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ビットコインと同様に、イーサリアムのスケーラビリティの問題の主な理由は、ネットワーク内の各ノードが各トランザクションを処理する必要があるネットワークプロトコルです。Ethereum 1.xは、プルーフオブワーク（PoW）コンセンサスメカニズムの若干の修正版を実装しています。イーサリアムでは、マイナーは目標の難易度を満たすためにノンスを見つけるためにレースを行う必要があります。各ノードは、マイナーの作業が有効であることを確認し、現在のネットワーク状態の正確なコピーを保持する必要があります。これにより、イーサリアムブロックチェーンネットワークのトランザクションプロセス能力とスループットが大幅に制限されます。現在、1秒あたり12～15件のトランザクションしか処理できません。
Vitalik Buterinが最初に使用したスケーラビリティのトリレンマは、スケーラビリティ、分散化、セキュリティに妥協することなく対応する能力に関するブロックチェーンの概念です。トリレンマは、ブロックチェーンシステムにおいて3つの特性をすべて達成することはほぼ不可能であると主張しています。
分散化：ビットコインとブロックチェーンが生まれた核心的な教義です。分散化は、検閲耐性を可能にし、中央機関や仲介者なしで分散型エコシステムに参加することができます。
セキュリティ：これは、公的台帳の完全性と不変性、およびネットワーク攻撃のように51%の攻撃やDDoSに抵抗する能力を意味します。
スケーラビリティ：これは、ブロックチェーンネットワークで増加するトランザクションを処理する能力に関係しています。イーサリアムのブロックチェーンが発明者が想定する世界のコンピューターになるには、Amazon、Visa、Mastercardなどの多くの集中型システムの取引スループットに合わせる必要があります。
次の図は、ブロックチェーンにおけるスケーラビリティのトリレンマを示しています。
スケーラビリティの主な課題は、3つのすべてをベースレイヤーで実現する方法を見つけることです。ビットコインとイーサリアムの設計選択は分散化とセキュリティを好み、スケーラビリティを犠牲にしています。
イーサリアムのスケーラビリティソリューションは、イーサリアムコミュニティで最も活発なトピックの1つです。以下は、イーサリアムの未来に向けてコミュニティが取り組んでいるいくつかの懸念点です。
PoWで取引処理とブロック作成時間 — マイニングですべての取引を処理し、新しいブロックをどのくらい速く作成できますか？
取引のファイナリティ – 分散型ネットワークは、取引が発生し、元に戻すことができないというコンセンサスに、どのくらい早く到達できますか？ 現在、ビットコインでは約6ブロック、イーサリアムでは約3～4分かかり、ネットワークがブロックがメインチェーンで最終決定されたと見なします。興味のある方は、Vitalikの取引決済ブロックとブロック最終確率をご確認ください。
実装または提案されているソリューションは、オンチェーンソリューション、オフチェーンソリューション、コンセンサスメカニズムプロトコルの3つのカテゴリーに分類されます。ブロックサイズを大きくしたり、1つのブロックチェーンを多くの独立したアルトコインチェーンにスライスしたりするなど、明白または理論的なものもあります。ピアツーピアの性質上、従来の水平スケーリングアプローチでは機能しない場合があります。イーサリアムネットワークに特化して、スケーラビリティの問題に寄与するステートフルまたはステートレスのスマートコントラクトについても、ある程度の考慮が払われました。これらのソリューションの大まかな概念を考察し、有望なソリューションのいくつかについて掘り下げます。
これは垂直スケーリングアプローチに似ています。ビットコインキャッシュやイーサリアムコアなどのアルトコインの中には、全体的な取引パフォーマンスを得るために、より大きなブロックサイズを実装しているものもあります。このアプローチの背後にある理論は、PoWマイニングがプロセス全体の主要なボトルネックであるため、ブロックサイズを増やすことで、マイニングごとにより多くの取引を処理できるということです。スタッシュベースのマイニングでは、非循環グラフ（DAG）の作成に少し時間がかかる場合がありますが、イーサリアムのほとんどのクライアントがDAGをキャッシュしているため、マイニングを完了するまでの平均時間はそれほど悪くないかもしれません。
次の図は、この手法のしくみを示しています。
