大きな一端を担っているのです。2023年には、ゲームチェンジャーとなるOuroboros Leios (input endorsers),の幕開けが待っている。インプットエンドーザーが今後半年間、カルダノをスケールさせていくことが予想されます。

段階的な価格設定

IOGの科学者によるもう一つの研究イニシアチブは、段階的な価格設定の実現である。現在のシステムでは、すべての取引は同じように扱われ、例えば高いガス料金を支払うことで優先順位を変えることはできない。この方法は、ネットワークのスループットがトランザクションの処理需要に匹敵している間はうまく機能します。しかし、ネットワークの使用量が増加すると、すべての取引が最終的にブロックチェーンに含まれない可能性がある。公正な取引処理を利用して、悪意のあるスパムを正当な取引に見せかけるといったサービス拒否（DoS）攻撃の可能性があるため、ネットワークの健全性をサポートするための追加措置が必要となる。

段階的な価格設定は、機敏な方法で安定したシステム性能を可能にし、特にDoS攻撃の防止に関連します。この研究では、カルダノ取引の予測可能性、公平性、コスト効率を維持しながら、ネットワークの需要拡大から発生しうる問題を緩和することを提案しています。このアプローチでは、各ブロックを（ユースケースに基づいて）3つの「ティア」に分割する、新しい取引手数料の仕組みを提唱しています。各階層は最大ブロックサイズに対して一定の割合を占め、公平、均衡、即時という異なるタイプの取引に対応するように設計されている。ネットワークが混雑していないときは、ティアはトランザクションの優先順位付けの標準的な方法をデフォルトとしています。

レイヤー2スケーラビリティ・ソリューション

ブロックチェーンネットワークは、一度に処理できるトランザクション数を拡張するために、いくつかのサイドチェーンをスピンアップしたり、ステートチャンネルを導入したり、ステークベースの閾値マルチシグネチャースキームを適用したりすることができます。

サイドチェーン

2019年に「Proof-of-Stake Sidechains」ペーパーが発表されました。この論文では、サイドチェーンシステムとは何か、そしてサイドチェーン間で資産を安全に移動させる方法について、初めて正式な定義を示しました。

IOGの科学者は、永続性と活性性という既知の取引台帳の特性を複数の台帳にまたがって保持し、新しい「ファイアウォール」セキュリティ特性で強化したセキュリティ定義を打ち出しました。これにより、各ブロックチェーンはそのサイドチェーンから保護され、壊滅的なサイドチェーン障害の影響を限定することができます。また、本論文では、プルーフ・オブ・ステーク型サイドチェーンシステムに適した、ウロボロス合意プロトコルと整合性のあるサイドチェーン構築法を提供しています。マージドステーキング、クロスチェーン認証、マルチシグネチャの利用といった技術は、悪意ある攻撃に対するサイドチェーンの耐性を確保するために提示されています。

この研究の結果、IOGはCardano EVMサイドチェーンを開発し、現在testnetでアルファ版を公開中です。Ethereumのツールやライブラリと互換性があり、開発者はCardano上でSolidityスマートコントラクト、DApps、ERC20トークンを作成し、コスト効率、スケーラビリティ、セキュリティなどのメリットを得ることができるようになる予定です。

Hydra

サイドチェーン以外にも、ネットワークのスケーラビリティを向上させるソリューションがある。例えば、Hydraステートチャンネルです。

2021年に研究論文「Hydra: Fast Isomorphic State Channels」が発表されました。この論文では、同型のマルチパーティステートチャネルであるHydraが紹介されています。ステートチャンネルは、ブロックチェーンのスループットとレイテンシーを向上させるための魅力的なレイヤー2ソリューションです。Hydraは、レイヤー1のスマートコントラクトシステムを直接採用することで、オフチェーンのプロトコルやスマートコントラクトの開発を簡素化し、この方法でオンチェーンとオフチェーンの両方で同じコードを使用することを可能にします。EUTXOモデルを活用し、現在Cardanoに実装されているHydra Headsを進化させるための高速オフチェーンプロトコルを開発する方法を提案しています。

Mithril

最後に、より高いスケーラビリティを実現するためには、アプリケーション間のデータ同期の速度と効率を効率化することも重要である。これに対応するため、IOG研究チームは「Mithril」に関する論文を発表しています。2021年に「Stake-based Threshold Multisignatures（閾値マルチシグネチャ）」を発表しました。

ブロックチェーンの設定でより大きなスケーラビリティを実現するには、効率的なチェーン検証が不可欠です。また、これはネットワーク・バリデーターによって署名された様々なメッセージに依存します。Mithrilは、これらの参加者の数に対数的に依存する重要な操作の複雑さに対処しています。特定のメッセージを検証するのにかかる時間や、チェーン同期の検証段階でのリソース使用を考えると、Mithrilはセキュリティ機能を損なうことなく、マルチ署名の集約を高速かつ効率的に行うソリューションを提供します。

この論文では、マルチシグネチャアグリゲーションにおいて強力なセキュリティ設定を保持する方法について考察しています。その結果、Mithrilは高速、効率的、かつ安全なチェーン同期プロトコルに適用することができる。安全な投票、サイドチェーン間のデータ交換、ライトウォレット内のデータ同期に有利です。Bashoフェーズの一部であり、2022年に実装される予定です。

最後の言葉

現在、IOG研究ライブラリには144の論文がホストされており、この数は常に増え続けています。すべての作業は、カルダノに機能やアップグレードが展開される前に、常に、そしてさらに基礎を固めることになるのです。

今後数ヶ月の間に、台帳の最適化、スケーラビリティの改善、ガバナンスの取り組みに関して行われている最新の開発および研究について、さらに反映させていく予定です。