ブロックチェーンアーキテクチャの重要性

ブロックチェーンネットワークのアーキテクチャは、データの処理方法、合意の達成方法、スマートコントラクトの管理方法、可用性の確保方法を定義します。ブロックチェーンはしばしば分散化や暗号セキュリティという観点で議論されますが、基本的なアーキテクチャ設計がブロックチェーンがスケーリングできるか、新しいアプリケーションをサポートできるか、または使用量が増えるにつれて本当に分散化されたままでいられるかを決定します。ブロックチェーンのレイヤーがどのように構造化され、相互作用するかに直接起因する、ネットワークが混雑、高い取引手数料、あるいは中央集権化のリスクに直面する際に、ブロックチェーンアーキテクチャの重要性が明らかになります。

ブロックチェーンの採用の初期段階では、ビットコインやイーサリアムのようなネットワークは、現在モノリシックアーキテクチャと呼ばれているもので運用されていました。これは、トランザクションとスマートコントラクトの実行、イベントの順序に関するコンセンサスの形成、ネットワーク参加者がトランザクションデータを利用できるようにするという3つの重要な機能をすべて単一のブロックチェーンが処理したことを意味します。このモデルは、初期のユースケースではよりシンプルで効果的ですが、需要が増加するにつれてボトルネックになります。オンチェーンで取引したり、分散型アプリケーション(dApps)とやり取りしたりするユーザーが増えると、モノリシック設計ではスループットが低下し、ガス料金が高くなり、バリデーターやノードに対するハードウェア要求が増加する可能性があります。これらの技術的な制約は、ユーザーと開発者の両方のアクセシビリティを制限し、最終的には分散化に影響を与えます。

ブロックチェーンのパフォーマンスとコストの課題は単なる問題ではなく、ネットワークのアーキテクチャに起因する系統的な結果です。たとえば、Ethereumの人気が高まるにつれて、そのモノリシックな設計の限界が露呈しました。ピーク時には、ユーザーはしばしば極端な手数料と遅延した確認に直面します。これらの問題は悪いコードやユーザーの行動の問題ではなく、実行、コンセンサス、およびデータの可用性を単一のシステムにまとめるというアーキテクチャの決定に起因しています。EthereumのロールアップロードマップやLayer 2の採用などのアップグレードは、このワークロードの一部をオフロードし、ベースチェーンを完全に置き換えることなくよりモジュラーな設計に向けた直接的な取り組みです。

ブロックチェーンアーキテクチャは柔軟性にも影響を与えます。緊密に結合されたシステムは、プロトコルレベルでのイノベーションの余地をほとんど残しません。分散型アプリケーションを開発する開発者は、ホストブロックチェーンの実行環境やスループットの制限によって制約されています。それに対して、異なるコンポーネント（実行やデータの可用性など）を独立して選択できるモジュラー構成を可能とするアーキテクチャは、開発者により大きな自律性を提供します。これにより、ゲーム、金融、またはソーシャルネットワーキングなどの特定のユースケースに合わせたより専門的なチェーンが生まれる可能性があります。

さらに、建築設計は分散化に長期的な影響を与えます。データ要件の増加によりフルノードの実行に強力なハードウェアが必要な場合、より少ない個人が参加できるようになり、検証者の中心集中が引き起こされます。信頼の前提を犠牲にすることなく、軽量ノードにアクセス可能なブロックチェーンは、多様で弾力性のあるネットワークを維持する可能性が高いです。

要するに、ブロックチェーンアーキテクチャは無視したり抽象化したりできる技術的な詳細ではありません。それは、スケーラビリティ、コスト効率、開発者体験、ネットワークセキュリティに直接影響を与える基礎的な設計選択です。ブロックチェーンがより複雑でグローバルなアプリケーションをサポートするよう進化するにつれて、モノリシックからモジュラーなアーキテクチャへの移行が革新の中心的焦点となっており、Celestiaはこの移行をコアプロトコルレベルで具現化する最初のプロジェクトの一つです。

モノリシックブロックチェーンとは何ですか？

モノリシックブロックチェーンは、すべてのコア機能（トランザクションの実行、合意、およびデータの利用可能性）が単一の垂直統合システム内で処理されるネットワークです。これらのネットワークは、ブロックチェーンライフサイクルのすべての部分を1つの場所で処理します。モジュラーレイヤーに分割するのではなく、同じノードまたはバリデータのグループがすべての操作を実行します。

Bitcoinと初期のEthereumは、モノリシックなブロックチェーンの最もよく知られた例です。これらのシステムでは、マイナーやバリデータがトランザクションの検証、コンセンサスの達成、およびトランザクションデータをネットワークの残りに利用可能にする責任を負っています。Ethereumはまた、スマートコントラクトと分散型アプリケーション（dApps）を直接メインチェーン上で実行し、各フルノードの計算負荷を増加させています。

モノリシックシステムの利点

モノリシックアーキテクチャの利点の1つは、そのシンプルさです。単一のプロトコル層がアプリケーションを展開するための完全な環境を提供します。セキュリティは1つの検証セットのもとに集中し、すべてのレイヤーを均等に保護します。開発者とユーザーは、異なるレイヤーがどのように通信したり調整したりするかを理解する必要はなく、一貫したスタックとやり取りします。

