モジュラー型 vs モノリシック型ブロックチェーン

すべてのブロックチェーンには、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、トランザクションの実行という同じコアタスクがあります。一般的に、ほとんどのブロックチェーンはこれらの責務を同一レイヤー上で処理します。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したが、それは急速に変化しています。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のみに注力し、残りを他のレイヤーにオフロードします。

このガイドでは、モジュラーブロックチェーンの概念について高レベルの入門情報を提供します。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？

モジュラーブロックチェーンとは、限られた数の責務の処理に注力し、残りを1つ以上の別のレイヤーにアウトソースするものです。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「責務」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メカニズムを指します。コンセンサスプロトコルは、トランザクションの順序付け方法と新しいブロックがチェーンに追加される方法を決定します。

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、自身のブロックチェーンのコピーを使用し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、ブロックプロデューサー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しなければならないことを意味します。このデータはリクエスト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的（または「不変」）であることの保証です。これが実現するためには、ブロックチェーンがトランザクションの有効性について確信を持つ必要があります。したがって、決済機能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を要求します。

ブロックチェーンの主要な機能を検討したところで、モジュラーブロックチェーン設計のメカニズムをレビューできます。

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、モジュール性の原則に基づいて機能します。モジュール性とは、システムを別々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様々な方法で組み合わせられるようにすることを指します。モジュール性は特化に依存しています。各コンポーネントはできることが少数ですが、それを_うまく_やらなければなりません。モジュラーコンポーネントは、様々な構造を形成するために組み合わせられるレゴブロックのように考えることができます。

モジュラーチェーンは、様々な目的を達成するために組み合わせられるブロックチェーンの大きな「モジュラースタック」内の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交換したり、互いに組み合わせたりできます。

モジュラーブロックチェーンアーキテクチャとは？

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と操作を可能にする。
• 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ング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。rollupチェーンはトランザクション（実行）を処理しますが、コンセンサス、データ可用性、決済を親チェーンにアウトソースします。この記事の後のセクションで、モジュラーブロックチェーンの他の例を紹介し、これらの機能へのアプローチを見ていきます。

モジュラーチェーンは、特に相互依存している場合、2つ以上の機能を実行する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付けについてもコンセンサスに達する必要があり、そうで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不可能になります。

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Firstジェネレーションの多くの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に、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（例：データベース）を分割して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、すべてのパーツが同じ責務を一緒に処理する場合よりも高い出力と効率を達成します。ブロックチェーンネットワークでは、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個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。シャードはトランザクションを並行して処理する（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に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ことを要求す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）が異なる責務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し、実行シャーディングでは各シャードチェーンが自身のトランザクションセットを処理できるため、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、Ethereumのスケーリングにrollup中心のアプローチを採用しています。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、rollupsは親チェーンと密結合しています。むしろ、rollupはメインチェーン上のスループットをスケールするために設計されたメインチェーンの拡張です。

Ethereumブロックチェーンは、決済、コンセンサス、データ可用性に注力する一方で、計算処理をrollupsにアウトソースします。Rollupsは、分散化やセキュリティを損なうことなく、より速いブロックタイムとより大きなブロックを持つことで、実行を積極的に最適化できます。これは、EthereumがLayer 2に位置するrollupsのベースレイヤー（または「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は、スケーラビリティ、柔軟性、新しいブロックチェーンを立ち上げる能力という以下の利点を提供します。

1. スケーラビリティ

ブロックチェーンのトリレンマは、ブロックチェーンが分散化、セキュリティ、スケーラビリティという3つの可能な性質のうち2つしか持てず、3つすべてを同時に持つことは決してできないと述べています。特定の性質（スケーラビリティ）を最適化することは、他の領域（セキュリティと分散化）でのトレードオフにつながります。これがブロックチェーンのスケーリングを難しくしている理由です。

しかし、スケーリングの難しさは主に、ブロックチェーンが_単一の_レイヤーの下ですべてのアクティビティを一度に処理しようとするときに発生します。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改善できます。

例えば、実行に注力するrollups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度な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難しい場合があります。プルーフオブステークチェーンは、集中化リスクを回避するためにトークンの広範な分配を確立する必要があるかもしれませんが、プルーフオブワークチェーンは、一部の当事者がネットワークのハッシュレートを支配すること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機能に注力し、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設定することを心配せずに、より速く立ち上げることができます。

3. 柔軟性

モジュール性は、モノリシックチェーンが単純に提供できない柔軟性を提供します。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が、高スループットチェーンは、多くの場合、分散化とセキュリティのある程度の測定をトレードオフします。

目的に応じて構築され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大きな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注力するモジュラーチェーンが含まれる一方で、他のものは実行に注力する場合があります。両方がモジュラー設計からどのように利益を得るかを以下に示します。

1. セキュリティとデータ可用性レイヤーは、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から利益を得ます。オフチェーン実行の有効性を強制し、オフチェーンデータの可用性を保証するだけで済みます。これは、EthereumのスケーラビリティがRollupsの使用からどのように利益を得ているかです。
2. 実行レイヤー（スケーラビリティのために最適化されている）は、親チェーンの性質を活用することで追加のセキュリティから利益を得ます。これは、Layer 2sがEthereumの分散化からどのように利益を得ているかです。

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、セキュリティ、複雑さ、トークン価値という以下の欠点があります。

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）が効果的でない場合、モジュラーチェーンは失敗のリスクを負います。

2. 複雑さ

モジュラーブロックチェーン設計の実装は、新たな複雑さをもたらします。例えば、Ethereumのデータシャーディング計画は、1つのシャード上のノードがデータを保留しないように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有効性を強制できるようにする、フロードプルーフやバリディティプルーフ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、その限られたアプリケーションのために、ネイティブトークンに価値を引き付けることができないかもしれません。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。そのようなネットワークに参加者を引き付けることもより難しくなる可能性があります。

