This page may contain third-party content, which is provided for information purposes only (not representations/warranties) and should not be considered as an endorsement of its views by Gate, nor as financial or professional advice. See Disclaimer for details.
Polkadotの革新の道:スケーラビリティ、安全性、分散化の間でいかにバランスを実現するか
ブロックチェーンの拡張性の選択:Polkadotの革新の道
ブロックチェーン技術がより高い効率を追求する今日、ある重要な問題が徐々に浮かび上がっています: パフォーマンスを向上させる一方で、セキュリティとシステムの弾力性を犠牲にしない方法とは？これは単に技術的な課題にとどまらず、アーキテクチャ設計の深い選択でもあります。Web3エコシステムにとって、より速いシステムが信頼とセキュリティを犠牲にして構築される場合、真に持続可能な革新を支えることは難しいのです。
Web3のスケーラビリティの重要な推進者として、Polkadotは高スループットと低レイテンシの目標を追求する中で、何らかの妥協をしているのでしょうか？そのロールアップモデルは、分散化、安全性、またはネットワークの相互運用性において妥協をしていますか？この記事では、Polkadotのスケーラビリティ設計におけるトレードオフとバランスを深く分析し、他の主流のパブリックチェーンのソリューションと比較して、パフォーマンス、安全性、分散化の三者の間での異なる選択肢について探ります。
Polkadot拡張機能設計の課題
弾性と分散化のバランス
Polkadotのアーキテクチャは、バリデーターネットワークと中継チェーン(Relay Chain)に依存していますが、これが何らかの形で中央集権的リスクを引き起こす可能性はありますか? 単一障害点や制御が形成され、その結果、分散型の特性に影響を与える可能性はありますか?
Rollupの運用は、接続された中継チェーンのソート者(sequencer)に依存しています。その通信は、collatorプロトコルと呼ばれるメカニズムを使用します。このプロトコルは完全に許可不要で、信頼不要で、ネットワーク接続がある誰でも使用でき、少数の中継チェーンノードに接続し、rollupの状態変換要求を提出できます。これらの要求は中継チェーンのあるコアによって検証され、1つの前提条件を満たす必要があります: 有効な状態変換でなければならず、そうでなければそのrollupの状態は進行しません。
垂直拡張のトレードオフ
RollupはPolkadotのマルチコアアーキテクチャを活用することで垂直スケーリングを実現できます。この新しい機能は"弾性拡張"(Elastic Scaling)によって導入されました。設計過程で、rollupブロックの検証が特定のコアに固定されていないため、これがその弾性に影響を与える可能性があることがわかりました。
中継チェーンにブロックを提出するプロトコルは許可不要かつ信頼不要であるため、誰でもrollupに割り当てられた任意のコアにブロックを提出して検証することができます。攻撃者はこれを利用して、以前に検証された合法的なブロックを異なるコアに繰り返し提出し、悪意を持ってリソースを消費し、rollupの全体的なスループットと効率を低下させる可能性があります。
Polkadotの目標は、システムの重要な特性に影響を与えずに、ロールアップの柔軟性と中継チェーンリソースの有効利用を維持することです。
Sequencer の信頼の問題
簡単な解決策は、プロトコルを「ライセンス付き」に設定することです：たとえば、ホワイトリストメカニズムを採用するか、デフォルトで信頼できるオーダーラーが悪意のある行動をしないと仮定することによって、ロールアップの活性を保証します。
しかし、Polkadotの設計理念では、シーケンサーに対して信頼の仮定をすることはできません。なぜなら、システムの「信頼不要」と「許可不要」という特性を維持するためです。誰でもコレータープロトコルを使用してロールアップの状態変換要求を提出することができるべきです。
Polkadot:妥協しないソリューション
Polkadotが最終的に選んだ方案は: 問題を完全にrollupの状態遷移関数(Runtime)に委ねることです。Runtimeはすべてのコンセンサス情報の唯一の信頼できるソースであるため、出力においてどのPolkadot coreで検証を実行すべきかを明示する必要があります。
