# ブロックチェーンの拡張性バランス：Polkadotを例にブロックチェーン技術がより高い効率を追求している今日、1つの重要な問題が徐々に浮かび上がってきています：性能を向上させる一方で、安全性とシステムの弾力性を犠牲にすることなく、どうすればよいのでしょうか？これは技術的な課題だけでなく、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安全性を犠牲にした上に構築されるのであれば、真の持続可能なイノベーションを支えることは難しいでしょう。本稿では、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について深く掘り下げ、他の主要なパブリックチェーンのソリューションと比較し、性能、安全性、分散化の三者の間の異なる選択肢を分析します。## 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リレーチェーン（Relay Chain）に依存しています。ロールアップの運用は、リレーチェーンに接続するシーケンサー（sequencer）に依存しており、その通信はコレーター（collator）プロトコル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、信頼不要であり、ネットワーク接続があれば誰でも使用でき、少数のリレーチェーンノードに接続してロールアップの状態変換リクエストを提出できます。これらのリクエストはリレーチェーンのコアのいずれかによって検証され、1つの前提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、さもなければそのロールアップ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利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「エラスティックスケーリング」（Elastic Scaling）によって導入されました。設計プロセスの中で、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、これがその弾力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coreにブロックを提出して検証することができます。攻撃者はこれを悪用し、以前に検証された合法的なブロックを異なるcoreに繰り返し提出して、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、rollupの柔軟性と中継チェーンの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「許可制」と設定することです：例えば、ホワイトリストメカニズムを採用するか、デフォルトで信頼されたシーケンサーが悪意のある行動をしないと仮定して、ロールアップの活動を保証します。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置くことはできません。なぜなら、システムの「信頼不要」と「許可不要」特性を維持する必要があるからです。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リクエストを提出できるべきです。## Polkadot: 妥協しないソリューションPolkadotが最終的に選択した方案は：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情報源であるため、出力にはどのPolkadotコアで検証を実行すべきかを明示的に記載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、可用性プロセスで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たグループがその合法性を検証します。彼らはソート者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、その中にはrollupブロックと対応するストレージ証明が含まれています。これらの情報はパラレル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、どのコアでブロックを検証するかを指定するためのcore selectorが含まれています。検証者は、そのインデックスが自分が担当しているコアと一致す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による検証位置の操作を防ぎ、複数のコアを使用してもロールアップが弾力性を保持できることを保証します。### セキュリティスケーラビリティを追求する過程で、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つの誠実なオーダラーが生存を維持するだけで済みます。ELVESプロトコルを利用することで、Polkadotはそのセキュリティをすべてのロールアップに完全に拡張し、コア上のすべての計算を検証し、使用するコアの数に制限や仮定を置く必要はありません。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増加しますが、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、システム設計において唯一受け入れられるトレードオフの方法として避けられない複雑さをもたらします。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、一貫した安全レベルを維持できます。また、異なる使用シーンに適応するために、部分的にRFC103の要件を満たす必要があります。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：* シンプルな戦略：常に固定数量のcoreを使用するか、オフチェーンで手動で調整します；*軽量戦略:ノードmempool内の特定のトランザクション負荷を監視します。* 自動化戦略：過去のデータとXCMインターフェースを通じて、coretimeサービスのリソースを事前に呼び出す。自動化方式はより効率的ですが、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ング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、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、その割り当てられたコアの数とは関係ありません。未来、Polkadotはオフチェーンメッセージングをサポートし、リレーチェーンがコントロールプレーンとして機能し、データプレーンではありません。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、システムの縦のスケーラビリティ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分散化と安全性の犠牲を伴います。しかし、ナカモト係数から見ると、いくつかのPolkadotの競合他社は分散化の程度が低いにもかかわらず、その性能は期待外れです。### 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を使用してスケーラビリティを実現し、歴史的証明（PoH）、CPU並列処理、リーダーベースのコンセンサスメカニズムに依存しています。理論上のTPSは65,000に達します。重要な設計の一つは、その事前公開され、検証可能なリーダースケジューリングメカニズムです：* 各エポック（約2日または432,000スロット）の開始時に、ステーキング量に応じてスロットを割り当てます；* ステークが多いほど、配分も多くなります。例えば、1%のバリデーターをステークすることで、約1%のブロック生成機会を得ることができます；* すべての出ブロック者が事前に公表され、ネットワークが標的型DDoS攻撃や頻繁なダウンのリスクにさらされることが増えました。PoHと並行処理はハードウェアに対する要求が非常に高く、検証ノードの集中化を引き起こします。ステーキング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がなく、さらに集中化を悪化させ、攻撃を受けた後のシステムのダウンリスクを増加させます。