モジュラー型とモノリシック型のブロックチェーン

すべてのブロックチェーンには同じコアタスクがあります。コンセンサスとセキュリティの提供、データ可用性の保証、そしてトランザクションの実行です。通常、ほとんどのブロックチェーンはこれらの役割を同一のレイヤーで処理します。Bitcoinのようなこうしたブロックチェーンは「モノリシックブロックチェーン」と呼ばれます。

モノリシックブロックチェーンは、最初の暗号通貨の登場以来、業界標準であり続けてきましたが、それは急速に変わりつつあります。モノリシック設計のパフォーマンスが最適でないという証拠が増え続ける中、モジュラー*ブロックチェーンが人気を集めています。モジュラーチェーンは特定の*タスクにのみ焦点を当て、残りを他のレイヤーにオフロードします。

本ガイドでは、モジュラーブロックチェーンという概念について、大まかな入門的説明を行います。モジュラーブロックチェーンがどのように機能するか、モノリシックブロックチェーンとの違い、そしてモジュラー設計がブロックチェーンの普及にとってなぜ重要なのかを説明します。

モジュラーブロックチェーンとは何か

モジュラーブロックチェーンとは、限られた数の役割の処理に焦点を当て、残りを1つ以上の別のレイヤーにアウトソースするブロックチェーンです。モジュラーブロックチェーンがどのように機能するかを理解するには、まず通常のブロックチェーンの「役割」であるコンセンサス、実行、データ可用性、決済を評価する必要があります。

1. コンセンサス

コンセンサスとは、ブロックチェーン上のどのデータが真実かつ正確であると検証できるかについて、ノードが合意に至る仕組みを指します。コンセンサスプロトコルは、トランザクションがどのように順序付けられるか、そして新しいブロックがチェーンにどのように追加されるかを決定します。

2. 実行

実行とは、ブロックチェーン上のノードがトランザクションを処理し、ブロックチェーンを状態間で遷移させる方法です。コンセンサスに参加するノードは、ブロックを検証する前に、自身が保持するブロックチェーンのコピーを使ってトランザクションを実行し、証明する必要があります。

3. データ可用性

ブロックチェーンは、トランザクションデータの可用性を要求するルールを強制します。これは、ブロック生成者が各ブロックのデータを公開し、ネットワークのピアがダウンロードして保存できるようにする必要があることを意味します。このデータは要求に応じて利用可能でなければなりません。

4. 決済

最後に、ブロックチェーンは「ファイナリティ」を提供します。これは、チェーンの履歴にコミットされたトランザクションが不可逆である（あるいは「不変」である）という保証です。これを実現するには、ブロックチェーンがトランザクションの妥当性を確信している必要があります。したがって、決済機能にはチェーンがトランザクションを検証し、証明を検証し、紛争を裁定することが求められます。

ブロックチェーンの主要な機能を確認したところで、次にモジュラーブロックチェーン設計の仕組みを見ていきます。

モジュラーブロックチェーンはどのように機能するか

モジュラーブロックチェーンは、モジュール性という原則に基づいて機能します。これは、システムを個別のコンポーネントに分離し、特定の目的を達成するためにさまざまな方法で組み合わせられるようにすることを指します。モジュール性は専門化に依存しています。各コンポーネントはごく少数のことしかできませんが、それを_うまく_行わなければなりません。モジュラーコンポーネントは、組み合わせてさまざまな構造を形成できるレゴブロックのようなものだと考えることができます。

モジュラーチェーンは、さまざまな目的を達成するために組み合わせられる、より大きな「モジュラースタック」内のブロックチェーンの1コンポーネントです。モジュラーブロックチェーンは「プラグ可能なモジュール」として機能し、ユースケースに応じて入れ替えたり、互いに組み合わせたりすることができます。

モジュラーブロックチェーンアーキテクチャとは何か

モジュラーブロックチェーンは、以下のタスクの1つまたは複数の組み合わせを処理するように設計できます。

• 実行: トランザクションの実行をサポートし、スマートコントラクトのデプロイおよびそれとのインタラクションを可能にする。
• データ可用性: トランザクションデータの可用性を保証する。
• コンセンサス: トランザクションの内容と順序について合意する。
• 決済: トランザクションの確定、紛争の解決、証明の検証、異なる実行レイヤー間のブリッジのためのレイヤーを提供する。