スケーラビリティの制限と中央集権化のリスク

ただし、モノリシックな設計は、重要なパフォーマンスおよび分散化の課題に直面しています。ネットワーク内のすべてのフルノードはすべてのトランザクションを処理し、すべての履歴データを保存し、すべてのスマートコントラクトを実行する必要があります。活動が増加すると、これによりノードに増大する計算およびストレージの負担がかかります。時間の経過とともに、資金力のあるアクターだけがフルノードを運営できるようになり、インフラストラクチャとガバナンスが中央集権化されていきます。

スケーラビリティも制約されています。分散化を維持するために、ブロックサイズとガス制限は比較的低いままでなければなりません。しかし、これによりトランザクションのスループットが制限され、混雑や高い手数料が引き起こされます。高負荷時のイーサリアムのネットワーク混雑は、これらのトレードオフの結果としてよく文書化されています。

開発者にとって柔軟性が限られています

モノリシックブロックチェーンの別の欠点は、開発者に提供する柔軟性が限られていることです。実行環境、仮想マシン、トランザクションロジック、および手数料モデルはすべてベースチェーンによって決定されます。開発者は新しい機能、実行モデル、またはパフォーマンスの最適化を簡単に導入することができません。プロトコルのアップグレードには広範なコンセンサスが必要であり、しばしばハードフォークが必要であり、時間がかかることや政治的に困難なことがあります。

モノリシック制約からの転換

これらの問題に対処するために、Ethereumや他のブロックチェーンは徐々にモジュラーエレメントを採用しています。たとえば、Ethereumのロールアップ中心のロードマップは、ベースチェーンがコンセンサスとデータの利用可能性を維持しながら、実行を外部ロールアップに委任します。これは、モノリシックモデルからの一部の脱却を表しており、より柔軟でスケーラブルなブロックチェーンアーキテクチャへの関心の高まりを示しています。

モジュラーブロックチェーン設計

モジュラーブロックチェーン設計は、モノリシックシステムのオールインワンアーキテクチャからの転換を表しています。すべての責任を単一のチェーンが処理するのではなく、モジュラーデザインはブロックチェーンの機能を異なる層やモジュールに分離します。各モジュールは特定の役割を担当し、例えば取引の実行、コンセンサスの達成、データの保存、または取引の決済など、独立して最適化できます。この関心の分離により、ネットワークは柔軟かつ分散型でありながら、より効率的にスケールすることが可能となります。

モジュラーブロックチェーンスタックのコアコンポーネント

モジュラーアーキテクチャでは、ブロックチェーンスタックは通常、実行、決済、コンセンサス、およびデータ可用性の4つの機能レイヤーに分割されています。

実行レイヤー
実行レイヤーは取引処理とスマートコントラクトのロジックを処理します。これは分散型アプリケーションが動作し、ビジネスロジックが施行される場所です。開発者は特定のユースケースに合わせた実行環境を選択または構築することができます。それが汎用仮想マシンであるか、カスタムビルトランタイムであるかに関わらず。

決済層
決済レイヤーは取引の有効性に関する最終的な仲裁者として機能します。実行レイヤーによって提出された証明を検証し、状態の遷移が一貫していることを確認します。詐欺や無効な取引の場合には、決済レイヤーは紛争解決メカニズムを提供する場合もあります。

コンセンサス層
合意レイヤーは取引の順序付けとブロックの生成を担当しています。このレイヤーは正準チェーンを決定し、すべての参加ノードがブロックのシーケンスに同意することを確認します。

データ可用性レイヤー
データの利用可能性レイヤーは、各ブロックの完全な内容がすべてのネットワーク参加者に利用可能であることを保証します。これにより、悪意のある行為者がトランザクションの検証に必要なデータを隠したり保留したりすることが防止されます。安全でスケーラブルなデータの利用可能性レイヤーは、ロールアップなどの外部実行環境をサポートするために不可欠です。

モジュラーブロックチェーン設計の利点

モジュラーアーキテクチャは、モノリシックシステムに比べていくつかの重要な利点をもたらします。まず、設計によって拡張性を実現します。各モジュールは、独自の要件に応じて独立してスケーリングできます。たとえば、データ可用性レイヤーは帯域幅とストレージに最適化でき、実行レイヤーは計算スループットに焦点を当てることができます。

モジュラーシステムは、より大きな分散化をサポートします。軽量クライアントは、フルノードを実行せずに個々のモジュールとやり取りできます。たとえば、Data Availability Sampling (DAS) のような革新のおかげで、ユーザーはブロックデータ全体をダウンロードせずにブロックデータの利用可能性を検証できます。これにより参加の障壁が低くなり、検証ノードのより広範な分散がサポートされます。

第三に、モジュラー設計により柔軟性と革新が可能になります。 開発者はもはや単一のベースチェーンの制約に縛られることはありません。 実行環境を組み合わせたり、異なるデータ可用性プロバイダーに接続したり、決済ロジックをカスタマイズしたりすることができます。 これにより、特定のニーズに合わせたさまざまなブロックチェーンのエコシステムが生まれ、高速ゲームネットワークからプライバシーに焦点を当てた金融アプリケーションまで対応したものが作成されます。