このデザインは、弾力性と安全性の二重の保証を実現しています。Polkadotは、可用性プロセスにおいてrollupの状態遷移を再実行し、ELVES暗号経済プロトコルを通じてcoreの配分の正確性を確保します。
Polkadotのデータ可用性層(DA)にrollupブロックが書き込まれる前に、約5人のバリデーターで構成されるグループがその合法性を検証します。彼らは、ソーターが提出した候補レシート(candidate receipt)と有効性証明(PoV)を受け取ります。これには、rollupブロックと対応するストレージ証明が含まれます。この情報は、パラチェーンの検証関数によって処理され、リレーチェーン上のバリデーターによって再実行されます。
検証結果にはコアセレクタが含まれており、どのコアでブロックを検証するかを指定します。バリデーターは、そのインデックスが自分が担当しているコアと一致しているかどうかを確認します。一致しない場合、そのブロックは破棄されます。
このメカニズムは、システムが常に信頼不要かつ許可不要の特性を維持することを保証し、オーダラーなどの悪意のある行為者が検証位置を操作するのを防ぎ、複数のコアを使用してもロールアップが弾力性を保つことを保証します。
###セキュリティ
スケーラビリティを追求する過程において、Polkadotはセキュリティを妥協していません。ロールアップのセキュリティはリレーチェーンによって保証され、1つの誠実なオーダーラーが生存性を維持するだけで済みます。
ELVESプロトコルを活用することで、Polkadotはその安全性をすべてのrollupに完全に拡張し、コア上のすべての計算を検証します。コアの使用数に制限や仮定を置くことはありません。
したがって、Polkadotのロールアップは、安全性を犠牲にすることなく、真のスケーラビリティを実現できます。
###の汎用性
弾性拡張はrollupのプログラマビリティを制限しません。Polkadotのrollupモデルは、WebAssembly環境内でチューリング完全な計算を実行することをサポートしており、単一の実行が2秒以内に完了する限りです。弾性拡張のおかげで、6秒周期内に実行可能な総計算量が向上しますが、計算の種類には影響を与えません。
###の複雑さ
より高いスループットとより低いレイテンシは、避けられない複雑さを引き起こし、これはシステム設計において唯一受け入れ可能なトレードオフの方法です。
RollupはAgile Coretimeインターフェースを通じてリソースを動的に調整し、一貫したセキュリティレベルを維持します。また、異なる使用シーンに適応するために、部分的にRFC103の要件を実装する必要があります。
具体的複雑性はrollupのリソース管理戦略に依存し、これらの戦略はオンチェーンまたはオフチェーンの変数に依存する可能性があります。例えば:
自動化方式は効率的ですが、実現とテストのコストも著しく上昇します。
###相互運用性
Polkadotは異なるrollup間の相互運用性をサポートしており、弾力的なスケーラビリティはメッセージ伝達のスループットに影響を与えません。
クロスロールアップのメッセージ通信は、基盤となるトランスポート層によって実現されます。各ロールアップの通信ブロックスペースは固定されており、割り当てられたコアの数には依存しません。
未来、Polkadotはオフチェーンメッセージング(をサポートし、リレーチェーンを制御面として使用します。 このアップグレードにより、ロールアップ間の通信能力が弾力的に拡張され、システムの縦の拡張能力がさらに強化されます。
他のプロトコルのトレードオフ
誰もが知っているように、性能の向上はしばしば非中央集権性と安全性を犠牲にすることで達成されます。しかし、ナカモト係数から見ると、いくつかのPolkadotの競合他社は非中央集権性が低いにもかかわらず、その性能は期待外れであることがわかります。
) ソラナ
SolanaはPolkadotやEthereumのシャーディングアーキテクチャを採用せず、単層の高スループットアーキテクチャでスケーラビリティを実現しています。歴史的証明###PoH(、CPUの並列処理、リーダーシップに基づくコンセンサスメカニズムに依存しており、理論上のTPSは65,000に達します。
重要な設計の一つは、その事前公開かつ検証可能なリーダースケジューリングメカニズムです:
PoHと並行処理はハードウェアの要求が非常に高く、検証ノードの集中化を引き起こします。ステークが多いノードほどブロック生成の機会が大きく、小さなノードはほとんどスロットを持たず、さらに集中化が進み、攻撃を受けた場合のシステムの麻痺リスクも増加します。
