シャーディングは、ネットワークをシャードと呼ばれる小さな並列セグメントに分割するブロックチェーンのスケーリング手法です。各シャードはミニ ブロックチェーンとして動作し、タスクごとにメイン チェーンに依存せずに独自のトランザクションとスマート コントラクトを処理します。この分散設計により、ネットワーク全体でより多くのアクティビティを一度に処理できるようになり、速度と容量の両方が向上します。
このガイドでは、ブロックチェーン シャーディングとは何か、その種類、利点、その他知っておくべき重要な詳細について説明します。
1) ブロックチェーンにシャーディングが必要な理由
初期のブロックチェーンのほとんどは、セキュリティのためにすべてのトランザクションを検証するすべてのノードを使用して構築されました。このモデルは信頼性がありますが、何千人ものユーザーがネットワークに参加すると、うまく拡張できません。追加されるノードとトランザクションが増えるほど、システムの速度が低下し、確認時間が長くなり、料金が高くなります。
シャーディングは、検証作業を複数のノード グループに分散することでこの問題を解決します。すべてのノードに同じトランザクションを処理させる代わりに、各シャードが合計ワークロードの一部を処理します。
この設計により、ブロックチェーンは分散化されながらも効率的になり、システムに過負荷をかけることなく、より多くのトランザクション量をサポートできます。
2) ブロックチェーンにおけるシャーディングの仕組み
シャーディングされたブロックチェーンでは、ネットワークのデータが水平方向に分割され、各シャードには独自のアカウント、契約、トランザクション履歴のセットが含まれます。これらのシャードはアクティビティを同時に処理し、ビーコンまたはルート チェーンと呼ばれる中央の調整チェーンに更新を送信します。
シャードネットワーク内の各ノードは 1 つのシャードに割り当てられ、完全なデータの一部のみが保存されます。これにより、ネットワークに参加するために必要なストレージと計算の要件が大幅に軽減されます。バリデーターは時間の経過とともにシャード間でローテーションするため、セキュリティが向上し、グループによるシャードの永続的な制御が防止されます。
並列トランザクション処理
シャーディングの主な利点は並列処理です。シャードは独立して動作するため、単一のグローバル キューを待つ代わりに、複数のトランザクションを一度に検証できます。その結果、スループットが劇的に向上し、多くの場合、1 秒あたり数千トランザクションで測定されますが、シャーディングされていないシステムでは数十トランザクションに比べて、スループットが向上します。
シャード間通信
ネットワークの統合を維持するには、シャードは調整メカニズムを通じて安全にデータを交換する必要があります。トランザクションに異なるシャード上のアカウントが関与する場合、システムはシャード間通信プロトコルを使用して情報を安全にルーティングします。これにより、二重支出が防止され、すべてのシャードがグローバル状態に確実に一致するようになります。
3) ブロックチェーン シャーディングの種類
開発者は、最適化したい内容に応じて、数種類のシャーディングを使用します。それぞれのアプローチは、ストレージ、計算、トランザクション検証に関連するさまざまな課題に対処します。主な 3 つのタイプは、ネットワーク、トランザクション、状態シャーディングです。
ネットワーク シャーディング
ネットワーク シャーディングは、ネットワークのトランザクションの特定のサブセットを処理する小さなグループにノードを分割します。各シャード グループは、割り当てられたタスクのみを検証するため、ノードあたりのワークロードが軽減され、効率が向上します。これは、シャーディングの最も単純で最も一般的に使用される形式の 1 つです。
ただし、ネットワーク シャーディングでは、悪意のあるノードによるシャードの乗っ取りを防ぐために、安全なバリデータの割り当てが必要です。ランダム化とローテーションのメカニズムは、公平な参加を保証し、ネットワークの信頼を維持するのに役立ちます。
トランザクション シャーディング
トランザクション シャーディングでは、トランザクションは、アカウント アドレスやスマート コントラクト ID などの事前定義されたルールに基づいてグループ化され、特定のシャードによって処理されます。これにより、関連データがまとめられ、ネットワークが数千のトランザクションを並行して処理できるようになります。これは、ユーザー アクティビティが多いブロックチェーンに特に効果的です。
ステート シャーディング
ステート シャーディングは最も高度な形式であり、ブロックチェーンに保存されているデータ自体を分割することに重点を置いています。各シャードは、アカウント残高やスマート コントラクト情報など、ネットワークの完全な状態の一部のみを保持します。この方法により、ノードあたりのストレージの必要性が大幅に削減され、スケーラビリティが向上します。
