ブロックチェーンの1秒あたりの取引処理能力は限られています。例えば、ビットコインネットワークは約7取引を処理できます。ブロックチェーン技術が普及した後は、データ処理能力や速度が大幅に向上し、利用者数の増加によってネットワークが遅くなったり手数料が高騰したりすることはありません。しかし、多くの分散型ネットワークの基本設計原則は拡張性の向上に重点を置いているため、しばしば分散性や安全性が犠牲になることがあります。これがいわゆる「ブロックチェーンのトリレンマ」です。開発者は異なるコンセンサスメカニズムやシャーディング、サイドチェーン、ステートチャネルなどの拡張性ソリューションを模索し、この問題の解決を目指しています。
導入
要するに、ブロックチェーンは分散型デジタルデータベースです。データのブロックは時間順に整理され、暗号証明によってつながれ、安全に保護されています。この技術はさまざまな業界で導入され、私たちの働き方や生活様式を変えつつあります。
この理念は、安全な分散型ブロックチェーンが登場すれば、第三者のネットワークや市場に依存せずに世界を維持できるというものです。しかし、専門家の間では、この技術が大規模に普及するためには、まず核心的な問題、すなわち議論の的となっている「ブロックチェーンのトリレンマ」を解決する必要があると一般的に考えられています。
イーサリアムの共同創設者Vitalik Buterinがこの用語を広めました。この概念を理解するには、ブロックチェーンの三大要素：分散性、安全性、拡張性を知る必要があります。「ブロックチェーンのトリレンマ」とは、これら三つの属性を同時に最適な状態にすることが難しいということを指します。一つの属性を強化すると、他の属性が弱まる傾向があります。
この記事では、トリレンマの三大要素について詳しく解説し、それぞれの関係性や存在理由について深く理解を深めることを目的としています。また、開発者が提案するいくつかの解決策にも焦点を当てます。
【分散性とは何か？】
設計上、ビットコインや類似のブロックチェーンネットワークは分散性を持っています。これらのネットワークの全体構造は、個人や単一の組織によって管理されるものではなく、分散化されています。ネットワークはすべての参加者に開放されており、制御権は完全に分散しています。誰もが同じデータにアクセスでき、記録を改ざんしようとした場合、他の参加者が誤ったデータを拒否できます。
この操作は技術的に高度ですが、例としてビットコインネットワークを挙げると、そこには第三者の管理はありません。これを金融システムの銀行依存と比較します。銀行は取引の信頼性を高め、すべての記録を正確に保存します。一方、ビットコインのブロックチェーンは、ネットワーク内の全員とデータを共有し、データがデジタルデータベースに追加される前に検証される仕組みです。これにより、第三者の介入を必要としないシステムが生まれます。
分散性は、いわゆるWeb3の実現を可能にします。現在のインターネットはWeb2段階にあります。Web2では、ウェブサイトやアプリは大手企業によって管理されていますが、ユーザーがコンテンツを作成します。Web3は次の進化の方向性です。Web3のインターネットでは、分散型ブロックチェーン技術を用いて、ユーザー自身がデータやオンライン生活を管理します。
ただし、注意すべき点は、これらの分散システムの運用には、多数の参加者がすべてのデータの有効性について合意する必要があることです。情報の共有と処理が必要となるため、取引時間が遅くなる可能性があります。したがって、ブロックチェーンは拡張性を必要とし、より高速に多くのデータを処理できる必要があります。拡張性については後述します。
また、分散性を実現するには、基盤となるブロックチェーンの安全性を確保する必要があります。安全性が欠如していると、不正者が狙いをつけてデータを改ざんする恐れがあります。これがトリレンマの第二の要素、安全性に関わる部分です。
【ブロックチェーンの安全性とは何か？】
安全性が欠如していると、どれだけ分散性が高くても意味がありません。堅牢なブロックチェーンネットワークは、悪意のある攻撃に耐えられる必要があります。中央集権型のシステムは閉鎖的であり、安全性を確保しやすいです。管理者はデータの干渉を防ぐことができます。しかし、誰もが参加できる分散型システムでは、どうやって安全性を保つのでしょうか？