しかし、垂直スケーリングと同様に、一般に、このソリューションでは、ネットワークノードが大型ブロックを処理するために、より優れたコンピューティング能力を持つことが要求されます。これは、ネットワークが数人の富裕層に集中するシナリオにつながる可能性があり、最終的には分散化とセキュリティ、ブロックチェーンの主な教義を損なう可能性があります。
もう1つの解決策は、1つの巨大なブロックチェーンを持つのではなく、多くの小さなブロックチェーンとアルトコインを持つことです。多くの垂直産業が業界固有のチェーンを作成または作成を計画しているため、最終的にはそうなる可能性があります。これにより、個々のブロックチェーンにおける利用者の活動が減少し、よりスケーラブルなエコシステムが実現します。
次の図は、この手法のしくみを示しています。
ただし、このオプションにはいくつかの問題があります。1つはセキュリティ上の懸念です。ブロックチェーンの取引処理に参加するネットワークノードが増えると、ネットワークの安全性が高まるという一般的な考え方があります。アルトコインチェーンの流通が拡大するにつれ、どのブロックチェーンでも運用されるノードは減ります。これにより、ブロックチェーンの安全性が低下する可能性があります。なぜなら、小規模なアルトコインネットワークは、ネットワーク攻撃に対してより脆弱になる可能性があるためです。たとえば、ネットワーク上に約1万ノードが存在し、ネットワーク攻撃を開始するには少なくとも5,001ノード（または51%と呼ぶ）の侵害が必要になります。10,000ノードを50の小さなチェーンにスライスすると、各チェーンは200ノードで構成され、101ノードで小さなチェーンを奪うだけで、1%の攻撃問題と呼ばれます。もう1つの問題は、クロスチェーン統合です。クロスブロックチェーン統合に対応するためのソリューションもありますが、小規模チェーンとアルトコインの統合の全体的な複雑さは大幅に高まります。
オンチェーンソリューションは、レイヤー1ソリューションとも呼ばれ、イーサリアムブロックチェーンネットワークのベースレイヤーにおけるスケーラビリティとパフォーマンスの問題に対処するソリューションを探します。このような解決策の1つがシャーディングです。従来のRDBMSや新しいビッグデータプラットフォームでは、長年にわたってスケーラビリティとパフォーマンスを向上させる方法としてシャーディングを使用してきたため、シャーディングは新しい概念ではありません。
イーサリアムネットワークでは、シャーディングの目的は、ネットワークノード、ブロックチェーン、およびグローバル状態を異なるシャードにグループ化することであり、各シャードは、グループ内のノード間のシャード全体の取引状態について合意に達するでしょう。概念レベルでは、これはレイヤー2サイドチェーンアプローチであるプラズマと大きく異なるわけではありませんが、技術的な難しさ、意味合い、ネットワークの取り組みは大きく異なります。
もう1つのレイヤー1またはオンチェーンソリューションは、イーサリアムのスケーラビリティとパフォーマンスの問題に取り組む最も活発な研究分野の1つである「ステーキング証明（PoS）コンセンサスメカニズム」への移行です。PoWベースのコンセンサスメカニズムの長所と短所については、多くの議論があります。分散型ネットワークでブロックチェーンを保護するのに非常に効果的ですが、ブロックチェーンのパフォーマンスにおける大きなボトルネックでもあります。
簡単に言えば、ステーキング証明はブロックチェーンネットワークで最も人気のあるコンセンサスアルゴリズムの1つです。PoWコンセンサスとは対照的に、PoSコンセンサスアルゴリズムでは、マイナーが仮想通貨のパズルを解くことで報酬を得られますが、選択したバリデーターのプールが順番に新しいブロックを提案します。バリデーターは、その資産に応じて決定的な方法で選択され、ステーキとしても定義されます。ステークとしてコインを入金した人は誰でもバリデーターになることができます。参加のチャンスは、彼らが入れたステーキに比例する可能性があります。例えば、アリス、ボブ、キャサリン、デイビッドがそれぞれ40 Ether、30 Ether、20 Ether、10 Etherのステーキングに参加した場合、ブロッククリエイターに選ばれる確率は40%、30%、20%、10%になります。