4) シャーディングの利点
シャーディングの主な利点はスケーラビリティです。シャード間で複数のトランザクションを同時に処理することで、ネットワークは料金を低く抑えながらスループットを大幅に向上させることができます。これにより、ブロックチェーン テクノロジーは、大量のトランザクションを必要とする金融サービス、ゲーム、エンタープライズ アプリケーションにとってより実用的になります。
シャーディングにより、ノード オペレーターのハードウェア要件が軽減され、効率も向上します。各ノードに保存されるデータが少なくなるため、高価な機器を必要とせずに、より多くのユーザーがネットワーク検証に参加できます。これは、エコシステムへのアクセスを拡大しながら分散化を維持するのに役立ちます。
5) 課題とセキュリティ リスク
シャーディングによりパフォーマンスが向上する一方で、新たな技術的課題が生じます。シャード間でトランザクションを調整する必要があるため、複雑さが増し、同期エラーが発生する可能性が高くなります。システムの設計が不十分だと、データの不一致や確認の遅れが発生する可能性があります。
各シャードはネットワークのより小さなサブセットを表すため、セキュリティも大きな懸念事項となります。攻撃者が 1 つのシャード内で十分な数のバリデーターを制御すると、そのデータを操作する可能性があります。ブロックチェーン開発者は、バリデーターをローテーションし、暗号のランダム性を使用してシャード割り当てを保護することでこれに対抗します。
6) 実際のシャーディングの例
イーサリアムのロードマップには、初期のデータ シャーディング フェーズを拡張する Danksharding として知られるメジャー アップグレードが含まれています。 Danksharding により、イーサリアムはレイヤー 2 ロールアップをサポートしながら大量のデータを効率的に処理できるようになります。このハイブリッド アプローチは、スケーラビリティと堅牢な分散化を組み合わせることを目的としています。
NEAR プロトコルや Zilliqa などの他のプロジェクトは、すでにシャーディングをうまく使用しています。 NEAR は、ネットワーク負荷に基づいて調整する動的状態シャーディングを採用しています。一方、Zilliqa は、シャードベースの検証を使用して実際のスループットの向上を実証した最初のパブリック ブロックチェーンの 1 つです。
7) シャーディングと他のスケーラビリティ ソリューションの比較
シャーディングは、ロールアップやサイドチェーンなどのオフチェーン スケーリング方法とは異なります。ロールアップはメイン チェーンの外側でトランザクションを処理し、結果を定期的にポストバックしますが、シャーディングはベース レイヤー自体を再構築します。これにより、シャーディングはネットワーク容量を永続的に増加させる基本的なソリューションになります。
実際には、ほとんどのブロックチェーンは両方のアプローチを組み合わせています。シャーディングはコア レベルで大量のデータを処理できますが、レイヤー 2 ソリューションはアプリケーション固有のワークロードを管理します。これらは共に、世界的な需要を満たすことができる多層システムを形成します。
8) ブロックチェーンにおけるシャーディングの将来
シャーディングは、開発者がその設計を改良し、シャード間の通信を改善するにつれて進化し続けています。イーサリアムの EIP-4844 におけるプロトダンクシャーディングのような今後のイノベーションは、データの可用性をより速く、より安価にすることを目的としています。これらのアップデートは、ウェブスケールレベルでブロックチェーンを広く採用するための基盤を築きます。
イーサリアムを超えて、ゼロ知識証明とモジュール型アーキテクチャの研究により、シャーディングの効率がさらに向上する可能性があります。シャーディングと証明集約モデルまたはハイブリッド コンセンサス モデルを組み合わせることで、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化という長年にわたるブロックチェーンのトリレンマを解決できる可能性があります。
重要なポイント
シャーディングは、ブロックチェーンをトランザクションを並行して処理できる小さなシャードに分割し、スケーラビリティを大幅に向上させます。これにより、分散化を犠牲にすることなく、トランザクション速度の高速化、手数料の削減、リソースの分散の改善が可能になります。ただし、複雑な調整やセキュリティの課題も発生し、開発者は慎重に対処する必要があります。
イーサリアム、NEAR、Zilliqa などのプロジェクトが実装の改良を続ける中、シャーディングは次世代ブロックチェーン設計の基礎として浮上しています。将来の進歩により、さらなる効率性と柔軟性が約束され、グローバルでスケーラブルな分散システムへの道が開かれます。