これは複雑な問題です。例としてビットコインの安全性を考えましょう。ビットコインのブロックチェーンは、暗号学と「プルーフ・オブ・ワーク（PoW）」と呼ばれるネットワークのコンセンサスメカニズムを組み合わせています。暗号学の観点から、各ブロックにはデジタル署名、すなわちハッシュ値があります。これを改ざんするとハッシュ値が変わるため、各データブロックは不変の方法でつながっています。データの改ざんを試みると、ネットワークの他の部分にすぐに検知されます。
プルーフ・オブ・ワークのコンセンサスメカニズムも、暗号通貨の台帳の安全性を確保する役割を果たしています。理解には少し手間がかかりますが、要点は、ネットワークの参加者は新しい取引を検証し、「マイニング」活動を通じて取引を台帳に追加することだけができるということです。これは、計算能力を使って数学的な難問を解くことに関係しています。計算過程では大量のハッシュ計算を行います。プルーフ・オブ・ワークは安全性を高めますが、その反面遅くなるため、拡張性の問題も生じます。
また、ネットワークの参加者（ノード）が多いほど、ネットワークは安全になります。参加者が多いほど、不正者がシステムを支配するのは難しくなります。これに関連して、「51%攻撃」という概念があります。これは、単一の主体（または不正者のグループ）がハッシュレートの過半数を制御した場合、合意を覆したり、チェーン上のデータを改ざんしたりできるというものです。例えば、ダブルスペンドやトークンの改ざんなどです。
要するに、安全性はブロックチェーンの成功の土台です。安全性がなければ、攻撃者に支配されてしまい、ブロックチェーンは価値を持ちません。
【拡張性とは何か？】
拡張性は、ブロックチェーンの構築において、1秒あたりの取引速度を向上させることを目的とした概念です。ブロックチェーン技術がより広範な社会や数十億のユーザーに対応するには、拡張が不可欠です。しかし、これこそ多くのブロックチェーンが苦労している課題です。
理由は、分散性と安全性がブロックチェーンの根本的な問題であり、常に優先されるからです。分散性はブロックチェーンの理念と目標の核心です。多くの著名なブロックチェーンはこの原則を堅持しています。前述の通り、安全性はブロックチェーンの成功と価値の核心的要件です。
しかし、分散性と安全性を優先すると、拡張性は難題となります。単一のチェーンで処理できる取引数は著しく制限されます。例えば、Visaのような中央集権型の決済システムは、1秒あたり2万4千件の取引を処理できると主張しています。これは、ネットワークが閉鎖的であり、公開ノードやコンセンサスの影響を受けないためです。さまざまな著名なブロックチェーンと比較してみましょう。
2022年のブルームバーグの報告によると、「2022年9月時点で、ビットコインは1秒あたり7件以上の取引処理が難しく、2番目に人気のイーサリアムも1秒あたり約15件に制限されています。従来の取引プラットフォームと比べると、あまりに遅くて驚くほどです。」
前述の通り、分散型ネットワークの参加者が情報を処理する必要性や、PoWの性質がこれらのブロックチェーンの取引速度を制限しています。社会でブロックチェーン技術を使う人が増えれば、ネットワークの処理能力の限界により、混雑が生じる可能性があります。
【なぜブロックチェーンのトリレンマが存在するのか】
この問題の最も明白な解決策は、承認とネットワークデータの追加に関わる参加者数を減らすことです。これにより、ネットワークの拡張と速度向上を図ることができます。しかし、これでは分散性が低下し、制御権が少数の参加者に集中します。参加者が少なくなると、攻撃のリスクが高まり、安全性も弱まります。
こうしてトリレンマが形成されます。ブロックチェーンの基本設計において、分散性と安全性は密接に関連しており、拡張性の実現が難しくなるのです。三者は相反する関係にあります。分散性や安全性を損なわずに拡張性を進めるには、どうすればよいのでしょうか。
【ブロックチェーンのトリレンマ解決策】
トリレンマに対して万能の解決策はありません。重要性を考慮し、コミュニティはさまざまなアプローチを提案し、一定の成果を上げています。ここでは、その代表的な動向を概観し、最新の進展を紹介します。
これは、ブロックチェーンや他のタイプのデータベースを小さな区画に分割し、特定のデータセグメントを管理する方法です。この仕組みは、単一のチェーンがすべてのネットワストランザクションやインタラクションを処理する負担を軽減します。各区画のブロックチェーンは「シャード」と呼ばれ、独自の台帳を持ちます。これらのシャードは、それぞれ取引を処理できますが、信標チェーンやメインチェーンがシャード間のやり取りを管理します。これにより、Layer 1ネットワークの拡張性が向上します。
2.さまざまなコンセンサスメカニズム
