> イーサリアムは、EVM を通じてプログラム可能なスマート コントラクトを導入しました。**元のタイトル:「****パラレル パワー アンロック****」****執筆者: ROBERT MCTAGUE、Amber Labs 投資アナリスト****編集者: イヴォンヌ**## ブロックチェーン業界が直面している現在の課題現在、主流のブロックチェーンは、DeFi、NFT、ソーシャルメディア、さらにはゲームを含む幅広いアプリケーションを提供しています。ただし、これらのアプリケーションの品質と機能は、ブロックチェーンが複数のトランザクションを同時に処理することが難しいという根本的な制限によって制限されます。並列実行は、スマート コントラクト プラットフォームで複数のトランザクションを同時に処理できるようになり、ネットワーク全体のスループットと応答性が向上するため、分散型アプリケーションでは非常に重要です。この重大なハードルに対処するために、過去 5 年間の業界の発展は、並列化によるブロックチェーンのパフォーマンスの向上に焦点を当ててきました。以前のレポートでは、スケーラビリティを強化するさまざまな方法を詳しく掘り下げ、モジュール設計、DAG などの革新的なアーキテクチャ、Aptos や Sui などのケーススタディを紹介しました。ただし、ブロックチェーン空間で見落とされがちな側面は、ネットワークが並列実行をどのように処理するか、およびこれらのアプローチをどのように比較するかです。この調査レポートは、現在のブロックチェーンの問題を解決し、将来の並列実行のための分類フレームワークを確立するのに役立つ、今後のレイヤー 1 ブロックチェーンに光を当てることを目的としています。これらのソリューションがどのように並列実行を可能にするかに焦点を当て、既存のブロックチェーン ネットワークの制限を克服するためのアプローチを比較します。これらの次世代ブロックチェーンで採用されているさまざまな戦略と技術を調査することで、並列実行の将来とブロックチェーンのイノベーションの推進におけるその役割について貴重な洞察を提供したいと考えています。## EVM現在、ほとんどのスマート コントラクト プラットフォームはイーサリアム仮想マシン (EVM) に依存していますが、トランザクションを同時に実行できないという大きな欠点があります。この制限により、スケーラビリティと効率を向上させる手段として並列実行を重視した新しい L1 ソリューションの開発が促進されました。スマート コントラクト ブロックチェーンには 2 つの主要コンポーネントがあります。1 つはノードがトランザクションの順序と包含について合意するのに役立つコンセンサス メカニズム、もう 1 つはアプリケーション コードを実行し、アプリケーションの状態とアカウント残高を更新する仮想マシンです。イーサリアムは、各ノードがすべてのアプリケーションとその状態のコピーを保持する共有システムである EVM を通じてプログラム可能なスマート コントラクトを導入しました。 EVM を使用するブロックチェーンは、その人気にもかかわらず、処理速度の点で制限があります。たとえば、イーサリアムは 1 秒あたり約 10 トランザクション (tps) を処理できますが、最速の EVM チェーンである BinanceChain は 200 tps 以上にしか到達できません。この非効率性は、EVM の逐次処理モデル、つまりトランザクションが次々に処理されることが原因です。スケーラビリティに重点を置いた L1 である Monad は、最近の投稿「参考: 10,000 人のユーザーが 10 秒ごとに移動する単純なカード ゲームには 1000 tps が必要です。」でこの分析を行っています。現在の状況から判断すると、EVM がこれをサポートできる可能性は低いです。 1 つのチェーン内の多くのトランザクション。この課題に対処するために、開発者は並列実行をサポートするソリューションを模索しています。このレポートは、並列実行の改善に焦点を当て、これらのブロックチェーンが並列化を達成する方法を分類するためのフレームワークを作成することを目的としています。これらの戦略を実装することで、スマート コントラクト エコシステムは逐次処理の制限を克服し、分散型アプリケーションの幅広い採用への道を開くことができます。## 並列実行とは何ですか?ブロックチェーンでは、並列実行は簡単な例えで理解できます。顧客の購入に対して料金を請求する必要がある食料品店を想像してください。店舗にチェックアウト レーンとレジが 1 つしかない場合、列の動きが遅くなり、顧客がイライラして別の場所で買い物をする可能性があります。この店舗では、プロセスをスピードアップするために複数のチェックアウト レーンとレジを採用しました。これは並行処理であり、店舗は一度に 1 人ずつではなく、複数の顧客のニーズに同時に対応できるようになります。このアナロジーをブロックチェーンに適用すると、複数のチェックアウト レーンはトランザクションを処理するための異なるパスまたはレーンを表します。並列実行では、これらのチャネルが単一システム内に存在し、複数のトランザクションを同時に処理できるようになります。この設定により、単一のブロックチェーン システムで大量のトランザクションをより効率的に処理できるようになり、全体的なパフォーマンスが向上します。ブロックチェーンの効率性とスケーラビリティに対する並列実行の重要性を理解したところで、その仕組みをもう少し深く掘り下げてみましょう。## 並列実行はどのように機能しますか?ブロックチェーンにおける並列実行とは、関連性のないトランザクションを同時に処理することを意味します。無関係なトランザクションを独立したイベントとして扱います。たとえば、2 人が異なる取引所でトークンを取引する場合、そのトランザクションは同時に処理できます。ただし、同じプラットフォームで取引している場合は、取引を特定の順序で実行する必要がある場合があります。並列実行を実現する際の主な課題は、どのトランザクションに相関がなく、どのトランザクションが独立しているかを判断することです。これには、各トランザクションがブロックチェーンのデータにどのような影響を与えるかを理解することが含まれます。相互接続されたアプリケーションが多数ある場合、どのトランザクションが相互に依存しているかを判断するのは難しい場合があります。ブロックチェーン システムが異なれば、通常はブロックチェーン データへのアクセスを管理することによって、無関係なトランザクションを識別するために異なる方法が使用されます。各アカウントまたはスマート コントラクトには、変更できる独自の指定範囲のデータがあります。独立したトランザクションは同じブロック内の同じデータを変更しようとしませんが、関連トランザクションは変更を試みます。一部のトランザクションは、他のトランザクションよりも無関係であるとみなされる可能性が高くなります。たとえば、2 人の間での単純なトークンの転送は他の人に影響を与えないため、この種のトランザクションはほぼ常に独立していることは明らかです。ただし、同じスマート コントラクトまたはアカウントに関係するトランザクションはデータを変更する可能性があり、並行して実行することはできません。例としては、複数のプラットフォームが関与するトークン トランザクションが挙げられます。この場合、参加しているすべてのプラットフォームは、最初のトランザクションが完了するまで待機してから、他のトランザクションを処理する必要があります。次のセクションでは、ブロックチェーン システムで並列実行を実現するための 3 つの異なるアプローチ (状態アクセス/オプティミスティック、シャーディング、計算ベースの並列実行) について詳しく説明します。従来、ブロックチェーン業界の他の人々は、単一のブロックチェーンでトランザクションを同時に処理できるため、状態アクセスと楽観的モデルのみが真の並列実行方法であると考えられてきたことは注目に値します。しかし、洗練されたクロスチェーン通信プロトコルの出現により、並列実行を構成する概念は大幅に拡張されました。たとえば、シャーディングは従来、並列実行の手段とはみなされていませんでしたが、複数のシャードにわたるトランザクションの並列処理を容易にするため、検討する価値があります。最後に、計算ベースの並列実行という比較的新しい概念について説明します。この革新的なモデルはあまり知られていませんが、ブロックチェーン システムにおける並列トランザクション処理に対する革新的なアプローチを表しています。これについては、このホワイト ペーパーで後ほど詳しく説明します。これらのアプローチを検討すると、それぞれがより効率的でスケーラブルなブロックチェーン テクノロジーに特有の利点と課題をどのように提供するかが明らかになります。## 並列実行: 状態アクセスと楽観的モデル現在、並列実行を行うほとんどのブロックチェーンは、状態アクセス アプローチと楽観的モデルという 2 つの一般的なアプローチに依存しています。状態アクセスアプローチは、どのトランザクションがブロックチェーン状態のどの部分にアクセスできるかを先制的に特定し、ブロックチェーンがどのトランザクションが独立しているかを簡単に宣言できるようにする戦略的アプローチです。一方、楽観的モデルは、すべての取引が独立しているという前提の下で動作し、この前提を遡及的に検証し、必要に応じて調整を行うだけです。いくつかのブロックチェーンはこれらのアプローチを利用して並列化を促進し、これらの理論的なアプローチが実際に動作していることを示しています。これらは通常、並列ブロックチェーンについて議論するときに参照されるモデルです。このセクションでは、これら 2 つのアプローチとブロックチェーン分野での応用について説明します。### Solana: 並列ブロックチェーンのパイオニアSolana はブロックチェーン分野の先駆者となり、トランザクションを管理し、スケーラビリティを拡張する独自のアプローチを開拓しました。