Rollupsはモジュラーブロックチェーンの一例です。ロールアップチェーンはトランザクションを処理します（実行）が、コンセンサス、データ可用性、決済は親チェーンにアウトソースします。本記事の後半のセクションでは、モジュラーブロックチェーンのさらなる例を挙げ、それらがこれらの機能にどのように取り組んでいるかを見ていきます。

モジュラーチェーンは、特に相互に依存している場合、2つ以上の機能を果たすことがよくあります。例えば、データ可用性レイヤーはデータの順序についてもコンセンサスに達する必要があります。そうしなければ、どのデータが履歴の正しいバージョンを表しているかを知ることができなくなります。

Ethereumはモジュラーコンテキストでどのように機能するか

Bitcoinやその他多くの第一世代ブロックチェーンと同様に、Ethereumはモノリシックブロックチェーンとして設計されました。しかし、スケーラビリティと持続可能性を高めるため、Ethereumネットワークは現在モジュラーフレームワークへの移行を進めています。Ethereumがモジュラーコンテキストでどのように機能するかを以下に示します。

シャーディング

シャーディングとは、システム（データベースなど）を分割し、部分ごとに動作させるプロセスです。機能を複数のコンポーネントに分割することで、すべての部分が同じ役割を一緒に処理する場合よりも高い出力と効率をシステムが達成できます。ブロックチェーンネットワークにおいて、シャーディングはブロックチェーンを複数のサブチェーンに分割し、それぞれがネットワークアクティビティの異なる部分を処理します。

Ethereumは、64のシャードチェーンが並行して動作するシャード設計を採用しています。シャードは並行してトランザクションを処理する（実行シャーディング）か、ブロックチェーンデータの異なるチャンクを保存する「デポ」として機能する（データシャーディング）ことができます。データシャーディングを使用すると、Ethereumノードは自身のシャードチェーンで公開されたデータのみを保存します。これは、すべてのノードが同じデータを保存する必要がある現在の構造とは対照的です。

‍Ethereumのシャーディングは、異なるコンポーネント（シャードチェーン）が異なる役割を処理するモジュール性の一形態です。データシャーディングでは、シャードチェーンがEthereumのデータの異なる部分を保存する一方、実行シャーディングでは各シャードチェーンが独自のトランザクションセットを処理できるようにすることで、データスループットが向上し、処理時間が短縮されます。

Rollups

一部の開発者は、サイドチェーンのような純粋なオフチェーンスケーリングソリューションとは異なり、Ethereumのスケーリングに対してロールアップ中心のアプローチを採用しています。ロールアップは親チェーンと密接に結びついており、むしろ、ロールアップは親チェーンのスループットを拡張するために設計された、メインチェーンの拡張と言えます。

Ethereumブロックチェーンは、決済、コンセンサス、データ可用性に焦点を当てながら、計算処理をRollupsにアウトソースします。ロールアップは、ブロックタイムを短縮したりブロックを大きくしたりすることで、分散化やセキュリティを損なうことなく積極的に実行を最適化できます。これは、EthereumがLayer 2に位置するロールアップにとってベースレイヤー（すなわち「Layer 1」）として機能するためです。

モジュラーブロックチェーン設計の利点は何か

モジュラーブロックチェーン設計には、以下の利点があります。スケーラビリティ、柔軟性、そして新しいブロックチェーンを立ち上げる能力です。

1. スケーラビリティ

ブロックチェーントリレンマは、ブロックチェーンが3つの特性のうち2つしか同時に持つことができないと述べています。すなわち、分散化、セキュリティ、スケーラビリティのすべてを同時に持つことは決してできません。特定の特性（スケーラビリティ）を最適化すると、他の領域（セキュリティと分散化）でトレードオフが生じます。これがブロックチェーンのスケーリングが難しい理由です。

しかし、スケーリングの困難さは主に、ブロックチェーンが_単一の_レイヤーですべてのアクティビティを一度に処理しようとする場合に発生します。ブロックチェーンにモジュール性を適用する（異なるレイヤー間でタスクを分離する）ことで、不健全な信頼の前提を導入することなくスケールを向上させることができます。