ビットコインの三元悖論の一因は、PoWが安全性を確保する仕組みです。システムの安全性を実現するには、マイナー、暗号アルゴリズム、巨大な分散型計算力のすべてが不可欠ですが、その結果、システムは遅くなります。代替の方法でコンセンサスを確保することも、トリレンマの解決策の一つです。これが、イーサリアムがPoWからPoS（Proof of Stake）に移行した大きな理由です。
PoSでは、参加者は自分のトークンをステーク（ロック）して取引検証に参加しますが、高度なマイニングマシンは不要です。ネットワークに新たな検証者を増やすのも容易です。PoSは拡張性解決策の一つに過ぎません。
3.Layer-2ソリューション
シャーディングやさまざまなコンセンサスメカニズムは、いわゆるLayer 1の解決策です。これらは、基盤となるネットワークの基本設計を変更しようとします。一方、他の開発者は、既存のネットワーク構造の上に解決策を構築し、トリレンマの問題を解決しようとしています。つまり、二層ネットワーク、いわゆる「Layer 2」に注目しています。代表例にはサイドチェーンやステートチャネルがあります。
サイドチェーンは、メインチェーンに接続された独立したブロックチェーンです。この仕組みでは、資産が二つのチェーン間を自由に流動します。重要なのは、サイドチェーンは異なるルールで動作でき、速度や拡張性を向上させることです。同様に、ステートチャネルは取引をメインチェーンから切り離し、Layer 1の負担を軽減する方法です。ステートチャネルは独自のチェーンを持たず、スマートコントラクトを利用して、ユーザーがブロックチェーンに取引を公開せずに相互にやり取りできる仕組みです。ブロックチェーンは、チャネルの開始と終了だけを記録します。
まとめ
ブロックチェーンのトリレンマは、技術の潜在能力を阻害しています。もし、ブロックチェーンネットワークが1秒あたり少量の取引しか処理できず、分散性と安全性を維持するならば、大規模な普及は難しいでしょう。しかし、開発者がこの問題の解決を目指して提案した最新のソリューションを見ると、今後も技術の進展を継続し、データ処理能力の飛躍的な向上を実現する可能性があると期待されます。(
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ブロックチェーンの三元悖論とは何ですか？
ブロックチェーンの1秒あたりの取引処理能力は限られています。例えば、ビットコインネットワークは約7取引を処理できます。ブロックチェーン技術が普及した後は、データ処理能力や速度が大幅に向上し、利用者数の増加によってネットワークが遅くなったり手数料が高騰したりすることはありません。しかし、多くの分散型ネットワークの基本設計原則は拡張性の向上に重点を置いているため、しばしば分散性や安全性が犠牲になることがあります。これがいわゆる「ブロックチェーンのトリレンマ」です。開発者は異なるコンセンサスメカニズムやシャーディング、サイドチェーン、ステートチャネルなどの拡張性ソリューションを模索し、この問題の解決を目指しています。
導入
要するに、ブロックチェーンは分散型デジタルデータベースです。データのブロックは時間順に整理され、暗号証明によってつながれ、安全に保護されています。この技術はさまざまな業界で導入され、私たちの働き方や生活様式を変えつつあります。
この理念は、安全な分散型ブロックチェーンが登場すれば、第三者のネットワークや市場に依存せずに世界を維持できるというものです。しかし、専門家の間では、この技術が大規模に普及するためには、まず核心的な問題、すなわち議論の的となっている「ブロックチェーンのトリレンマ」を解決する必要があると一般的に考えられています。
イーサリアムの共同創設者Vitalik Buterinがこの用語を広めました。この概念を理解するには、ブロックチェーンの三大要素：分散性、安全性、拡張性を知る必要があります。「ブロックチェーンのトリレンマ」とは、これら三つの属性を同時に最適な状態にすることが難しいということを指します。一つの属性を強化すると、他の属性が弱まる傾向があります。
この記事では、トリレンマの三大要素について詳しく解説し、それぞれの関係性や存在理由について深く理解を深めることを目的としています。また、開発者が提案するいくつかの解決策にも焦点を当てます。
【分散性とは何か？】
設計上、ビットコインや類似のブロックチェーンネットワークは分散性を持っています。これらのネットワークの全体構造は、個人や単一の組織によって管理されるものではなく、分散化されています。ネットワークはすべての参加者に開放されており、制御権は完全に分散しています。誰もが同じデータにアクセスでき、記録を改ざんしようとした場合、他の参加者が誤ったデータを拒否できます。