モジュラーブロックチェーンプラットフォームの例

Ethereum

説明したように、Ethereumがデータシャーディングとrollup中心の計算に依存していることは、それを一種のモジュラーチェーンにしています。最初のケースではコンセンサスとデータ可用性を分離し、2番目のケース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わる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にのみ責任を持ち、実行のためにトランザクションデータを解釈しません。これらのチェーンは、他の実行レイヤー（例：rollups）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。

Validiums

validiumはゼロ知識rollupに似ています。オフチェーンでトランザクションを実行し、それらを（バッチで）有効性証明とともに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、また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）を使用できます。

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、rollup設計（オプティミスティックrollupsとゼロ知識rollup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rollupや、zkEVMを実行するZK-rollup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、他の機能についてはEthereumに依存しています。

1. データ可用性とコンセンサス：RollupsはトランザクションデータをCALLDATAとしてEthereum Mainnetに公開します。これにより、誰でもrollup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rollupトランザクションはEthereum上で確定します。ゼロ知識rollups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rollupのユーザーは、チャレンジ期間が経過するか、フロードプルーフ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ちます。

モノリシックブロックチェーンとは？

「モノリシック」とは「単一の部品から形成された」という意味で、統一された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を説明しています。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、実行の責任を負うものです。トランザクションが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、または同じ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な、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としては該当しません。

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プロトコルを例として使用します。

1. Bitcoinノードは別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な場合、ノードはそれをmempoolに追加します（そうでない場合は、トランザクションをドロップします）。
3. マイナーはmempool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nonceを見つけることに成功した場合（プルーフオブワークルールが規定する通り）、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有効性を確認し、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？

前のセクションでは、プルーフオブワークチェーン上のトランザクションのワークフローについて説明しましたが、これはモノリシックアーキテクチャにどのように変換されるのでしょうか？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対し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。ピアは常に仲間のノードからトランザクションデータをリクエストできます。

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有効性をチェックします。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、新しいブロックに対してどのトランザクションが処理されるか、そしてそれらが含む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続的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く必要があります。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るエネルギーですが、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有効性につい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可能性があります。

モノリシックブロックチェーンアーキテクチャは、ノードがこれらすべての役割を果たすことを要求します。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は、セキュリティ、ユーティリティ、シンプルさという以下の利点を提供します。

1. セキュリティ

モノリシックブロックチェーンは、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確認でき、コンセンサスに達する前にその有効性をチェックできます。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ているため、データ可用性問題を解決することも自明です。

2. ユーティリティ

実行を他の責務に加えて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っています。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、長期的にはより多くの価値を蓄積できます。

3. シンプルさ

モノリシックブロックチェーンは設計と実装が容易です。開発者はブロックチェーン技術における長年の実験から得られた知見を活用できるためです。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、設計プロセスにより多くの考慮事項をもたらします。

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、非効率的な実行、リソースの制限、柔軟性、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化という以下の欠点があります。

1. 非効率的な実行：モノリシックチェーン上のノードは、有効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. リソースの制限：ストレージや帯域幅などのノードのリソースに対する制限は、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、別の性質をトレードオフすることなく望ましい性質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より速いブロックタイムとより大きなブロックサイズを実装します。これはノードに対してより高いハードウェア要件を課し、チェーンを検証できるノードの数を減らします。これは集中化とより大きなセキュリティリスクにつながります。
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。これは検証ノードの数を増やしますが、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. State bloat：トランザクションデータをオンチェーンに保存すると、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。これはノードに対してより高いハードウェア要件を課し、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、ノードが自身の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ことを要求します。これは分散化とセキュリティを高める一方で、Bitcoinが高い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を制限します（Bitcoinブロックチェーンは1秒あたり5〜7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rollupsがない場合、Ethereumはモノリシックチェーンとして存在します。これは、その遅いトランザクション速度（1秒あたり15〜20トランザクション）と分散化・セキュリティへのより大きな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別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、1秒あたり最大65,000トランザクションの速度を主張しています。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います。特に、バリデータノードを実行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実行しています。

選び方：モジュラー対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。どちらかを選択するには、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。高価値の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、より安価で高速な操作を必要とするプロジェクト（例：高頻度取引）は、実行に最適化されたモジュラーチェーンにより適しているかもしれません。

Alchemyは、Ethereum、Solana、Crypto.orgを含む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rollups（例：Optimism、Arbitrum）やZK-rollups/Validium（StarkNet）などの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、決済という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責務を専門化されたレイヤーやチェーンに分割します。

モジュラーブロックチェーンがモノリシックブロックチェーンよりスケーラブルなのはなぜですか？

モジュラー設計は、実行などのタスクを別々のレイヤーにオフロードし、各コンポーネントを独立して最適化できるようにし、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可能にします。

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大きな柔軟性を提供し、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複雑さをもたらし、自身のセキュリティ特性を保証できず、モノリシックチェーンと比較してトークンユーティリティが限定される可能性があります。

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）とrollup中心のアプローチを通じてモジュール性に移行しており、決済、コンセンサス、データ可用性を処理する一方で、実行をLayer 2のrollupsにアウトソースしています。

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何がありますか？

例としては、CelestiaやPolygon Avail（データ可用性レイヤー）、OptimismやArbitrumなどのrollups（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validiums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、通常、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、より優れたトークンユーティリティを持っています。

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、1秒あたり最大65,000トランザクションという主張される速度でスケーラビリティを最適化しています。