PoSコンセンサスメカニズムでは、以下のように機能します。次の図に示すように、ブロックチェーンは一連のバリデーターを追跡します。バリデーターはブロック作成者やフォージャーとも呼ばれます。ブロックチェーンは、新しいブロックを作成する必要がある場合、いつでもバリデーターをランダムに選択します。選択したバリデーターは、取引を検証し、すべてのバリデーターが同意する新しいブロックを提案します。その後、現在のすべてのバリデーターが新しいブロックに投票します。投票力は、バリデーターが入れたステーキングに基づきます。無効な取引を提案したり、不正なブロックや投票を行ったりすると、意図的にチェーンの完全性を損ない、ステーキングを失う可能性があります。ブロック自体を作成する場合、ノードは報酬を受け取りません。報酬は取引に対して支払われます。新しいブロックが承認されると、ブロック作成者は新しいブロックを作成する作業の報酬として取引手数料を徴収できます。ノード選択には、2つの基本的なオプションがあります。
最も豊富なノードからランダムに
最古のノードからランダムに
PoSは、PoWメカニズムに比べてエネルギー効率が高く、環境に優しいと考えられています。また、より安全であるとも認識されています。悪質なバリデーターがブロックチェーンネットワークを乗っ取るには、合計ステーキングの50%以上を蓄積する必要があるため、本質的に51%攻撃の脅威を軽減します。このようなアルゴリズムは、“担保”を失うリスクがあるため、攻撃者が偽の取引を検証することを阻止するように設計されています。
PoWと同様に、PoSベースのパブリックブロックチェーンでは完全な分散化が不可能である可能性があります。これは、少数の裕福なノードがネットワーク内のステーキングを独占できるからです。 より多くのステーキングをする人は、投票の大部分を効果的にコントロールすることができ、新しいブロックを生成する機会が増えます。 どちらのアルゴリズムも、富裕層をより豊かにする社会的・経済的問題の対象となっています。
オンチェーンソリューションの理論的根拠と同様に、イーサリアムコミュニティは、レイヤー2ソリューションとも呼ばれるオフチェーンソリューションを積極的に探しています。1つは、プラズマを使用したサイドチェーンソリューションです。Plasmaでは、すべての取引をメインチェーンに出す代わりに、誰でもサイドチェーンを作成し、グローバルブロックチェーンにサイドチェーンをボンディングできます。これは、ビットコインの照明ネットワークソリューションに似ています。
もう1つは、Bitcoinの支払いチャネルと同様に、Raidenのステートチャネルソリューションです。このアプローチの背後にある仮説は、多くの当事者間取引は関係者による検証のみが必要であり、ネットワーク全体ですべての取引を検証する必要はありません。
スケーラビリティとスループットを向上させる直感的なソリューションの1つは、多くの小さなチェーンを作成することです。ビジネスや社会のニーズに合っている可能性があるため、これは妥当な解決策のように思えるかもしれません。たとえば、お客様や市民として、地元の食料品から果物や野菜を購入します。この食料品は、1つのブロックチェーンを利用して、生鮮食品のサプライチェーン全体を通じてトレーサビリティと食品安全を確保できる可能性があります。
買い物の最後に、P2P決済ブロックチェーンから直接食料品を支払います。モーゲージローンやビジネスローンを適用すると、モーゲージブロックチェーンなどを通じて、モーゲージとローンの承認を得ることができます。巨大なグローバルチェーンを見る前に、これらの垂直チェーンやプライベートチェーンをすべて満たす可能性が高くなります。
しかし、クロスチェーンの統合やセキュリティの強制に関する問題が生じます。これこそが、プラズマが取り組んでいることです。2017年8月にJoseph PoonとVitalik Buterinによって初めて提案されました。デザインアイデアは、プラズマチェーンとも呼ばれる、より高速で混雑の少ない多くのサイドチェーンに取引をオフロードすることです。ステートチャネルのアプローチと同様に、プラズマチェーンは定期的にイーサリアムのルートチェーンに取引をコミットします。
セキュリティと完全性は、ルートチェーンを通じて強制されます。プラズマチェーンで詐欺の疑いが検出された場合、取引はロールバックされ、プラズマユーザーはプラズマチェーンから出てルートチェーンに移動できます。
次の図は、プラズマネットワークがどのように見えるかを示しています。
各プラズマチェーンは、それ自体がブロックチェーンです。スマートコントラクトを通じてイーサリアムのルートチェーンとボンディングされます。スマートコントラクトは基本的に、チャイルドチェーン全体をルートチェーンに接続し、ブリッジとして機能します。誰でもプラズマチェーンを作成し、プラズマチェーンとルートチェーンを結びつけるスマートコントラクトを書くことができます。
次の図に示すように、各期間において、プラズマチェーンの各ブロックのブロックヘッダーがルートチェーンに提出され、ルートチェーンのブロックに記録されます。