この操作は技術的に高度ですが、例としてビットコインネットワークを挙げると、そこには第三者の管理はありません。これを金融システムの銀行依存と比較します。銀行は取引の信頼性を高め、すべての記録を正確に保存します。一方、ビットコインのブロックチェーンは、ネットワーク内の全員とデータを共有し、データがデジタルデータベースに追加される前に検証される仕組みです。これにより、第三者の介入を必要としないシステムが生まれます。
分散性は、いわゆるWeb3の実現を可能にします。現在のインターネットはWeb2段階にあります。Web2では、ウェブサイトやアプリは大手企業によって管理されていますが、ユーザーがコンテンツを作成します。Web3は次の進化の方向性です。Web3のインターネットでは、分散型ブロックチェーン技術を用いて、ユーザー自身がデータやオンライン生活を管理します。
ただし、注意すべき点は、これらの分散システムの運用には、多数の参加者がすべてのデータの有効性について合意する必要があることです。情報の共有と処理が必要となるため、取引時間が遅くなる可能性があります。したがって、ブロックチェーンは拡張性を必要とし、より高速に多くのデータを処理できる必要があります。拡張性については後述します。
また、分散性を実現するには、基盤となるブロックチェーンの安全性を確保する必要があります。安全性が欠如していると、不正者が狙いをつけてデータを改ざんする恐れがあります。これがトリレンマの第二の要素、安全性に関わる部分です。
【ブロックチェーンの安全性とは何か？】
安全性が欠如していると、どれだけ分散性が高くても意味がありません。堅牢なブロックチェーンネットワークは、悪意のある攻撃に耐えられる必要があります。中央集権型のシステムは閉鎖的であり、安全性を確保しやすいです。管理者はデータの干渉を防ぐことができます。しかし、誰もが参加できる分散型システムでは、どうやって安全性を保つのでしょうか？
これは複雑な問題です。例としてビットコインの安全性を考えましょう。ビットコインのブロックチェーンは、暗号学と「プルーフ・オブ・ワーク（PoW）」と呼ばれるネットワークのコンセンサスメカニズムを組み合わせています。暗号学の観点から、各ブロックにはデジタル署名、すなわちハッシュ値があります。これを改ざんするとハッシュ値が変わるため、各データブロックは不変の方法でつながっています。データの改ざんを試みると、ネットワークの他の部分にすぐに検知されます。
プルーフ・オブ・ワークのコンセンサスメカニズムも、暗号通貨の台帳の安全性を確保する役割を果たしています。理解には少し手間がかかりますが、要点は、ネットワークの参加者は新しい取引を検証し、「マイニング」活動を通じて取引を台帳に追加することだけができるということです。これは、計算能力を使って数学的な難問を解くことに関係しています。計算過程では大量のハッシュ計算を行います。プルーフ・オブ・ワークは安全性を高めますが、その反面遅くなるため、拡張性の問題も生じます。
また、ネットワークの参加者（ノード）が多いほど、ネットワークは安全になります。参加者が多いほど、不正者がシステムを支配するのは難しくなります。これに関連して、「51%攻撃」という概念があります。これは、単一の主体（または不正者のグループ）がハッシュレートの過半数を制御した場合、合意を覆したり、チェーン上のデータを改ざんしたりできるというものです。例えば、ダブルスペンドやトークンの改ざんなどです。
要するに、安全性はブロックチェーンの成功の土台です。安全性がなければ、攻撃者に支配されてしまい、ブロックチェーンは価値を持ちません。
【拡張性とは何か？】
拡張性は、ブロックチェーンの構築において、1秒あたりの取引速度を向上させることを目的とした概念です。ブロックチェーン技術がより広範な社会や数十億のユーザーに対応するには、拡張が不可欠です。しかし、これこそ多くのブロックチェーンが苦労している課題です。
理由は、分散性と安全性がブロックチェーンの根本的な問題であり、常に優先されるからです。分散性はブロックチェーンの理念と目標の核心です。多くの著名なブロックチェーンはこの原則を堅持しています。前述の通り、安全性はブロックチェーンの成功と価値の核心的要件です。