SolanaはTPSを追求するために、非中央集権性と攻撃耐性を犠牲にしました。そのNakamoto係数はわずか20で、Polkadotの172を大きく下回ります。
)トン
TONはTPSが104,715に達すると主張していますが、この数字はプライベートテストネット、256のノード、理想的なネットワークおよびハードウェア条件下で達成されたものです。一方、Polkadotは分散型パブリックネットワークで128K TPSに達しています。
TONのコンセンサス機構にはセキュリティ上のリスクが存在します: シャーディング検証ノードの身元が事前に暴露される可能性があります。TONホワイトペーパーも明確に指摘していますが、これは帯域幅を最適化することができますが、悪用される可能性もあります。「ギャンブラー破産」メカニズムが欠如しているため、攻撃者は特定のシャードを完全に制御するまで待機するか、DDoS攻撃を通じて誠実な検証者を阻害し、状態を改ざんすることができます。
対照的に、Polkadotのバリデーターはランダムに割り当てられ、遅延開示されるため、攻撃者はバリデーターの身元を事前に知ることができず、攻撃には全てのコントロールを賭ける必要があります。たとえ一人の誠実なバリデーターが異議を申し立てれば、攻撃は失敗し、攻撃者はステークを失うことになります。
アバランチ
Avalancheはメインネット+サブネットアーキテクチャを用いて拡張します。メインネットはX-Chain###によるトランザクション、~4,500 TPS(、C-Chain)によるスマートコントラクト、~100--200 TPS(、P-Chain)によるバリデーターとサブネット(の管理で構成されています。
各サブネットの理論TPSは約5,000に達する可能性があり、Polkadotの考え方に似ています: 単一のシャードの負荷を減らして拡張を実現します。しかし、Avalancheはバリデーターがサブネットへの参加を自由に選択できるようにし、サブネットは地理的、KYCなどの追加要件を設定できるため、非中央集権性と安全性を犠牲にしています。
Polkadotでは、すべてのロールアップが統一されたセキュリティ保護を共有しますが、Avalancheのサブネットにはデフォルトのセキュリティ保証がなく、一部は完全に中央集権化される可能性さえあります。セキュリティを向上させるためには、パフォーマンスで妥協する必要があり、決定的なセキュリティの約束を提供することは困難です。
) イーサリアム
イーサリアムのスケーリング戦略は、基礎層で直接問題を解決するのではなく、ロールアップ層のスケーラビリティに賭けることです。このアプローチは本質的に問題を解決するものではなく、問題をスタックの上層に渡しているだけです。
オプティミスティックロールアップ
現在、大多数のOptimistic rollupは中央集権的であり###、中にはシーケンサーが一つしかないものもあります(。そのため、安全性が不足していたり、孤立していたり、高遅延)、詐欺証明期間を待たなければならず、通常は数日(といった問題があります。
)# ZKロールアップ
ZKロールアップの実装は、単一のトランザクションで処理できるデータ量の制限を受けています。ゼロ知識証明を生成するための計算要求は非常に高く、"勝者総取り"メカニズムはシステムの中央集権化を引き起こす可能性があります。TPSを保証するために、ZKロールアップはしばしば各バッチのトランザクション量を制限し、高需要時にはネットワークの混雑やガスの高騰を引き起こし、ユーザー体験に影響を与えます。
対照的に、チューリング完全なZKロールアップのコストは、Polkadotのコア暗号経済安全プロトコルの約2x10^6倍です。
さらに、ZKロールアップのデータ可用性の問題はその欠点を悪化させる可能性があります。誰でも取引を検証できるようにするためには、完全な取引データを提供する必要があります。これは通常、追加のデータ可用性ソリューションに依存するため、コストとユーザー料金がさらに上昇します。
まとめ
スケーラビリティの限界は、妥協であってはいけません。
他のパブリックチェーンと比較して、Polkadotは中央集権化による性能向上や、事前の信頼による効率性を追求する道を選んでいません。代わりに、弾力的なスケーリング、許可不要のプロトコル設計、統一されたセキュリティレイヤー、柔軟なリソース管理メカニズムを通じて、安全性、分散化、高性能の多次元バランスを実現しています。
より大規模なアプリケーションの実現を追求する今日、Polkadotが掲げる"ゼロトラスト拡張性"こそが、Web3の長期的な発展を支える真の解決策かもしれません。