その画期的なイノベーションは、特定のアクションによってブロックチェーン状態のどの部分 (すべてのアカウントまたは資産の包括的な記録) にアクセスできるかを決定することです。巨大なファイル システムのようなものだと考えてください。各トランザクションは、特定のファイルにアクセスするためのリクエストを送信します。ファイル要求が一意であれば、トランザクションは独立して処理できます。ただし、同じファイルを要求した場合、それらのトランザクションは絡み合い、調整が必要になります。本当の秘訣は、どのトランザクションがどのファイルを要求するかを判断することです。初の並列ブロックチェーンとして、Solana はソリューションを導入します。各トランザクションは、アクセスするファイルを事前に宣言する必要があります。この要件は、Solana の「SeaLevel」実行モデルに含まれており、すべての機能がアカウントベースのフレームワーク内で動作します。各アカウントには、それに関連付けられたトランザクションのみがアクセスできるため、潜在的な競合が防止されます。重要なことは、Solana はこれらのアカウントに含まれるステートレスな手順も使用していることです。ステートレス プログラムは、実行の間にデータをまったく記憶しないコード部分であり、実行するたびに最初から開始されます。関数呼び出しが行われると、これらのプログラムが起動され、過去のデータに依存せずにタスクを実行します。この概念はトランザクションの独立性を維持するのに役立ち、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させるための Solana の革新的なアプローチに貢献します。### スイ: オブジェクトの概念スイは最近デビューし、ブロックチェーン分野で大きな波紋を引き起こしました。しかし、Sui は正確に何をもたらすのでしょうか?Sui のアーキテクチャの微妙な違いを掘り下げるために、私たちのチームは、Sui を、今後さらに調査する別のブロックチェーンである Aptos と比較する包括的な論文を作成しました。ただし、現時点での私たちの主な関心事は、並列トランザクション実行に対する Sai の独自のアプローチを理解することです。Sui の並列化戦略は Solana のものと似ていますが、アカウントを「オブジェクト」と呼ばれる構造に置き換えるという独自の工夫があります。 Sui トランザクションはアカウントを参照せず、代わりにオブジェクト (資産またはスマート コントラクトなど) のプロパティを変更します。トランザクションが独立したものとして指定されている場合 (つまり、他のトランザクションがターゲット オブジェクトと対話していない場合)、トランザクションはコンセンサス メカニズムを完全にバイパスします。これはビザンチン コンセンサス ブロードキャストとして知られる機能です。説明のために、アリスが固有の NFT を所有しているとします。これは、Sui のコンテキストではオブジェクトとして表され、「アリス」がその「所有者」としてリストされています。アリスがこの NFT をボブに転送すると、トランザクションは別個のオブジェクト トランザクションとして扱われ、コンセンサス プロセスがバイパスされます。ただし、アリスがマーケットプレイスを通じて NFT を購入するなど、より複雑な操作を実行することを決定した場合、力学は変化します。オブジェクトは他のトランザクションによって操作できるため、トランザクションは依存トランザクションとして指定され、実行前に順序付けが必要な場合があります。### 燃料: UTXO を使用して実行を強化するFuel はブロックチェーン分野のリーダーであり、UTXO (Unspent Transaction Output) モデルを最大限に活用しています。 UTXO モデルを物理的な現金取引と考えると、10 ドル紙幣で 7 ドルで何かを購入し、3 ドルのおつりが得られるようなものです。 UTXO モデルを使用することで、Fuel はトランザクションを効率的に並列処理できます。これは、UTXO モデルにより、相互作用するオブジェクトまたは「請求書」内で重複しない独立したトランザクションを簡単に識別できるためです。この独立性は、これらのトランザクションが競合することなく同時に処理できることを意味し、トランザクションのスループットが大幅に向上します。ビットコインは UTXO モデルも採用しており、Fuel はこれを使用して厳格なアクセス リストを確立します。これらのリストは規制者として機能し、ブロックチェーン状態のどの部分にアクセスできるかを制御します。この戦略は、ブロック内でトランザクションを配置する正規のトランザクション順序付けの考え方に基づいており、トランザクション間の依存関係を識別するプロセスを簡素化します。Fuel は、新しい仮想マシン FuelVM と革新的なプログラミング言語 Sway を開発することで、このコンセプトを実現しました。 FuelVM は、リーンでありながら完全な互換性を備えたイーサリアム仮想マシン (EVM) の代替として設計されており、開発者はより直接的に Fuel エコシステムに統合できます。さらに、Fuel はモジュール式ブロックチェーン構造を強調しています。このモジュラーアプローチにより、Fuel 内で実行されるトランザクションをイーサリアムメインネットネットワーク上で決済できるようになります。その結果、Fuel は大量のトランザクションを処理する能力を持ち、そのすべてがイーサリアム上で統合され決済されます。この戦略的な動きにより、Fuel は重いトランザクション負荷を効率的に管理できるようになります。### Aptos: 楽観的な方法で実行するブロックチェーンの並列化の探求では、まず、ブロックチェーンがトランザクションの開始時にどのように依存関係を確立するかを説明します。これを状態アクセス アプローチと呼び、スマート コントラクトまたは開発者がどのトランザクションが状態のどの部分にアクセスできるかを定義します。ここで、オプティミスティック実行と呼ばれる別の手法に移ります。オプティミスティック実行は、各トランザクションが他のトランザクションに接続されていないかのように処理され、すべてのトランザクションが同時に処理されるようにする戦略です。ただし、一部のトランザクションがリンクされていることが判明した場合、トランザクションは停止され、結果がクリアされて再実行されます。これにより、トランザクションがほとんど独立している場合は高速化できますが、多くのトランザクションが接続されている場合は、処理を頻繁に停止してリセットする必要があり、トランザクションが遅くなる可能性があります。Aptos は、Block Software Transactional Memory (Block-STM) と呼ばれるアプローチを使用して、オプティミスティック実行を適用します。 Aptos は、トランザクション リンクを自動的に検出する Diem の Move 言語と MoveVM 上に構築されています。トランザクションがブロックチェーン状態のどの部分（メモリ位置など）に触れるかを言う必要はありません。*  **出典: Block-STM ホワイトペーパー**(図は、いくつかのトランザクションが接続されている場合、検証が一時停止され、結果が削除され、再度実行されることを示しています。)*block-stm では、トランザクションはまずブロック内で一定の順序で設定され、その後複数の処理スレッドに分割されて同時実行されます。これらのトランザクションが処理されると、システムは各トランザクションが変更するメモリ位置を追跡します。各ラウンドの処理の後、システムはすべてのトランザクション結果をチェックします。以前のトランザクションによって変更されたメモリ位置にトランザクションがアクセスしたことが判明した場合、その結果を消去して再度実行します。このプロセスは、ブロック内のすべてのトランザクションが処理されるまで継続されます。Block-STM の成功は、トランザクション間のつながりに大きく依存します。 Aptos チームによると、32 個のプロセッシング コアを使用すると、トランザクションの相関性が高い場合は 8 倍、トランザクションの相関性が低い場合は 16 倍の速度向上が得られます。ただし、ブロック内のすべてのトランザクションが連結される場合、block-stm は 1 つずつ実行する場合に比べて若干速度が低下する可能性があります。### Monad: EVM チェーンのリーダーMonad は、EVM 互換ブロックチェーンにおける新しいアプローチの先駆者であり、EVM の最初の層に並列アーキテクチャを導入した最初のブロックチェーンです。 Aptos と同様に、トランザクションが相互接続されていないという前提の下で動作し、依存関係が発生したときに解決するという楽観的な実行パスを採用します。この斬新なアプローチには課題がないわけではありません。ブロックチェーンテクノロジーに大幅な変更を加えるには、複雑かつ長期にわたる取り組みが必要です。それにもかかわらず、モナドはイノベーションに取り組み続けており、独自のアーキテクチャの強化を目指す他のブロックチェーン ネットワークの先駆者となっています。Polygon と BinanceSmartChain を例に挙げると、2 つの有名なブロックチェーンは現在、同様の戦略を採用してシステムをアップグレードしようとしています。楽観的実装に関するモナドの先駆的な取り組みの重要性は、大規模なプラットフォームが独自のアーキテクチャを再評価し、改訂することに影響を与えているため、その重要性を誇張することはできません。たとえば、Polygon は高速スループットと毎日数百万件のトランザクションを実現します。そのネットワーキング API は、並列化可能なエンジンを駆動するのに十分なデータをすでに提供しており、EVM 固有の Block-STM を検討することで、API への変更を回避することに成功しました。