しかし、分散性と安全性を優先すると、拡張性は難題となります。単一のチェーンで処理できる取引数は著しく制限されます。例えば、Visaのような中央集権型の決済システムは、1秒あたり2万4千件の取引を処理できると主張しています。これは、ネットワークが閉鎖的であり、公開ノードやコンセンサスの影響を受けないためです。さまざまな著名なブロックチェーンと比較してみましょう。
2022年のブルームバーグの報告によると、「2022年9月時点で、ビットコインは1秒あたり7件以上の取引処理が難しく、2番目に人気のイーサリアムも1秒あたり約15件に制限されています。従来の取引プラットフォームと比べると、あまりに遅くて驚くほどです。」
前述の通り、分散型ネットワークの参加者が情報を処理する必要性や、PoWの性質がこれらのブロックチェーンの取引速度を制限しています。社会でブロックチェーン技術を使う人が増えれば、ネットワークの処理能力の限界により、混雑が生じる可能性があります。
【なぜブロックチェーンのトリレンマが存在するのか】
この問題の最も明白な解決策は、承認とネットワークデータの追加に関わる参加者数を減らすことです。これにより、ネットワークの拡張と速度向上を図ることができます。しかし、これでは分散性が低下し、制御権が少数の参加者に集中します。参加者が少なくなると、攻撃のリスクが高まり、安全性も弱まります。
こうしてトリレンマが形成されます。ブロックチェーンの基本設計において、分散性と安全性は密接に関連しており、拡張性の実現が難しくなるのです。三者は相反する関係にあります。分散性や安全性を損なわずに拡張性を進めるには、どうすればよいのでしょうか。
【ブロックチェーンのトリレンマ解決策】
トリレンマに対して万能の解決策はありません。重要性を考慮し、コミュニティはさまざまなアプローチを提案し、一定の成果を上げています。ここでは、その代表的な動向を概観し、最新の進展を紹介します。
これは、ブロックチェーンや他のタイプのデータベースを小さな区画に分割し、特定のデータセグメントを管理する方法です。この仕組みは、単一のチェーンがすべてのネットワストランザクションやインタラクションを処理する負担を軽減します。各区画のブロックチェーンは「シャード」と呼ばれ、独自の台帳を持ちます。これらのシャードは、それぞれ取引を処理できますが、信標チェーンやメインチェーンがシャード間のやり取りを管理します。これにより、Layer 1ネットワークの拡張性が向上します。
2.さまざまなコンセンサスメカニズム
ビットコインの三元悖論の一因は、PoWが安全性を確保する仕組みです。システムの安全性を実現するには、マイナー、暗号アルゴリズム、巨大な分散型計算力のすべてが不可欠ですが、その結果、システムは遅くなります。代替の方法でコンセンサスを確保することも、トリレンマの解決策の一つです。これが、イーサリアムがPoWからPoS（Proof of Stake）に移行した大きな理由です。
PoSでは、参加者は自分のトークンをステーク（ロック）して取引検証に参加しますが、高度なマイニングマシンは不要です。ネットワークに新たな検証者を増やすのも容易です。PoSは拡張性解決策の一つに過ぎません。
3.Layer-2ソリューション
シャーディングやさまざまなコンセンサスメカニズムは、いわゆるLayer 1の解決策です。これらは、基盤となるネットワークの基本設計を変更しようとします。一方、他の開発者は、既存のネットワーク構造の上に解決策を構築し、トリレンマの問題を解決しようとしています。つまり、二層ネットワーク、いわゆる「Layer 2」に注目しています。代表例にはサイドチェーンやステートチャネルがあります。
サイドチェーンは、メインチェーンに接続された独立したブロックチェーンです。この仕組みでは、資産が二つのチェーン間を自由に流動します。重要なのは、サイドチェーンは異なるルールで動作でき、速度や拡張性を向上させることです。同様に、ステートチャネルは取引をメインチェーンから切り離し、Layer 1の負担を軽減する方法です。ステートチャネルは独自のチェーンを持たず、スマートコントラクトを利用して、ユーザーがブロックチェーンに取引を公開せずに相互にやり取りできる仕組みです。ブロックチェーンは、チャネルの開始と終了だけを記録します。
まとめ
ブロックチェーンのトリレンマは、技術の潜在能力を阻害しています。もし、ブロックチェーンネットワークが1秒あたり少量の取引しか処理できず、分散性と安全性を維持するならば、大規模な普及は難しいでしょう。しかし、開発者がこの問題の解決を目指して提案した最新のソリューションを見ると、今後も技術の進展を継続し、データ処理能力の飛躍的な向上を実現する可能性があると期待されます。(