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ており、そのナカモト係数はわずか20で、Polkadotの172を大きく下回っています。###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と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の脆弱性が存在します：シャーディング検証ノードのアイデンティティが事前に露出する可能性があります。TONホワイトペーパーでも明確に述べられており、これは帯域幅を最適化することができますが、悪意のある利用が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のを待つか、DDoS攻撃を通じて誠実な検証者をブロックし、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、遅延して公開されます。攻撃者は事前にバリデーターの身元を知ることができず、攻撃には全てのコントロールを賭ける必要があります。もし一人の誠実なバリデーターが異議を唱えれば、攻撃は失敗し、攻撃者はステーキングの損失を被ります。### アバランチAvalancheはメインネット+サブネットのアーキテクチャを使用してスケーリングを行い、メインネットはX-Chain（送金、~4,500 TPS）、C-Chain（スマートコントラクト、~100-200 TPS）、P-Chain（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のアプローチに似ています：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はバリデーターが自由にサブネットへの参加を選択でき、サブネットは地理的要件や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証を共有しています。一方、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もあります。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、確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拡張戦略は、基盤層で直接問題を解決するのではなく、ロールアップ層の拡張性に賭けることです。この方法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すものです。#### 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1つだけのものもあります）、セキュリティの不足、孤立、遅延（詐欺証明期間を待つ必要があり、通常数日かかります）などの問題があります。#### ZKロールアップZKロールアップの実装は、単一トランザクションで処理できるデータ量の制限を受けます。ゼロ知識証明を生成する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しやすいです。TPSを保証するために、ZKロールアップはしばしばバッチごと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上昇を引き起こし、ユーザー体験に影響を与えます。比較すると、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、その欠点をさらに悪化させるでしょう。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し、コストやユーザー料金をさらに引き上げます。## まとめスケーラビリティの限界は、妥協であってはならない。他のパブリックチェーンと比較して、Polkadotは中央集権による性能の向上や、事前に信頼を置くことで効率を得るという道を歩んでいません。代わりに、弾力的なスケーラビリティ、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、高性能の多次元的バランスを実現しています。今日、より大規模なアプリケーションの実現を追求する中で、Polkadotが掲げる「ゼロトラスト拡張性」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。
Polkadotの弾力的なスケーラビリティ：妥協のないWeb3のパフォーマンスとセキュリティのバランス
ブロックチェーンの拡張性バランス：Polkadotを例に
ブロックチェーン技術がより高い効率を追求している今日、1つの重要な問題が徐々に浮かび上がってきています：性能を向上させる一方で、安全性とシステムの弾力性を犠牲にすることなく、どうすればよいのでしょうか？これは技術的な課題だけでなく、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安全性を犠牲にした上に構築されるのであれば、真の持続可能なイノベーションを支えることは難しいでしょう。
本稿では、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について深く掘り下げ、他の主要なパブリックチェーンのソリューションと比較し、性能、安全性、分散化の三者の間の異なる選択肢を分析します。
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リレーチェーン（Relay Chain）に依存しています。ロールアップの運用は、リレーチェーンに接続するシーケンサー（sequencer）に依存しており、その通信はコレーター（collator）プロトコル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、信頼不要であり、ネットワーク接続があれば誰でも使用でき、少数のリレーチェーンノードに接続してロールアップの状態変換リクエストを提出できます。これらのリクエストはリレーチェーンのコアのいずれかによって検証され、1つの前提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、さもなければそのロールアップ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利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「エラスティックスケーリング」（Elastic Scaling）によって導入されました。設計プロセスの中で、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、これがその弾力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coreにブロックを提出して検証することができます。攻撃者はこれを悪用し、以前に検証された合法的なブロックを異なるcoreに繰り返し提出して、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、rollupの柔軟性と中継チェーンの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「許可制」と設定することです：例えば、ホワイトリストメカニズムを採用するか、デフォルトで信頼されたシーケンサーが悪意のある行動をしないと仮定して、ロールアップの活動を保証します。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置くことはできません。なぜなら、システムの「信頼不要」と「許可不要」特性を維持する必要があるからです。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リクエストを提出できるべきです。
Polkadot: 妥協しないソリューション