ただし、PolygonPoS チェーン上の膨大なトランザクション量を考慮すると、ブロック間の依存関係がゼロであるという仮定は非現実的です。したがって、最小限のメタデータ アプローチを採用し、トランザクションの依存関係をブロック内のメタデータとして記録し、冗長性と計算要件を削減しました。同様に、BinanceSmartChain も、業界全体に対する Monad の革新的なアプローチの影響を反映して、オプティミスティック実行を介して EVM チェーン内での並列実行の機会を模索しています。Monad の革新的な精神とブロックチェーン技術の限界を押し広げる取り組みは、EVM 分野に新しいトレンドを生み出しました。 EVM レイヤー 1 で並列アーキテクチャを採用するという同社のアプローチは、自身のシステムの効率を向上させるだけでなく、この分野の他の重要なプレーヤーに影響を与え、同様の影響を与え、ブロックチェーン業界の将来に大きな変化をもたらします。## シャーディングに基づく並列実行これまで、さまざまなブロックチェーンがどのように順序付けを破壊し、アカウント、オブジェクト、UTXO、楽観的モデルなどの概念を通じて並列化を実現するかについて説明してきました。しかし、私たちが研究しようとしている次世代のブロックチェーンでは、並列化に対して独自のアプローチが採用されています。これらのプラットフォームは、トランザクションを並列処理できる単一のブロックチェーンを備えているというよりは、シャーディング モデルに似ています。ブロックチェーンは複数の部分に分割されており、それぞれが独自のトランザクションの処理を担当します。### Shardeum: EVM のシャーディング方法Shardeum は、動的シャーディングを通じてブロックチェーンのスケーラビリティに画期的なアプローチをもたらし、線形のスケーラビリティを可能にします。シャードはネットワークのサブセクションであり、各シャードはネットワーク トランザクションの一部を処理し、リソースの効率とスループットを向上させます。ユーザーが、Shardeum でホストされている分散アプリケーション (dapp) 上でトランザクションを実行しているとします。分散アプリケーション (dapp) は、関連付けられたデータに基づいて特定のシャードに割り当てられます。シャードは、ミニブロックチェーンのように、その管轄下にある他のシャードと並行してトランザクションを処理します。ユーザーは処理が高速化され、ユーザー エクスペリエンスが最適化されるという恩恵を受けます。Shardeum の主な特徴は、Ethereum Virtual Machine (EVM) との互換性です。開発者は、イーサリアムベースの dapp をシャーディアムに簡単に移行し、シャーディアムの動的シャーディングと並列処理を広範なイーサリアム エコシステムと組み合わせることができます。動的シャーディングにより、変動する需要に対するネットワークの適応性が確保され、システムの拡張性と高効率が促進されます。 Shardeum はクロスシャード トランザクションを自動化し、複数のユーザーからの入力を必要とする複雑なアプリケーションのシームレスな実行を可能にし、スケーラビリティを強化します。Shardeum のユニークな点は、線形に拡張できることです。ネットワークはノードの追加に応じて直線的に拡張します。つまり、トランザクションのスループットはノードの数に比例して増加します。この線形スケーリングとノードの柔軟性および自動スケーリング機能を組み合わせることで、Shardeum はさまざまなワークロードとネットワークの成長を最適に処理できます。 Shardeum は、複雑なアプリケーションのスケーラビリティを強化し、現実世界のトランザクション ニーズに対する実用的なソリューションを提供することで、現実世界のトランザクション ニーズに対する実用的なソリューションを提供します。### Linera: 革新的なマルチチェーン プロトコルLinera のブロックチェーンのスケーラビリティに対する革新的なソリューションは、ユーザー チェーン、パブリック チェーン、エフェメラル チェーンを含む動的なマルチチェーン プロトコルを通じて際立っています。上の図は、Linera システム内の 3 つの異なるタイプのチェーン (ユーザー チェーン、パブリック チェーン、および一時チェーン) を示しています。各チェーン タイプには、プロトコルの全体的な機能とスケーラビリティに貢献する独自の役割があります。Linera がユーザー制御チェーンの概念を開拓した Shardeum とは異なり、Shardeum はネットワークを多数のシャード チェーンに分割し、それぞれがトランザクションのサブセットを担当します。このきめ細かなアプローチにより、ネットワーク全体のリソース割り当てを最適化しながら、ユーザーの制御性と自律性が向上します。ユーザーによって独占的に所有および制御されるユーザーチェーンは、Linera のアーキテクチャのバックボーンを形成します。これらのチェーンは特定のエンド ユーザーのトランザクションを個別に処理するため、並列実行が可能になり、レイテンシーを削減しながらスループットを大幅に向上させます。パブリック チェーンは、Linera の設計のもう 1 つの重要な部分です。これらのチェーンは、自動マーケットメーカー（amm）などの分散型アプリケーションの本拠地です。パブリック チェーンはすべてのネットワーク参加者に開かれており、オープンで無制限の対話を必要とするアプリケーションに共通のプラットフォームを提供します。Linera は、アトミック スワップなどの複雑な操作を処理するために特別に設計された一時チェーンの概念も導入しています。この機能は、ボトルネックを引き起こす可能性があるメイン チェーン上でトランザクションを記録する必要があるプロトコルに比べて、大きな利点をもたらします。 Linera では、アトミック スワップ中に一時チェーンが作成され、他のトランザクションとは独立して並行して処理されます。スワップが完了すると、一時的なチェーンは消え、更新された状態が関連するユーザー チェーンに反映されます。プロトコルの構造は水平スケーリングをサポートしています。これは、負荷が変動してもシステムのパフォーマンスを維持するために不可欠な特性です。トラフィックが増加すると、バリデーターはワーカー マシンを追加して、増加したアクティビティを管理し、高負荷下でも高いスループットを維持できます。各ブロックチェーンまたは「ゾーン」が異なるバリデーターのセットによって運用される Cosmos などの他のプロトコルとは異なり、Linera はすべてのチェーンを 1 つのバリデーターのセットに統合します。この統合されたアプローチにより、Linera プロトコルの効率とセキュリティが強化され、遅延や不一致の増加につながる可能性がある個別のバリデータ セットによる検証の複雑さが解消され、クロスチェーンの相互作用が簡素化されます。その結果、エコシステム全体でトランザクションがより効率的に処理され、競合のリスクが大幅に軽減されます。### QuaiNetwork: Proof-of-Work による並列性と相互運用性の強化QuaiNetwork は、スケーラビリティに対する独自のアプローチにより、ブロックチェーン業界で独自の道を切り開いてきました。 Quai は、動的で相互運用可能なマルチチェーン アーキテクチャを実装することにより、スケーラビリティの問題に対する独自のプルーフ オブ ワーク ベースのソリューションを提供し、無限に実行されるシャードによるトランザクションの並列化を可能にします。このアプローチは、Shardeum の動的シャーディングといくつかの類似点を共有しながら、ユーザー制御のチェーンを利用する Linera のようなプロトコルと Quai を区別します。Quai が使用するシャーディングのバージョンは、集中型システムでデータベースのパフォーマンスを向上させるために使用される従来の方法に似ています。ただし、Quai は、動的で適応性があり、深く絡み合ったマルチチェーン アーキテクチャを備えているという点で、一般的なシャーディング スキームとは異なります。これは、ネットワークが個別にトランザクションを処理するシャードのチェーンに分割される、Shardeum の動的シャーディングに似ています。ただし、Quai はマージされたマイニング階層を使用してこれらの異なるシャードを調整し、ネットワーク全体で並行して操作を実行できる独自の相互接続を作成します。相互運用性 (シャード間トランザクション) を促進するためにいくつかの新しい信頼メカニズムを導入する既存のすべてのシャーディング実装とは異なり、Quai ネットワークはマージ マイニングを使用してシャードを相互接続し、唯一のメカニズムがマイニングであることを保証します。マージマイニングによる相互運用性に対する QuaiNetwork の独自のアプローチにより、スループットが大幅に向上し、分散化やパフォーマンスを犠牲にすることなく、多数の同時トランザクションに対応できる機能が提供されます。無制限の数の実行シャードを調整できるようにするために、Quai ネットワークには PoEM と呼ばれる新しいコンセンサス メカニズムが導入されています。 PoEM は Proof-of-Work (PoW) コンセンサスに基づいていますが、他のコンセンサス メカニズムとは異なり、コンセンサス ベースのフォークを初めて排除します。 PoEM を実行すると、同じ情報セットが与えられた場合、すべてのノードは常に、シーケンス内の次のブロックに対して常に同じ優先順位を即座に持ちます。 PoEM を使用すると、すべてのノードが提案されたブロックを即座に公平に比較し、コンセンサスからすべての不確実性を取り除くことができます。 PoEM は、コンセンサスが常に即時であることを保証することで、無限シャーディングに必要な前提条件を提供します。