例えば、実行に焦点を当てたロールアップは、通常のチェーンよりも高いスケーラビリティを提供します。それでも、コンセンサスとデータ可用性についてEthereumに依存することで、高いレベルのセキュリティを達成しています。

2. 新しいブロックチェーンの立ち上げ

新しいブロックチェーンの立ち上げは、そのセキュリティ特性を構築する必要があるため困難な場合があります。プルーフ・オブ・ステークチェーンは中央集権化のリスクを避けるために広範なトークン分配を確立する必要があるかもしれませんし、プルーフ・オブ・ワークチェーンは、一部の関係者がネットワークのハッシュレートを支配するのを防ぐためにマイナーを引き付ける必要があるかもしれません。

しかし、開発者が実行のような最小限の要素に集中し、セキュリティのような特定のタスクを処理するために別のモジュラーブロックチェーンコンポーネントをプラグインできるとしたらどうでしょうか。モジュラー設計を活用することで、新しいブロックチェーンはアーキテクチャのすべての部分を正しく作ることを心配せずに、より速く立ち上がることができます。

3. 柔軟性

モジュール性は、モノリシックチェーンでは提供できない柔軟性をもたらします。Bitcoinの分散化とセキュリティへの注力は自動的にスケーラビリティを排除しますし、高スループットのチェーンはしばしば分散化やセキュリティをある程度犠牲にします。

目的に特化したモジュラーチェーンは、トレードオフと設計実装に関してより高い柔軟性を提供します。例えば、モジュラーブロックチェーンシステムには、セキュリティとデータ可用性に焦点を当てたモジュラーチェーンと、実行に焦点を当てた別のモジュラーチェーンを含めることができます。両者がモジュラー設計からどのように恩恵を受けるかを以下に示します。

1. セキュリティとデータ可用性のレイヤーは、トランザクションが別々に処理されるため、追加のスケーラビリティの恩恵を受けます。オフチェーン実行の妥当性を強制し、オフチェーンデータの可用性を保証すればよいだけです。これは、Ethereumのスケーラビリティがロールアップの使用からどのように恩恵を受けているかを示すものです。
2. 実行レイヤー（スケーラビリティに最適化されている）は、親チェーンの特性を活用することで追加のセキュリティの恩恵を受けます。これは、Layer 2がEthereumの分散化からどのように恩恵を受けているかを示すものです。

モジュラーブロックチェーンの欠点は何か

モジュラーブロックチェーン設計には、以下の欠点があります。セキュリティ、複雑さ、トークン価値です。

1. セキュリティ

モノリシックチェーンとは異なり、モジュラーチェーンは自身のセキュリティ特性を保証することができません。セキュリティレイヤー（通常はコンセンサスとデータ可用性を処理する）が有効でない場合、モジュラーチェーンは失敗するリスクがあります。

2. 複雑さ

モジュラーブロックチェーン設計の実装には、新たな複雑さが伴います。例えば、Ethereumのデータシャーディング計画は、あるシャード上のノードがデータを隠さないことを保証するためにデータ可用性サンプリングに依存しています。同様に、実行レイヤーは、セキュリティレイヤーがオフチェーンの状態遷移の妥当性を強制できるようにするために、不正証明や妥当性証明などの特定の複雑なメカニズムを必要とします。

3. トークン価値

一部のモジュラーチェーンは、用途が限られているため、そのネイティブトークンに価値を引き付けられない場合があります。例えば、コンセンサスとデータ可用性のみに焦点を当てたレイヤーは、実行レイヤーと比較してユーティリティトークンの使用が少なくなる可能性が高いです。また、そうしたネットワークに参加者を引き付けることがより難しくなる場合もあります。

モジュラーブロックチェーンプラットフォームの例

Ethereum

前述の通り、Ethereumはデータシャーディングとロールアップ中心の計算処理に依存しているため、一種のモジュラーチェーンと言えます。前者ではコンセンサスとデータ可用性を分離し、後者では実行をアウトソースしています。

CelestiaとPolygon Avail

CelestiaとPolygon Availは、主にコンセンサスとデータ可用性に関心を持つ2つの新しいモジュラーブロックチェーンです。CelestiaとPolygon Availのノードは、トランザクションの保存と順序付けのみを担当します。実行のためにトランザクションデータを解釈することはありません。これらのチェーンは、他の実行レイヤー（ロールアップなど）のためのデータ可用性レイヤーとして機能することが期待されています。