Polkadotが最終的に選択した方案は：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情報源であるため、出力にはどのPolkadotコアで検証を実行すべきかを明示的に記載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、可用性プロセスで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たグループがその合法性を検証します。彼らはソート者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、その中にはrollupブロックと対応するストレージ証明が含まれています。これらの情報はパラレル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、どのコアでブロックを検証するかを指定するためのcore selectorが含まれています。検証者は、そのインデックスが自分が担当しているコアと一致す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による検証位置の操作を防ぎ、複数のコアを使用してもロールアップが弾力性を保持できることを保証します。
セキュリティ
スケーラビリティを追求する過程で、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つの誠実なオーダラーが生存を維持するだけで済みます。
ELVESプロトコルを利用することで、Polkadotはそのセキュリティをすべてのロールアップに完全に拡張し、コア上のすべての計算を検証し、使用するコアの数に制限や仮定を置く必要はありません。
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増加しますが、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、システム設計において唯一受け入れられるトレードオフの方法として避けられない複雑さをもたらします。
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、一貫した安全レベルを維持できます。また、異なる使用シーンに適応するために、部分的にRFC103の要件を満たす必要があります。
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：
自動化方式はより効率的ですが、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ング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、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、その割り当てられたコアの数とは関係ありません。
未来、Polkadotはオフチェーンメッセージングをサポートし、リレーチェーンがコントロールプレーンとして機能し、データプレーンではありません。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、システムの縦のスケーラビリティ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分散化と安全性の犠牲を伴います。しかし、ナカモト係数から見ると、いくつかのPolkadotの競合他社は分散化の程度が低いにもかかわらず、その性能は期待外れです。
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を使用してスケーラビリティを実現し、歴史的証明（PoH）、CPU並列処理、リーダーベースのコンセンサスメカニズムに依存しています。理論上のTPSは65,000に達します。
重要な設計の一つは、その事前公開され、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に対する要求が非常に高く、検証ノードの集中化を引き起こします。ステーキング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がなく、さらに集中化を悪化させ、攻撃を受けた後のシステムのダウンリスクを増加させます。
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ており、そのナカモト係数はわずか20で、Polkadotの172を大きく下回っています。
###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と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の脆弱性が存在します：シャーディング検証ノードのアイデンティティが事前に露出する可能性があります。TONホワイトペーパーでも明確に述べられており、これは帯域幅を最適化することができますが、悪意のある利用が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のを待つか、DDoS攻撃を通じて誠実な検証者をブロックし、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、遅延して公開されます。攻撃者は事前にバリデーターの身元を知ることができず、攻撃には全てのコントロールを賭ける必要があります。もし一人の誠実なバリデーターが異議を唱えれば、攻撃は失敗し、攻撃者はステーキングの損失を被ります。
アバランチ
Avalancheはメインネット+サブネットのアーキテクチャを使用してスケーリングを行い、メインネットはX-Chain（送金、~4,500 TPS）、C-Chain（スマートコントラクト、~100-200 TPS）、P-Chain（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のアプローチに似ています：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はバリデーターが自由にサブネットへの参加を選択でき、サブネットは地理的要件や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証を共有しています。一方、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もあります。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、確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
イーサリアムの拡張戦略は、基盤層で直接問題を解決するのではなく、ロールアップ層の拡張性に賭けることです。この方法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すものです。
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1つだけのものもあります）、セキュリティの不足、孤立、遅延（詐欺証明期間を待つ必要があり、通常数日かかります）などの問題があります。
ZKロールアップ
ZKロールアップの実装は、単一トランザクションで処理できるデータ量の制限を受けます。ゼロ知識証明を生成する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しやすいです。TPSを保証するために、ZKロールアップはしばしばバッチごと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上昇を引き起こし、ユーザー体験に影響を与えます。
比較すると、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、その欠点をさらに悪化させるでしょう。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し、コストやユーザー料金をさらに引き上げます。
まとめ
スケーラビリティの限界は、妥協であってはならない。
他のパブリックチェーンと比較して、Polkadotは中央集権による性能の向上や、事前に信頼を置くことで効率を得るという道を歩んでいません。代わりに、弾力的なスケーラビリティ、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、高性能の多次元的バランスを実現しています。
今日、より大規模なアプリケーションの実現を追求する中で、Polkadotが掲げる「ゼロトラスト拡張性」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。