コンセンサスの確立に時間がかかる場合、調整できる実行シャードの数には厳しい制限が生じます。コンセンサスに達する最初の「ゼロタイム」方法である PoEM は、無限に成長するチェーン セットを調整するのに適した最初で唯一のコンセンサス アルゴリズムです。Quai のアーキテクチャの顕著な特徴は、Quai では「リージョン」と呼ばれる並列実行スレッド (PET) の導入です。各「領域」または実行の並列スレッドは、トランザクションを独立して非同期に処理します。 Quai の各実行スレッドがトランザクションを独立して処理できる機能は、Quai のスケーラビリティの背後にある中心概念の 1 つであるネットワークの並列処理機能をサポートします。QuaiNetwork のチェーンの数は、Shardeum の動的シャーディングと同様に動的であり、適応可能です。ただし、QuaiNetwork の PoEM コンセンサス メカニズムの使用は、この動的シャーディング パターンをパフォーマンスを低下させることなく無限に実行できるという点で独特です。 QuaiNetwork は、動的シャーディングを介して実行シャードを追加しますが、明らかなトレードオフがあります。実行シャードがネットワークに追加されると、クロスチェーン トランザクションがターゲット シャードによって参照されるまでにかかる時間が増加します。この関係は準線形です。たとえば、Quai を 9 シャードから 16 シャードに拡張すると、クロスチェーン トランザクションが宛先に到達するまでの平均時間が 3300 秒から 4400 秒に増加します。さらに 25 シャードにスケールすると、平均時間は約 5,500 秒に増加します。理論的には、Quai が 100 シャードに拡張した場合、グローバルなクロスチェーン決済までの平均時間は約 11,000 秒になります。 QuaiNetwork の動的シャーディング アルゴリズムは、ネットワークのガス制限とアンクル ブロック レートを監視して、追加のスループットがいつ必要かを理解し、スループット要求の増加に対応するために追加の実行シャードをコンセンサスに自動的に織り込みます。さらに、Quai の織り構造は、構成可能なマルチチェーン スマート コントラクトをサポートし、効率的なクロスチェーン コントラクトの相互作用を可能にします。 Quai の各実行スレッドには EVM があり、代替シャードにある EVM と通信するために新しいオペコードが導入されています。この機能により、開発者は複数またはすべての Quai チェーンにコントラクトをデプロイし、ネットワーク全体の分散アプリケーション (dapps) の操作性を確保できます。QuaiNetwork の革新的なシャーディング アプリケーションは、マージマイニングによる相互運用性と並列実行スレッドと相まって、作業ベースのコンセンサス メカニズムの下でのブロックチェーンのスケーラビリティにおける大きな進歩を表しています。クロスチェーントランザクションの堅牢な処理と高度なスマートコントラクト機能により、Quai はスケーラブルなブロックチェーンプロトコルの成長分野において注目に値する貢献者となっています。## 計算ベースの並列実行ブロックチェーンの並列実行における新たなパラダイムは、計算ベースのモデルです。この用語は、共有環境でコンピューティング タスクを同時に処理する方法を表すために AmberGroup の研究チームによって造られました。状態アクセス モデルや楽観的モデルとは異なり、計算ベースのモデルは、メモリベースの逐次計算に厳密には依存しません。代わりに、高度な並列仮想マシンの原理に基づいて動作します。この設計により、堅牢かつ効率的な並列実行が促進されます。次のセクションでは、計算ベースの並列実行の原理、その潜在的なアプリケーション、およびそれがより広範なブロックチェーン技術分野にもたらす特有の課題について説明します。### Kindelia: 計算ベースの並列実行の原動力Kindelia は、ブロックチェーンにおける計算ベースの並列実行モデルの有望なソリューションとして浮上しています。 HigherOrder Corporation によって開発され、効率的な並列コンピューティングを可能にする Higher-Order Virtual Machine (HVM) と呼ばれる独自のランタイムに基づいています。Kindelia のイノベーションは、「インタラクション ネットワーク」と呼ばれる新しいコンピューティング モデルに基づいています。この概念は、ほとんどの現代コンピュータを支えているチューリング マシン モデルとは異なります。インタラクション ネットワークはインタラクション ノードのグラフに基づいており、各ノードはネットワーク内の他のノードとどのようにインタラクションするかを決定する書き換えられたルールのセットを持っています。計算は、最終状態に到達するまで、相互作用するネットワークを削減し、書き換えルールに従ってネットワークからノードを体系的に削除することによって実現されます。このモデルでは、ノードがグローバルな調整を行わずにローカルで対話するため、プロセスを指示する中央クロックを必要とせずに、計算を並列で実行できます。*  **Victor Taelin (HigherOrderCompany の CEO) の図は、インタラクション ネットワークを削減する方法を示しています。 *このモデルの利点は多岐にわたります。固有の並列処理により、より高速かつ効率的な計算が容易になり、従来の逐次計算モデルを大幅に上回ります。さらに、コンピューターサイエンスのさまざまな分野に応用分野が開かれます。 Kindelia は、ブロックチェーンのコンテキストにおける初の真の並列仮想マシンとして際立っており、altL1 が目指している目標の多くを達成しています。ただし、チューリング マシン ベースのアーキテクチャに依存しているため、これらの競合他社は同じレベルの並列化を達成できない可能性があります。Kindelia の設計では、機能を実行するために必要な計算ステップが少なくなり、プロセッシング コアの利用率が最大化され、正しい順序で操作が実行されることが保証されます。これらはすべて、開発者の追加の労力を最小限に抑えます。この簡素化された実行プロセスと高レベルのセキュリティにより、Kindelia はブロックチェーン テクノロジーにおける計算ベースの並列実行の最先端の例となります。Kindelia と HVM の理論的基礎はある程度進んでいますが、ブロックチェーン コンピューティングの速度、効率、セキュリティを向上させるという実際的な重要性は容易に理解できます。 Kindelia により、私たちはブロックチェーン技術の革命的な飛躍を目の当たりにし、この革新的な分野の進行中の開発における重要なマイルストーンを示しています。## 並列実行に関する懸念並列ブロックチェーンの可能性を探る際には、並列ブロックチェーンにはスケーラビリティと速度に大きな利点がある一方で、特有の課題や潜在的な欠点も存在することを認識することが重要です。よく言及される 2 つの主な問題は、集中化の増加の可能性とトランザクションの競合率の高さです。並列ブロックチェーンはトランザクション処理を多数のノードに分散するため、トランザクション処理のスループットが向上します。ただし、この分散は少数のノード内に電力が集中する可能性もあり、ある程度の集中化をもたらします。この集中化により、ブロックチェーンの信頼性とセキュリティが損なわれ、攻撃に対してより脆弱になる可能性があります。さらに、並列ブロックチェーンはネットワークのダウンタイムのリスクを高めます。たとえば、Solana ネットワークは、過剰なトランザクション リクエストにより 2021 年 9 月に障害が発生しました。この事件は、ブロックチェーン ネットワークの拡張に伴う潜在的なリスクを浮き彫りにし、安定性を損なうことなく大量のトランザクションを処理できるソリューションの必要性を強調しています。トランザクションの競合率も重要な問題です。この比率は、競合により同時に実行できないトランザクションの割合を指します。競合率が高いと、並列ブロックチェーンで大量のトランザクションのやり直しが発生する可能性があります。 Flashbots のレポートによると、2017 年のイーサリアム取引の競合率は約 35% でした。 OpenSea や Uniswap などの主要なアプリケーションがイーサリアム ネットワークを支配しているため、競合率はさらに高くなる可能性があります。オプティミスティック実行の場合、競合率が 30% を超えると、トランザクションのやり直しの量によってパイプラインが大幅に中断される可能性があります。再実行のたびにトランザクション処理が遅くなり、並列化の利点が減ります。したがって、並列ブロックチェーンの効率を確保するには、トランザクションの競合率を管理することが重要です。＃＃ 結論はブロックチェーンの設計に内在するスケーラビリティと効率の問題に対処しようとして、ブロックチェーン空間では大きな変化が進行中です。私たちは並列実行を実現するためのさまざまなアプローチを検討してきましたが、それぞれに独自の利点と課題があります。状態ベースのアクセス モデルは、ブロックチェーンの逐次的な性質を克服するための最初のステップとなります。楽観的な実行は有望ですが、競合のリスクも招き、効果的な競合解決戦略が必要になります。シャーディングは、ネットワークをより小さな管理可能な部分に分割し、それぞれがトランザクションを独立して処理できるようにすることで、さらに一歩前進します。最後に、コンピューティング ベースの並列実行では、最先端のコンピューター サイエンスを使用して、ノードのパフォーマンスとアプリケーションのセキュリティを最大化します。課題や潜在的な問題にもかかわらず、これらのモデルはブロックチェーン テクノロジーのパフォーマンスを大幅に向上させる可能性を示しています。これらのテクノロジーが開発と成熟を続けるにつれて、私たちはブロックチェーンテクノロジーの新時代の頂点に立っています。