Validium

Validiumはゼロ知識ロールアップに似ています。トランザクションをオフチェーンで実行し、妥当性証明とともに（バッチで）親チェーンに送信します。違いは、Validiumチェーンがオフチェーンデータを親チェーン以外の場所に保存することです。これはデータ可用性委員会、あるいはプルーフ・オブ・ステークバリデータで構成されるデータ可用性ネットワーク（CelestiaはPoSベースのデータ可用性ネットワークの一例です）と共に行われます。

Validiumのモジュラースタックは以下の通りです。

• 実行レイヤー（Validiumチェーン）
• 決済およびセキュリティレイヤー（親チェーン）
• データ可用性およびコンセンサスレイヤー（DACまたはPoSバリデータネットワーク）

Rollups

前述の通り、ロールアップ設計（オプティミスティックロールアップとゼロ知識ロールアッププロジェクト）はモジュラーアプローチを採用しています。Optimistic Virtual Machineを実行するオプティミスティックロールアップ、またはzkEVMを実行するZKロールアップは、実行レイヤー（スマートコントラクトの実行、トランザクションの処理）として機能します。しかし、それ以外の機能についてはEthereumに依存しています。

1. データ可用性とコンセンサス: ロールアップは、トランザクションデータをCALLDATAとしてEthereumメインネットに公開します。これにより、誰でもロールアップのトランザクションを実行し、必要に応じてその状態を再構築できます。
2. 決済: すべてのロールアップトランザクションはEthereum上で確定されます。ゼロ知識ロールアップの場合、これはゼロ知識証明が検証された後に発生します。オプティミスティックロールアップのユーザーは、チャレンジ期間が経過するか、不正証明の計算後にトランザクションが有効と判断されるまで待機します。

モノリシックブロックチェーンとは何か

「モノリシック」とは「単一の塊から形成された」という意味であり、統一構造モデルを採用するブロックチェーンを説明する際に使われる理由でもあります。モノリシックチェーンとは、ノードがコンセンサス、データ可用性、実行のすべてを担うチェーンです。トランザクションはオンチェーンで検証されるため、モノリシックチェーンは決済レイヤーとしても機能します。

モノリシックブロックチェーンはどのように機能するか

モノリシックチェーンでは、すべてのタスクが単一のレイヤー、または同一レイヤー上で動作する密結合したチェーンのグループで処理されます。後者の区別は重要です。PolkadotのパラチェーンやAvalancheのサブネットのように、すべての役割を処理する相互接続されたブロックチェーンのネットワークは、モジュラーアーキテクチャには該当しません。

モノリシックチェーンがどのように機能するかを理解するために、Bitcoinプロトコルを例に説明します。

1. Bitcoinノードは他のピアからトランザクションを受信し、署名を検証し、コンセンサスルールを満たしていることを確認します。
2. トランザクションが有効であれば、ノードはそれをメモリプールに追加します（そうでなければ、トランザクションを破棄します）。
3. マイナーはメモリプールからトランザクションを取り出し、候補ブロックに追加します。
4. マイナーが候補ブロックのナンス（プルーフ・オブ・ワークのルールで定められている）を見つけることに成功すると、そのブロックをピアにブロードキャストできます。他のノードはトランザクションを再実行して妥当性を確認し、すべてが承認されれば、新しいブロックをチェーンに追加します。
5. このプロセスは他のマイナーによって繰り返され、最終的には以前に追加されたブロックの上に新しいブロックを構築することでチェーンが伸びていきます。

モノリシックブロックチェーンアーキテクチャとは何か

前のセクションでは、プルーフ・オブ・ワークチェーン上でのトランザクションのワークフローを説明しましたが、それはモノリシックアーキテクチャにどのように当てはまるのでしょうか。以下は、モノリシックチェーン上のノードが各トランザクションについて行うことのリストです。