プラズマチェーンの取引は、各プラズマチェーンに残ります。次に、ブロックヘッダーのMerkle証明を使用して、子チェーン上のデータを検証します。これにより、多数のプラズマチェーンで数万件の取引を同時に処理することができ、また、セキュリティを強化するために、ルートチェーン上に最低限かつ十分なMerkleヘッダ情報も残すことができます。
ルートチェーンは、米国の連邦裁判所制度とやや似た仲裁人の役割を担います。ルートチェーンは最高裁判所、プラズマチェーンは巡回裁判所、または地方裁判所です。連邦裁判所のシステムでは、連邦地方裁判所が事件を決定した後、巡回裁判所または最高裁判所に仲裁を求めることができます。
プラズマチェーンで詐欺が発生した場合、チェーン全体の二重支出であるか、すべてのアカウントで持っている金額よりも多くキャッシュアウトするかにかかわらず、誰でも詐欺証明を提出して取引が無効であることを証明できます。不正取引が証明された場合、取引はロールバックされます。
プラズマ利用者は、子プラズマチェーンから出て、エーテルをメインチェーンに戻すことができます。当初の提案では、プラズマブロックチェーンのオペレーターとして、1つのバリデーターコンセプトを導入し、ブロックに取引を検証して追加し、子ブロックチェーンの状態を管理します。
このアプローチの背景には、グローバルレベルでのブロックチェーンのセキュリティと完全性は、PoWまたはおそらくハイブリッドPoWとPoSコンセンサスプロトコルのいずれかを使用して、ルートチェーンによって強制されるという考え方があります。プラズマチェーンのバリデーターが資金を保有し、不正行為を犯す可能性がある場合、誰でもルートチェーンのバリデーターに対して詐欺証明を提出できます。
検証者から不正であることが証明されると、ルートチェーンは影響を受けるプラズマチェーンのすべてのアカウントをルートチェーンに移動させます。これをAmass Exitシナリオと呼びます。この場合、個々のアカウントはルートチェーンに1つずつ移行され、無効な取引はロールバックされ、プラズマチェーンのバリデーターはスマートコントラクトに入れたステーキングによってペナルティが科されます。移行が必要なアカウント数によっては、一括終了が完了するまでに時間がかかる場合があります。
イーサリアムの研究コミュニティで最も興味深く活発なトピックの1つですが、プラズマ実装の公開はまだありません。代わりに、最小限の実行可能なプラズマ、またはMVPとも呼ばれる元の提案の縮小バージョンが、シンプルな実装のために提案されました。これには、簡素化されたセキュリティモデルと、プラズマチェーンから出るための基本的な操作が含まれます。
MVPの非常に興味深い側面の1つは、UTXOモデルの再導入です。イーサリアムの主な違いの1つは、ビットコインのUTXOモデルから、より定義されたアカウントモデルへの移行です。アカウント残高は、世界の状態で維持される状態オブジェクトです。
イーサリアムアカウントモデルでは、並行性を犠牲にして、取引の検証と送金を簡単に行えます。すべての取引をすべてのノードで検証する必要があるため、これは大きな欠点ではないかもしれません。しかし、Plasmaでは、ルートチェーンが取引処理からセキュリティ執行や仲裁へと移行するにつれて、無効な取引を並行して検証することが重要になります。
ブロックチェーンのツリー構造、つまりすべての子チェーンからのUTXOのツリーは、分散並列アルゴリズムを適用して詐欺の証明を検証し、すべてのプラズマチェーンにセキュリティを強制することを容易にします。
以下の図は、イーサリアムのプラズマ子チェーンのツリーが親のプラズマチェーンと結合し、最終的にイーサリアムのルートチェーンに接続され、イーサリアムのルートチェーンを介して保護される場合に、イーサリアムブロックチェーンネットワークにプラズマが持ち込まれる可能性があることを示しています。
コストのかかる計算をチャイルドチェーンにオフロードし、ルートチェーンが共有セキュリティとアービトレーションサービスをブロックチェーンにグローバルレベルで提供することで、大規模なスケーラビリティが実現します。Cosmosネットワークなど、同様のクロスチェーン相互運用性ソリューションがいくつかあります。Cosmosネットワークは、ブロックチェーンのインターネットとして知られており、ハブスポーク統合アーキテクチャを提供しています。ゾーンまたはスポークとして独立したブロックチェーンは、メインブロックチェーンにハブとして接続されます。その目的は、IBC（ブロックチェーン間通信）プロトコルを通じてブロックチェーンの統合を促進することです。