並列実行の詳細な解釈: 可能性、課題、将来
元のタイトル:「パラレル パワー アンロック」
執筆者: ROBERT MCTAGUE、Amber Labs 投資アナリスト
編集者: イヴォンヌ
ブロックチェーン業界が直面している現在の課題
現在、主流のブロックチェーンは、DeFi、NFT、ソーシャルメディア、さらにはゲームを含む幅広いアプリケーションを提供しています。ただし、これらのアプリケーションの品質と機能は、ブロックチェーンが複数のトランザクションを同時に処理することが難しいという根本的な制限によって制限されます。並列実行は、スマート コントラクト プラットフォームで複数のトランザクションを同時に処理できるようになり、ネットワーク全体のスループットと応答性が向上するため、分散型アプリケーションでは非常に重要です。この重大なハードルに対処するために、過去 5 年間の業界の発展は、並列化によるブロックチェーンのパフォーマンスの向上に焦点を当ててきました。
以前のレポートでは、スケーラビリティを強化するさまざまな方法を詳しく掘り下げ、モジュール設計、DAG などの革新的なアーキテクチャ、Aptos や Sui などのケーススタディを紹介しました。ただし、ブロックチェーン空間で見落とされがちな側面は、ネットワークが並列実行をどのように処理するか、およびこれらのアプローチをどのように比較するかです。
この調査レポートは、現在のブロックチェーンの問題を解決し、将来の並列実行のための分類フレームワークを確立するのに役立つ、今後のレイヤー 1 ブロックチェーンに光を当てることを目的としています。これらのソリューションがどのように並列実行を可能にするかに焦点を当て、既存のブロックチェーン ネットワークの制限を克服するためのアプローチを比較します。これらの次世代ブロックチェーンで採用されているさまざまな戦略と技術を調査することで、並列実行の将来とブロックチェーンのイノベーションの推進におけるその役割について貴重な洞察を提供したいと考えています。
EVM
現在、ほとんどのスマート コントラクト プラットフォームはイーサリアム仮想マシン (EVM) に依存していますが、トランザクションを同時に実行できないという大きな欠点があります。この制限により、スケーラビリティと効率を向上させる手段として並列実行を重視した新しい L1 ソリューションの開発が促進されました。
スマート コントラクト ブロックチェーンには 2 つの主要コンポーネントがあります。1 つはノードがトランザクションの順序と包含について合意するのに役立つコンセンサス メカニズム、もう 1 つはアプリケーション コードを実行し、アプリケーションの状態とアカウント残高を更新する仮想マシンです。イーサリアムは、各ノードがすべてのアプリケーションとその状態のコピーを保持する共有システムである EVM を通じてプログラム可能なスマート コントラクトを導入しました。 EVM を使用するブロックチェーンは、その人気にもかかわらず、処理速度の点で制限があります。たとえば、イーサリアムは 1 秒あたり約 10 トランザクション (tps) を処理できますが、最速の EVM チェーンである BinanceChain は 200 tps 以上にしか到達できません。この非効率性は、EVM の逐次処理モデル、つまりトランザクションが次々に処理されることが原因です。
スケーラビリティに重点を置いた L1 である Monad は、最近の投稿「参考: 10,000 人のユーザーが 10 秒ごとに移動する単純なカード ゲームには 1000 tps が必要です。」でこの分析を行っています。現在の状況から判断すると、EVM がこれをサポートできる可能性は低いです。 1 つのチェーン内の多くのトランザクション。
この課題に対処するために、開発者は並列実行をサポートするソリューションを模索しています。このレポートは、並列実行の改善に焦点を当て、これらのブロックチェーンが並列化を達成する方法を分類するためのフレームワークを作成することを目的としています。これらの戦略を実装することで、スマート コントラクト エコシステムは逐次処理の制限を克服し、分散型アプリケーションの幅広い採用への道を開くことができます。
並列実行とは何ですか?
ブロックチェーンでは、並列実行は簡単な例えで理解できます。顧客の購入に対して料金を請求する必要がある食料品店を想像してください。店舗にチェックアウト レーンとレジが 1 つしかない場合、列の動きが遅くなり、顧客がイライラして別の場所で買い物をする可能性があります。この店舗では、プロセスをスピードアップするために複数のチェックアウト レーンとレジを採用しました。これは並行処理であり、店舗は一度に 1 人ずつではなく、複数の顧客のニーズに同時に対応できるようになります。
このアナロジーをブロックチェーンに適用すると、複数のチェックアウト レーンはトランザクションを処理するための異なるパスまたはレーンを表します。並列実行では、これらのチャネルが単一システム内に存在し、複数のトランザクションを同時に処理できるようになります。この設定により、単一のブロックチェーン システムで大量のトランザクションをより効率的に処理できるようになり、全体的なパフォーマンスが向上します。
ブロックチェーンの効率性とスケーラビリティに対する並列実行の重要性を理解したところで、その仕組みをもう少し深く掘り下げてみましょう。
並列実行はどのように機能しますか?
ブロックチェーンにおける並列実行とは、関連性のないトランザクションを同時に処理することを意味します。無関係なトランザクションを独立したイベントとして扱います。たとえば、2 人が異なる取引所でトークンを取引する場合、そのトランザクションは同時に処理できます。ただし、同じプラットフォームで取引している場合は、取引を特定の順序で実行する必要がある場合があります。
並列実行を実現する際の主な課題は、どのトランザクションに相関がなく、どのトランザクションが独立しているかを判断することです。これには、各トランザクションがブロックチェーンのデータにどのような影響を与えるかを理解することが含まれます。相互接続されたアプリケーションが多数ある場合、どのトランザクションが相互に依存しているかを判断するのは難しい場合があります。
ブロックチェーン システムが異なれば、通常はブロックチェーン データへのアクセスを管理することによって、無関係なトランザクションを識別するために異なる方法が使用されます。各アカウントまたはスマート コントラクトには、変更できる独自の指定範囲のデータがあります。独立したトランザクションは同じブロック内の同じデータを変更しようとしませんが、関連トランザクションは変更を試みます。
一部のトランザクションは、他のトランザクションよりも無関係であるとみなされる可能性が高くなります。たとえば、2 人の間での単純なトークンの転送は他の人に影響を与えないため、この種のトランザクションはほぼ常に独立していることは明らかです。ただし、同じスマート コントラクトまたはアカウントに関係するトランザクションはデータを変更する可能性があり、並行して実行することはできません。例としては、複数のプラットフォームが関与するトークン トランザクションが挙げられます。この場合、参加しているすべてのプラットフォームは、最初のトランザクションが完了するまで待機してから、他のトランザクションを処理する必要があります。
次のセクションでは、ブロックチェーン システムで並列実行を実現するための 3 つの異なるアプローチ (状態アクセス/オプティミスティック、シャーディング、計算ベースの並列実行) について詳しく説明します。従来、ブロックチェーン業界の他の人々は、単一のブロックチェーンでトランザクションを同時に処理できるため、状態アクセスと楽観的モデルのみが真の並列実行方法であると考えられてきたことは注目に値します。しかし、洗練されたクロスチェーン通信プロトコルの出現により、並列実行を構成する概念は大幅に拡張されました。たとえば、シャーディングは従来、並列実行の手段とはみなされていませんでしたが、複数のシャードにわたるトランザクションの並列処理を容易にするため、検討する価値があります。最後に、計算ベースの並列実行という比較的新しい概念について説明します。この革新的なモデルはあまり知られていませんが、ブロックチェーン システムにおける並列トランザクション処理に対する革新的なアプローチを表しています。これについては、このホワイト ペーパーで後ほど詳しく説明します。これらのアプローチを検討すると、それぞれがより効率的でスケーラブルなブロックチェーン テクノロジーに特有の利点と課題をどのように提供するかが明らかになります。
並列実行: 状態アクセスと楽観的モデル
現在、並列実行を行うほとんどのブロックチェーンは、状態アクセス アプローチと楽観的モデルという 2 つの一般的なアプローチに依存しています。状態アクセスアプローチは、どのトランザクションがブロックチェーン状態のどの部分にアクセスできるかを先制的に特定し、ブロックチェーンがどのトランザクションが独立しているかを簡単に宣言できるようにする戦略的アプローチです。一方、楽観的モデルは、すべての取引が独立しているという前提の下で動作し、この前提を遡及的に検証し、必要に応じて調整を行うだけです。いくつかのブロックチェーンはこれらのアプローチを利用して並列化を促進し、これらの理論的なアプローチが実際に動作していることを示しています。これらは通常、並列ブロックチェーンについて議論するときに参照されるモデルです。このセクションでは、これら 2 つのアプローチとブロックチェーン分野での応用について説明します。
Solana: 並列ブロックチェーンのパイオニア
Solana はブロックチェーン分野の先駆者となり、トランザクションを管理し、スケーラビリティを拡張する独自のアプローチを開拓しました。その画期的なイノベーションは、特定のアクションによってブロックチェーン状態のどの部分 (すべてのアカウントまたは資産の包括的な記録) にアクセスできるかを決定することです。