1. データ可用性

各ノードはブロックチェーン全体のコピーを保持し、すべてのトランザクションを保存します。ピアは常に他のノードにトランザクションデータを要求できます。

2. 実行

すべてのノードはトランザクションを再実行して妥当性を確認します。アカウントベースのブロックチェーン（通常はスマートコントラクトをサポートするもの）では、ノードはトランザクションを実行して新しいネットワーク状態を計算します。

3. コンセンサス

ノードは、新しいブロックのためにどのトランザクションが処理されるか、そしてそれらに含まれるトランザクションの順序について合意します。

4. 決済

決済には、トランザクションをチェーンの履歴に永久にコミットすることが必要です。トランザクションを提案するノードは、ブロックの整合性に対して経済的なステークを置かなければなりません。プルーフ・オブ・ワークブロックチェーンの場合、この「ステーク」は新しいブロックのマイニングに費やされたエネルギーであり、一方プルーフ・オブ・ステークブロックチェーンでは、バリデータがブロックの妥当性に対してトークンをステークする必要があります。これらのトークンは、チェーンに虚偽または不正確なトランザクションを書き込もうとする悪意のある行為者から没収されることがあります。

モノリシックブロックチェーンアーキテクチャでは、ノードがこれらすべての役割を果たすことが求められます。これは、実行を決済、コンセンサス、データ可用性から分離するモジュラーチェーンとは異なります。

モノリシックブロックチェーン設計の利点は何か

モノリシックブロックチェーン設計には、以下の利点があります。セキュリティ、ユーティリティ、シンプルさです。

1. セキュリティ

モノリシックブロックチェーンには、自身のセキュリティを強制できるという利点があります。ノードはオンチェーンで実行されたトランザクションを見ることができ、コンセンサスに達する前にその妥当性を確認できます。また、ブロックチェーンデータが複数のノードに冗長的に保存されるため、データ可用性問題を解決することも容易です。

2. ユーティリティ

実行を含む複数の役割を処理するモノリシックブロックチェーンは、より優れた価値提案を持ちます。ユーザーが複数の用途のためにネイティブトークンを購入することで、長期的により多くの価値を蓄積することができます。

3. シンプルさ

モノリシックブロックチェーンは、開発者がブロックチェーン技術における長年の実験を参考にできるため、設計・実装が容易です。安全で効率的なモジュラーチェーンを設計するには、より高いレベルのスキルが必要であり、設計プロセスにおいてより多くの考慮事項が生じます。

モノリシックブロックチェーンの欠点は何か

モノリシックブロックチェーン設計には、以下の欠点があります。非効率な実行、リソースの制約、柔軟性、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化です。

1. 非効率な実行: モノリシックチェーン上のノードは、妥当性を検証するためにトランザクションを再実行する必要があります。
2. リソースの制約: ストレージや帯域幅などのノードのリソースの制約は、ブロックチェーンの効率に影響を与えます。
3. 柔軟性: モノリシックチェーンは柔軟性に欠け、他の特性を犠牲にすることなく望ましい特性を最適化することができません。
4. スケーラビリティ: より高いスループットを達成するために、モノリシックチェーンはブロックタイムを短縮し、ブロックサイズを大きくします。これによりノードに対するハードウェア要件が高くなり、チェーンを検証できるノードの数が減少します。これは中央集権化とセキュリティリスクの増大につながります。
5. セキュリティと分散化: 高い分散化を達成するために、モノリシックブロックチェーンはブロックタイムとブロックサイズを制限します。これにより検証ノードの数は増加しますが、すべてのノードがトランザクションを処理することで、スループットが低下します。
6. ステートの肥大化: トランザクションデータをオンチェーンに保存することで、時間の経過とともにブロックチェーンのサイズが指数関数的に増大します。これはノードに対するハードウェア要件を高め、分散化を損なう可能性があります。

モノリシックブロックチェーンプラットフォームの例

Bitcoin

Bitcoinは元祖モノリシックチェーンであり、ノードは自身が保持するブロックチェーンのコピーに対してすべてのブロックを実行する必要があります。これにより分散化とセキュリティは向上しますが、Bitcoinが高スループットをサポートしたり、より多くのユーザーを受け入れるためにスケールしたりする能力は制限されます（Bitcoinブロックチェーンは1秒あたり5〜7件のトランザクションを処理します）。