巨大なファイル システムのようなものだと考えてください。各トランザクションは、特定のファイルにアクセスするためのリクエストを送信します。ファイル要求が一意であれば、トランザクションは独立して処理できます。ただし、同じファイルを要求した場合、それらのトランザクションは絡み合い、調整が必要になります。本当の秘訣は、どのトランザクションがどのファイルを要求するかを判断することです。
初の並列ブロックチェーンとして、Solana はソリューションを導入します。各トランザクションは、アクセスするファイルを事前に宣言する必要があります。この要件は、Solana の「SeaLevel」実行モデルに含まれており、すべての機能がアカウントベースのフレームワーク内で動作します。各アカウントには、それに関連付けられたトランザクションのみがアクセスできるため、潜在的な競合が防止されます。
重要なことは、Solana はこれらのアカウントに含まれるステートレスな手順も使用していることです。ステートレス プログラムは、実行の間にデータをまったく記憶しないコード部分であり、実行するたびに最初から開始されます。関数呼び出しが行われると、これらのプログラムが起動され、過去のデータに依存せずにタスクを実行します。この概念はトランザクションの独立性を維持するのに役立ち、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させるための Solana の革新的なアプローチに貢献します。
スイ: オブジェクトの概念
スイは最近デビューし、ブロックチェーン分野で大きな波紋を引き起こしました。しかし、Sui は正確に何をもたらすのでしょうか?Sui のアーキテクチャの微妙な違いを掘り下げるために、私たちのチームは、Sui を、今後さらに調査する別のブロックチェーンである Aptos と比較する包括的な論文を作成しました。ただし、現時点での私たちの主な関心事は、並列トランザクション実行に対する Sai の独自のアプローチを理解することです。
Sui の並列化戦略は Solana のものと似ていますが、アカウントを「オブジェクト」と呼ばれる構造に置き換えるという独自の工夫があります。 Sui トランザクションはアカウントを参照せず、代わりにオブジェクト (資産またはスマート コントラクトなど) のプロパティを変更します。トランザクションが独立したものとして指定されている場合 (つまり、他のトランザクションがターゲット オブジェクトと対話していない場合)、トランザクションはコンセンサス メカニズムを完全にバイパスします。これはビザンチン コンセンサス ブロードキャストとして知られる機能です。
説明のために、アリスが固有の NFT を所有しているとします。これは、Sui のコンテキストではオブジェクトとして表され、「アリス」がその「所有者」としてリストされています。アリスがこの NFT をボブに転送すると、トランザクションは別個のオブジェクト トランザクションとして扱われ、コンセンサス プロセスがバイパスされます。ただし、アリスがマーケットプレイスを通じて NFT を購入するなど、より複雑な操作を実行することを決定した場合、力学は変化します。オブジェクトは他のトランザクションによって操作できるため、トランザクションは依存トランザクションとして指定され、実行前に順序付けが必要な場合があります。
燃料: UTXO を使用して実行を強化する
Fuel はブロックチェーン分野のリーダーであり、UTXO (Unspent Transaction Output) モデルを最大限に活用しています。 UTXO モデルを物理的な現金取引と考えると、10 ドル紙幣で 7 ドルで何かを購入し、3 ドルのおつりが得られるようなものです。 UTXO モデルを使用することで、Fuel はトランザクションを効率的に並列処理できます。これは、UTXO モデルにより、相互作用するオブジェクトまたは「請求書」内で重複しない独立したトランザクションを簡単に識別できるためです。この独立性は、これらのトランザクションが競合することなく同時に処理できることを意味し、トランザクションのスループットが大幅に向上します。
ビットコインは UTXO モデルも採用しており、Fuel はこれを使用して厳格なアクセス リストを確立します。これらのリストは規制者として機能し、ブロックチェーン状態のどの部分にアクセスできるかを制御します。この戦略は、ブロック内でトランザクションを配置する正規のトランザクション順序付けの考え方に基づいており、トランザクション間の依存関係を識別するプロセスを簡素化します。
Fuel は、新しい仮想マシン FuelVM と革新的なプログラミング言語 Sway を開発することで、このコンセプトを実現しました。 FuelVM は、リーンでありながら完全な互換性を備えたイーサリアム仮想マシン (EVM) の代替として設計されており、開発者はより直接的に Fuel エコシステムに統合できます。
さらに、Fuel はモジュール式ブロックチェーン構造を強調しています。このモジュラーアプローチにより、Fuel 内で実行されるトランザクションをイーサリアムメインネットネットワーク上で決済できるようになります。その結果、Fuel は大量のトランザクションを処理する能力を持ち、そのすべてがイーサリアム上で統合され決済されます。この戦略的な動きにより、Fuel は重いトランザクション負荷を効率的に管理できるようになります。
Aptos: 楽観的な方法で実行する
ブロックチェーンの並列化の探求では、まず、ブロックチェーンがトランザクションの開始時にどのように依存関係を確立するかを説明します。これを状態アクセス アプローチと呼び、スマート コントラクトまたは開発者がどのトランザクションが状態のどの部分にアクセスできるかを定義します。ここで、オプティミスティック実行と呼ばれる別の手法に移ります。オプティミスティック実行は、各トランザクションが他のトランザクションに接続されていないかのように処理され、すべてのトランザクションが同時に処理されるようにする戦略です。ただし、一部のトランザクションがリンクされていることが判明した場合、トランザクションは停止され、結果がクリアされて再実行されます。これにより、トランザクションがほとんど独立している場合は高速化できますが、多くのトランザクションが接続されている場合は、処理を頻繁に停止してリセットする必要があり、トランザクションが遅くなる可能性があります。
Aptos は、Block Software Transactional Memory (Block-STM) と呼ばれるアプローチを使用して、オプティミスティック実行を適用します。 Aptos は、トランザクション リンクを自動的に検出する Diem の Move 言語と MoveVM 上に構築されています。トランザクションがブロックチェーン状態のどの部分（メモリ位置など）に触れるかを言う必要はありません。
出典: Block-STM ホワイトペーパー
(図は、いくつかのトランザクションが接続されている場合、検証が一時停止され、結果が削除され、再度実行されることを示しています。)
block-stm では、トランザクションはまずブロック内で一定の順序で設定され、その後複数の処理スレッドに分割されて同時実行されます。これらのトランザクションが処理されると、システムは各トランザクションが変更するメモリ位置を追跡します。各ラウンドの処理の後、システムはすべてのトランザクション結果をチェックします。以前のトランザクションによって変更されたメモリ位置にトランザクションがアクセスしたことが判明した場合、その結果を消去して再度実行します。このプロセスは、ブロック内のすべてのトランザクションが処理されるまで継続されます。
Block-STM の成功は、トランザクション間のつながりに大きく依存します。 Aptos チームによると、32 個のプロセッシング コアを使用すると、トランザクションの相関性が高い場合は 8 倍、トランザクションの相関性が低い場合は 16 倍の速度向上が得られます。ただし、ブロック内のすべてのトランザクションが連結される場合、block-stm は 1 つずつ実行する場合に比べて若干速度が低下する可能性があります。
Monad: EVM チェーンのリーダー
Monad は、EVM 互換ブロックチェーンにおける新しいアプローチの先駆者であり、EVM の最初の層に並列アーキテクチャを導入した最初のブロックチェーンです。 Aptos と同様に、トランザクションが相互接続されていないという前提の下で動作し、依存関係が発生したときに解決するという楽観的な実行パスを採用します。
この斬新なアプローチには課題がないわけではありません。ブロックチェーンテクノロジーに大幅な変更を加えるには、複雑かつ長期にわたる取り組みが必要です。それにもかかわらず、モナドはイノベーションに取り組み続けており、独自のアーキテクチャの強化を目指す他のブロックチェーン ネットワークの先駆者となっています。
Polygon と BinanceSmartChain を例に挙げると、2 つの有名なブロックチェーンは現在、同様の戦略を採用してシステムをアップグレードしようとしています。楽観的実装に関するモナドの先駆的な取り組みの重要性は、大規模なプラットフォームが独自のアーキテクチャを再評価し、改訂することに影響を与えているため、その重要性を誇張することはできません。
たとえば、Polygon は高速スループットと毎日数百万件のトランザクションを実現します。そのネットワーキング API は、並列化可能なエンジンを駆動するのに十分なデータをすでに提供しており、EVM 固有の Block-STM を検討することで、API への変更を回避することに成功しました。ただし、PolygonPoS チェーン上の膨大なトランザクション量を考慮すると、ブロック間の依存関係がゼロであるという仮定は非現実的です。したがって、最小限のメタデータ アプローチを採用し、トランザクションの依存関係をブロック内のメタデータとして記録し、冗長性と計算要件を削減しました。
同様に、BinanceSmartChain も、業界全体に対する Monad の革新的なアプローチの影響を反映して、オプティミスティック実行を介して EVM チェーン内での並列実行の機会を模索しています。
Monad の革新的な精神とブロックチェーン技術の限界を押し広げる取り組みは、EVM 分野に新しいトレンドを生み出しました。 EVM レイヤー 1 で並列アーキテクチャを採用するという同社のアプローチは、自身のシステムの効率を向上させるだけでなく、この分野の他の重要なプレーヤーに影響を与え、同様の影響を与え、ブロックチェーン業界の将来に大きな変化をもたらします。
シャーディングに基づく並列実行
これまで、さまざまなブロックチェーンがどのように順序付けを破壊し、アカウント、オブジェクト、UTXO、楽観的モデルなどの概念を通じて並列化を実現するかについて説明してきました。しかし、私たちが研究しようとしている次世代のブロックチェーンでは、並列化に対して独自のアプローチが採用されています。これらのプラットフォームは、トランザクションを並列処理できる単一のブロックチェーンを備えているというよりは、シャーディング モデルに似ています。ブロックチェーンは複数の部分に分割されており、それぞれが独自のトランザクションの処理を担当します。
Shardeum: EVM のシャーディング方法
Shardeum は、動的シャーディングを通じてブロックチェーンのスケーラビリティに画期的なアプローチをもたらし、線形のスケーラビリティを可能にします。シャードはネットワークのサブセクションであり、各シャードはネットワーク トランザクションの一部を処理し、リソースの効率とスループットを向上させます。ユーザーが、Shardeum でホストされている分散アプリケーション (dapp) 上でトランザクションを実行しているとします。分散アプリケーション (dapp) は、関連付けられたデータに基づいて特定のシャードに割り当てられます。シャードは、ミニブロックチェーンのように、その管轄下にある他のシャードと並行してトランザクションを処理します。ユーザーは処理が高速化され、ユーザー エクスペリエンスが最適化されるという恩恵を受けます。
Shardeum の主な特徴は、Ethereum Virtual Machine (EVM) との互換性です。開発者は、イーサリアムベースの dapp をシャーディアムに簡単に移行し、シャーディアムの動的シャーディングと並列処理を広範なイーサリアム エコシステムと組み合わせることができます。
動的シャーディングにより、変動する需要に対するネットワークの適応性が確保され、システムの拡張性と高効率が促進されます。 Shardeum はクロスシャード トランザクションを自動化し、複数のユーザーからの入力を必要とする複雑なアプリケーションのシームレスな実行を可能にし、スケーラビリティを強化します。
Shardeum のユニークな点は、線形に拡張できることです。ネットワークはノードの追加に応じて直線的に拡張します。つまり、トランザクションのスループットはノードの数に比例して増加します。この線形スケーリングとノードの柔軟性および自動スケーリング機能を組み合わせることで、Shardeum はさまざまなワークロードとネットワークの成長を最適に処理できます。 Shardeum は、複雑なアプリケーションのスケーラビリティを強化し、現実世界のトランザクション ニーズに対する実用的なソリューションを提供することで、現実世界のトランザクション ニーズに対する実用的なソリューションを提供します。
Linera: 革新的なマルチチェーン プロトコル
Linera のブロックチェーンのスケーラビリティに対する革新的なソリューションは、ユーザー チェーン、パブリック チェーン、エフェメラル チェーンを含む動的なマルチチェーン プロトコルを通じて際立っています。
上の図は、Linera システム内の 3 つの異なるタイプのチェーン (ユーザー チェーン、パブリック チェーン、および一時チェーン) を示しています。各チェーン タイプには、プロトコルの全体的な機能とスケーラビリティに貢献する独自の役割があります。
Linera がユーザー制御チェーンの概念を開拓した Shardeum とは異なり、Shardeum はネットワークを多数のシャード チェーンに分割し、それぞれがトランザクションのサブセットを担当します。このきめ細かなアプローチにより、ネットワーク全体のリソース割り当てを最適化しながら、ユーザーの制御性と自律性が向上します。
ユーザーによって独占的に所有および制御されるユーザーチェーンは、Linera のアーキテクチャのバックボーンを形成します。これらのチェーンは特定のエンド ユーザーのトランザクションを個別に処理するため、並列実行が可能になり、レイテンシーを削減しながらスループットを大幅に向上させます。
パブリック チェーンは、Linera の設計のもう 1 つの重要な部分です。これらのチェーンは、自動マーケットメーカー（amm）などの分散型アプリケーションの本拠地です。パブリック チェーンはすべてのネットワーク参加者に開かれており、オープンで無制限の対話を必要とするアプリケーションに共通のプラットフォームを提供します。
Linera は、アトミック スワップなどの複雑な操作を処理するために特別に設計された一時チェーンの概念も導入しています。この機能は、ボトルネックを引き起こす可能性があるメイン チェーン上でトランザクションを記録する必要があるプロトコルに比べて、大きな利点をもたらします。 Linera では、アトミック スワップ中に一時チェーンが作成され、他のトランザクションとは独立して並行して処理されます。スワップが完了すると、一時的なチェーンは消え、更新された状態が関連するユーザー チェーンに反映されます。
プロトコルの構造は水平スケーリングをサポートしています。これは、負荷が変動してもシステムのパフォーマンスを維持するために不可欠な特性です。トラフィックが増加すると、バリデーターはワーカー マシンを追加して、増加したアクティビティを管理し、高負荷下でも高いスループットを維持できます。
各ブロックチェーンまたは「ゾーン」が異なるバリデーターのセットによって運用される Cosmos などの他のプロトコルとは異なり、Linera はすべてのチェーンを 1 つのバリデーターのセットに統合します。この統合されたアプローチにより、Linera プロトコルの効率とセキュリティが強化され、遅延や不一致の増加につながる可能性がある個別のバリデータ セットによる検証の複雑さが解消され、クロスチェーンの相互作用が簡素化されます。その結果、エコシステム全体でトランザクションがより効率的に処理され、競合のリスクが大幅に軽減されます。
QuaiNetwork: Proof-of-Work による並列性と相互運用性の強化
QuaiNetwork は、スケーラビリティに対する独自のアプローチにより、ブロックチェーン業界で独自の道を切り開いてきました。 Quai は、動的で相互運用可能なマルチチェーン アーキテクチャを実装することにより、スケーラビリティの問題に対する独自のプルーフ オブ ワーク ベースのソリューションを提供し、無限に実行されるシャードによるトランザクションの並列化を可能にします。このアプローチは、Shardeum の動的シャーディングといくつかの類似点を共有しながら、ユーザー制御のチェーンを利用する Linera のようなプロトコルと Quai を区別します。
Quai が使用するシャーディングのバージョンは、集中型システムでデータベースのパフォーマンスを向上させるために使用される従来の方法に似ています。ただし、Quai は、動的で適応性があり、深く絡み合ったマルチチェーン アーキテクチャを備えているという点で、一般的なシャーディング スキームとは異なります。これは、ネットワークが個別にトランザクションを処理するシャードのチェーンに分割される、Shardeum の動的シャーディングに似ています。ただし、Quai はマージされたマイニング階層を使用してこれらの異なるシャードを調整し、ネットワーク全体で並行して操作を実行できる独自の相互接続を作成します。相互運用性 (シャード間トランザクション) を促進するためにいくつかの新しい信頼メカニズムを導入する既存のすべてのシャーディング実装とは異なり、Quai ネットワークはマージ マイニングを使用してシャードを相互接続し、唯一のメカニズムがマイニングであることを保証します。マージマイニングによる相互運用性に対する QuaiNetwork の独自のアプローチにより、スループットが大幅に向上し、分散化やパフォーマンスを犠牲にすることなく、多数の同時トランザクションに対応できる機能が提供されます。
無制限の数の実行シャードを調整できるようにするために、Quai ネットワークには PoEM と呼ばれる新しいコンセンサス メカニズムが導入されています。 PoEM は Proof-of-Work (PoW) コンセンサスに基づいていますが、他のコンセンサス メカニズムとは異なり、コンセンサス ベースのフォークを初めて排除します。 PoEM を実行すると、同じ情報セットが与えられた場合、すべてのノードは常に、シーケンス内の次のブロックに対して常に同じ優先順位を即座に持ちます。 PoEM を使用すると、すべてのノードが提案されたブロックを即座に公平に比較し、コンセンサスからすべての不確実性を取り除くことができます。 PoEM は、コンセンサスが常に即時であることを保証することで、無限シャーディングに必要な前提条件を提供します。コンセンサスの確立に時間がかかる場合、調整できる実行シャードの数には厳しい制限が生じます。コンセンサスに達する最初の「ゼロタイム」方法である PoEM は、無限に成長するチェーン セットを調整するのに適した最初で唯一のコンセンサス アルゴリズムです。