Ethereum 1.0

シャーディングとロールアップを持たないEthereumは、モノリシックチェーンとして存在しています。これが、その遅いトランザクション速度（1秒あたり15〜20件のトランザクション）と、分散化とセキュリティへのより強い重点を説明しています。

Solana

Solanaは、実行、データ可用性、コンセンサスを1つの場所で処理する、もう1つのモノリシックチェーンです。Ethereumとは異なり、Solanaはスケーラビリティを最適化しており、最大で1秒あたり65,000件のトランザクションという速度を謳っています。これらのスケーラビリティの利点は、当然ながら分散化とセキュリティを犠牲にして得られています。特に、バリデータノードを運用するためのハードウェア要件が高く、多くのバリデータがクラウドインフラストラクチャではなくベアメタル環境を運用しています。

選び方: モジュラーブロックチェーン vs. モノリシックブロックチェーン

モノリシックチェーンとモジュラーチェーンには、それぞれ利点と欠点があります。どちらを選ぶかは、プロジェクトのニーズと許容できるトレードオフを理解する必要があります。価値の高いDeFiアプリケーションはモノリシックチェーンのセキュリティ保証を選ぶかもしれませんが、より安価かつ高速な処理を必要とするプロジェクト（例えば高頻度取引）は、実行に最適化されたモジュラーチェーンの方が適しているかもしれません。

Alchemyは、Ethereum、Solana、Crypto.orgなど、モノリシックブロックチェーン上での構築をサポートしています。また、オプティミスティックロールアップ（例: Optimism、Arbitrum）やZKロールアップ/Validium（StarkNet）といったモジュラーブロックチェーンの力を活用することもできます。

よくある質問

モジュラーブロックチェーンとモノリシックブロックチェーンの主な違いは何ですか？

モノリシックブロックチェーンは、実行、コンセンサス、データ可用性、決済といったすべてのコア機能を単一のレイヤーで処理しますが、モジュラーブロックチェーンはこれらの役割を専門化されたレイヤーやチェーンに分割します。

なぜモジュラーブロックチェーンはモノリシックブロックチェーンよりもスケーラブルなのですか？

モジュラー設計は、実行のようなタスクを別のレイヤーにオフロードします。これにより、各コンポーネントを独立して最適化することができ、ベースレイヤーの分散化やセキュリティを犠牲にすることなく、より高いスループットを実現できます。

モジュラーブロックチェーンアーキテクチャを使用する主な利点は何ですか？

モジュラーブロックチェーンは、スケーラビリティの向上、設計上のトレードオフにおけるより高い柔軟性を提供し、開発者が特定の機能に集中しながら、他の機能については既存のインフラストラクチャを活用できるようにすることで、より迅速なブロックチェーンの立ち上げを可能にします。

モジュラーブロックチェーン設計の欠点は何ですか？

モジュラーブロックチェーンは、レイヤー間の調整における複雑さを導入し、自身のセキュリティ特性を保証することができず、モノリシックチェーンと比較してトークンのユーティリティが限られる場合があります。

Ethereumはモジュラーブロックチェーンとしてどのように機能しますか？

Ethereumは、シャーディング（データを複数のチェーンに分割する）と、決済、コンセンサス、データ可用性を処理しながら実行をLayer 2ロールアップにアウトソースするロールアップ中心のアプローチを通じて、モジュール性への移行を進めています。

モジュラーブロックチェーンプラットフォームの例にはどのようなものがありますか？

例としては、CelestiaやPolygon Avail（データ可用性レイヤー）、OptimismやArbitrumのようなロールアップ（実行レイヤー）、そして実行、決済、データ可用性を異なるレイヤーに分離するValidiumなどが挙げられます。

モノリシックブロックチェーン設計の利点は何ですか？

モノリシックブロックチェーンは、設計と実装のシンプルさを提供し、自身のセキュリティ特性を強制でき、ユーザーが複数の機能のためにネイティブトークンを必要とするため、通常はより優れたトークンユーティリティを持ちます。

Solanaはモノリシックブロックチェーンですか、それともモジュラーブロックチェーンですか？

Solanaは、実行、データ可用性、コンセンサスを1つの場所で処理するモノリシックブロックチェーンであり、最大で1秒あたり65,000件のトランザクションという謳われた速度でスケーラビリティを最適化しています。