Quai のアーキテクチャの顕著な特徴は、Quai では「リージョン」と呼ばれる並列実行スレッド (PET) の導入です。各「領域」または実行の並列スレッドは、トランザクションを独立して非同期に処理します。 Quai の各実行スレッドがトランザクションを独立して処理できる機能は、Quai のスケーラビリティの背後にある中心概念の 1 つであるネットワークの並列処理機能をサポートします。
QuaiNetwork のチェーンの数は、Shardeum の動的シャーディングと同様に動的であり、適応可能です。ただし、QuaiNetwork の PoEM コンセンサス メカニズムの使用は、この動的シャーディング パターンをパフォーマンスを低下させることなく無限に実行できるという点で独特です。 QuaiNetwork は、動的シャーディングを介して実行シャードを追加しますが、明らかなトレードオフがあります。実行シャードがネットワークに追加されると、クロスチェーン トランザクションがターゲット シャードによって参照されるまでにかかる時間が増加します。この関係は準線形です。たとえば、Quai を 9 シャードから 16 シャードに拡張すると、クロスチェーン トランザクションが宛先に到達するまでの平均時間が 3300 秒から 4400 秒に増加します。さらに 25 シャードにスケールすると、平均時間は約 5,500 秒に増加します。理論的には、Quai が 100 シャードに拡張した場合、グローバルなクロスチェーン決済までの平均時間は約 11,000 秒になります。 QuaiNetwork の動的シャーディング アルゴリズムは、ネットワークのガス制限とアンクル ブロック レートを監視して、追加のスループットがいつ必要かを理解し、スループット要求の増加に対応するために追加の実行シャードをコンセンサスに自動的に織り込みます。
さらに、Quai の織り構造は、構成可能なマルチチェーン スマート コントラクトをサポートし、効率的なクロスチェーン コントラクトの相互作用を可能にします。 Quai の各実行スレッドには EVM があり、代替シャードにある EVM と通信するために新しいオペコードが導入されています。この機能により、開発者は複数またはすべての Quai チェーンにコントラクトをデプロイし、ネットワーク全体の分散アプリケーション (dapps) の操作性を確保できます。
QuaiNetwork の革新的なシャーディング アプリケーションは、マージマイニングによる相互運用性と並列実行スレッドと相まって、作業ベースのコンセンサス メカニズムの下でのブロックチェーンのスケーラビリティにおける大きな進歩を表しています。クロスチェーントランザクションの堅牢な処理と高度なスマートコントラクト機能により、Quai はスケーラブルなブロックチェーンプロトコルの成長分野において注目に値する貢献者となっています。
計算ベースの並列実行
ブロックチェーンの並列実行における新たなパラダイムは、計算ベースのモデルです。この用語は、共有環境でコンピューティング タスクを同時に処理する方法を表すために AmberGroup の研究チームによって造られました。状態アクセス モデルや楽観的モデルとは異なり、計算ベースのモデルは、メモリベースの逐次計算に厳密には依存しません。代わりに、高度な並列仮想マシンの原理に基づいて動作します。この設計により、堅牢かつ効率的な並列実行が促進されます。次のセクションでは、計算ベースの並列実行の原理、その潜在的なアプリケーション、およびそれがより広範なブロックチェーン技術分野にもたらす特有の課題について説明します。
Kindelia: 計算ベースの並列実行の原動力
Kindelia は、ブロックチェーンにおける計算ベースの並列実行モデルの有望なソリューションとして浮上しています。 HigherOrder Corporation によって開発され、効率的な並列コンピューティングを可能にする Higher-Order Virtual Machine (HVM) と呼ばれる独自のランタイムに基づいています。
Kindelia のイノベーションは、「インタラクション ネットワーク」と呼ばれる新しいコンピューティング モデルに基づいています。この概念は、ほとんどの現代コンピュータを支えているチューリング マシン モデルとは異なります。インタラクション ネットワークはインタラクション ノードのグラフに基づいており、各ノードはネットワーク内の他のノードとどのようにインタラクションするかを決定する書き換えられたルールのセットを持っています。計算は、最終状態に到達するまで、相互作用するネットワークを削減し、書き換えルールに従ってネットワークからノードを体系的に削除することによって実現されます。このモデルでは、ノードがグローバルな調整を行わずにローカルで対話するため、プロセスを指示する中央クロックを必要とせずに、計算を並列で実行できます。
*Victor Taelin (HigherOrderCompany の CEO) の図は、インタラクション ネットワークを削減する方法を示しています。 *
このモデルの利点は多岐にわたります。固有の並列処理により、より高速かつ効率的な計算が容易になり、従来の逐次計算モデルを大幅に上回ります。さらに、コンピューターサイエンスのさまざまな分野に応用分野が開かれます。 Kindelia は、ブロックチェーンのコンテキストにおける初の真の並列仮想マシンとして際立っており、altL1 が目指している目標の多くを達成しています。ただし、チューリング マシン ベースのアーキテクチャに依存しているため、これらの競合他社は同じレベルの並列化を達成できない可能性があります。
Kindelia の設計では、機能を実行するために必要な計算ステップが少なくなり、プロセッシング コアの利用率が最大化され、正しい順序で操作が実行されることが保証されます。これらはすべて、開発者の追加の労力を最小限に抑えます。この簡素化された実行プロセスと高レベルのセキュリティにより、Kindelia はブロックチェーン テクノロジーにおける計算ベースの並列実行の最先端の例となります。
Kindelia と HVM の理論的基礎はある程度進んでいますが、ブロックチェーン コンピューティングの速度、効率、セキュリティを向上させるという実際的な重要性は容易に理解できます。 Kindelia により、私たちはブロックチェーン技術の革命的な飛躍を目の当たりにし、この革新的な分野の進行中の開発における重要なマイルストーンを示しています。
並列実行に関する懸念
並列ブロックチェーンの可能性を探る際には、並列ブロックチェーンにはスケーラビリティと速度に大きな利点がある一方で、特有の課題や潜在的な欠点も存在することを認識することが重要です。よく言及される 2 つの主な問題は、集中化の増加の可能性とトランザクションの競合率の高さです。
並列ブロックチェーンはトランザクション処理を多数のノードに分散するため、トランザクション処理のスループットが向上します。ただし、この分散は少数のノード内に電力が集中する可能性もあり、ある程度の集中化をもたらします。この集中化により、ブロックチェーンの信頼性とセキュリティが損なわれ、攻撃に対してより脆弱になる可能性があります。さらに、並列ブロックチェーンはネットワークのダウンタイムのリスクを高めます。たとえば、Solana ネットワークは、過剰なトランザクション リクエストにより 2021 年 9 月に障害が発生しました。この事件は、ブロックチェーン ネットワークの拡張に伴う潜在的なリスクを浮き彫りにし、安定性を損なうことなく大量のトランザクションを処理できるソリューションの必要性を強調しています。
トランザクションの競合率も重要な問題です。この比率は、競合により同時に実行できないトランザクションの割合を指します。競合率が高いと、並列ブロックチェーンで大量のトランザクションのやり直しが発生する可能性があります。 Flashbots のレポートによると、2017 年のイーサリアム取引の競合率は約 35% でした。 OpenSea や Uniswap などの主要なアプリケーションがイーサリアム ネットワークを支配しているため、競合率はさらに高くなる可能性があります。
オプティミスティック実行の場合、競合率が 30% を超えると、トランザクションのやり直しの量によってパイプラインが大幅に中断される可能性があります。再実行のたびにトランザクション処理が遅くなり、並列化の利点が減ります。したがって、並列ブロックチェーンの効率を確保するには、トランザクションの競合率を管理することが重要です。
＃＃ 結論は
ブロックチェーンの設計に内在するスケーラビリティと効率の問題に対処しようとして、ブロックチェーン空間では大きな変化が進行中です。私たちは並列実行を実現するためのさまざまなアプローチを検討してきましたが、それぞれに独自の利点と課題があります。状態ベースのアクセス モデルは、ブロックチェーンの逐次的な性質を克服するための最初のステップとなります。楽観的な実行は有望ですが、競合のリスクも招き、効果的な競合解決戦略が必要になります。シャーディングは、ネットワークをより小さな管理可能な部分に分割し、それぞれがトランザクションを独立して処理できるようにすることで、さらに一歩前進します。最後に、コンピューティング ベースの並列実行では、最先端のコンピューター サイエンスを使用して、ノードのパフォーマンスとアプリケーションのセキュリティを最大化します。課題や潜在的な問題にもかかわらず、これらのモデルはブロックチェーン テクノロジーのパフォーマンスを大幅に向上させる可能性を示しています。これらのテクノロジーが開発と成熟を続けるにつれて、私たちはブロックチェーンテクノロジーの新時代の頂点に立っています。