元記事: https://www.parity.io/blog/scalability-tradeoffs-polkadot-web3
アンドレイ・サンドゥ
編集者: OneBlock+
ブロックチェーンがより高い効率性を追求し続けると、パフォーマンスを拡張する一方で、セキュリティとシステムの回復力を犠牲にする必要があるのかという重要な疑問が徐々に浮上します。
これは技術的な課題であるだけでなく、深いアーキテクチャ設計上の決定でもあります。特に Web3 エコシステムの場合、信頼性とセキュリティを犠牲にして構築された高速システムは、真に持続可能なイノベーションをサポートするのが困難な場合が多くあります。
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という目標を追求するために、何らかの犠牲を払ってきたのでしょうか?ロールアップ モデルは、分散化、セキュリティ、またはネットワークの相互運用性を損なうでしょうか?
この記事では、これらの問題に焦点を当て、Polkadot のスケーラビリティ設計におけるトレードオフと考慮事項を詳細に分析し、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、セキュリティ、分散化の間のさまざまなパスの選択肢を探ります。
🧬Polkadotのスケーリング設計における課題
柔軟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 ネットワークと集中型リレー チェーンに依存しています。これにより、いくつかの面で集中化のリスクが生じる可能性がありますか?分散性に影響を与える単一障害点または制御の可能性はありますか?
Rollup の動作はリレー チェーンに接続されたシーケンサーに依存し、その通信にはコレーター プロトコルと呼ばれるメカニズムが使用されます。このプロトコルは完全に許可不要かつ信頼不要です。インターネットに接続できる人なら誰でも使用でき、少数のリレー チェーン ノードに接続して、ロールアップ状態遷移リクエストを送信できます。これらのリクエストはリレー チェーンの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。つまり、有効な状態遷移である必要があります。そうでない場合、ロールアップの状態は進みません。
垂直スケーリングのトレードオフ
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ラビリティを実現できます。この新しい機能は、「Elastic Scaling」機能によって導入されます。設計プロセス中に、ロールアップ ブロック検証が固定コア上で実行されないため、柔軟性に影響する可能性があることがわかりました。
リレーチェーンにブロックを送信するためのプロトコルは許可も信頼も不要なため、ロールアップが割り当てられている任意のコアに誰でもブロックを送信して検証することができます。攻撃者はこれを悪用し、以前に検証された正当なブロックを異なるコアに繰り返し送信して、悪意を持ってリソースを消費し、ロールアップ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、システムの主要機能を損なうことなく、ロールアップの回復力とリレーチェーン リソースの効率的な使用を維持することです。
シーケンサーは信頼できるでしょうか?
簡単な解決策は、プロトコルを「許可型」にすることです。たとえば、ホワイトリスト メカニズムを使用するか、デフォルトでシーケンサーが悪意のある動作をしないことを信頼して、ロールアップの有効性を確保します。
しかし、Polkadot の設計哲学では、システムの「信頼不要」および「許可不要」の性質を維持したいため、シーケンサーに対して信頼の仮定を行うことはできません。誰でも、コレータ プロトコルを使用して、ロールアップの状態遷移要求を送信できる必要があります。
🏄Polkadot: 妥協のないソリューション
Polkadot が最終的に選択した解決策は、ロールアップ状態遷移機能 (ランタイム) によって問題を完全に解決することです。ランタイムはすべてのコンセンサス情報の唯一の真実のソースであるため、検証を実行する Polkadot コアを出力に明示的に指定する必要があります。
この設計により、柔軟性とセキュリティの二重の保証が実現します。 Polkadot は、可用性プロセスでロールアップ状態の遷移を再実行し、ELVES 暗号経済プロトコルを通じてコア割り当ての正確性を確保します。
ロールアップ ブロックが Polkadot のデータ可用性レイヤー (DA) に書き込まれる前に、約 5 人のバリデーターのグループがその正当性を検証します。シーケンサーから送信された候補受領書と有効性証明 (PoV) を受け取ります。これにはロールアップ 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検証機能によって処理され、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、ブロックを検証するコアを指定するために使用されるコア セレクターが含まれています。バリデーターはインデックスを比較し、自分が担当するコアと一致しているかどうかを確認します。そうでない場合、ブロックは破棄されます。
このメカニズムにより、システムが常にトラストレスおよびパーミッションレスの特性を維持し、シーケンサーなどの悪意のある行為者が検証位置を操作することを防ぎ、ロールアップが複数のコアを使用する場合でも復元力を確保します。
安全
スケーラビリティを追求する中で、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、活性を維持するために必要なのは 1 つの正直なソーターだけです。
ELVES プロトコルを使用すると、Polkadot はすべてのロールアップにセキュリティを完全に拡張し、使用されるコアの数に関する制限や仮定なしにすべてのコアでの計算を検証します。
したがって、Polkadot のロールアップは、セキュリティ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。
汎用性
弾性スケーリングでは、ロールアップのプログラミング可能性は制限されません。 Polkadot のロールアップ モデルは、1 回の実行が 2 秒以内に完了する限り、WebAssembly 環境でのチューリング完全な計算をサポートします。弾性スケーリングを使用すると、6 秒間に実行できる計算の合計量が増加しますが、計算の種類は影響を受けません。
複雑
スループットの向上とレイテンシの低減は必然的に複雑さをもたらしますが、これはシステム設計において唯一許容できるトレードオフです。
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、一貫したレベルのセキュリティを維持できます。また、さまざまな使用シナリオに適応するために、いくつかの RFC103 要件を実装する必要もあります。
正確な複雑さは、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のあるロールアップのリソース管理戦略によって異なります。例えば：
シンプルな戦略：常に固定数のコアを使用するか、オフチェーンで手動で調整します。
軽量戦略: ノード メモリ プール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: coretime サービスを呼び出して、履歴データと XCM インターフェースを通じて事前にリソースを構成します。
自動化された方法はより効率的ですが、実装とテストのコストも大幅に増加します。
相互運用性
Polkadot は異なるロールアップ間の相互運用性をサポートしており、弾力的な拡張はメッセージングのスループットに影響を与えません。
ロールアップ間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装されます。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とは無関係です。
将来的には、Polkadot はオフチェーン メッセージングもサポートし、リレー チェーンはデータ プレーンではなくコントロール プレーンとして機能します。このアップグレードにより、ロールアップ間の通信機能と弾力的な拡張性が向上し、システムの垂直スケーラビリティがさらに強化されます。
🧩他のプロトコルではどのようなトレードオフが行われていますか?
周知のとおり、パフォーマンスの向上は多くの場合、分散化とセキュリティを犠牲にして実現されます。しかし、ナカモト係数から判断すると、分散化レベルが低いポルカドットの競合他社でさえ、パフォーマンスが依然として低いものがあります。
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していませんが、代わりに、Proof of History (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た単層高スループット アーキテクチャでスケーラビリティを実現し、理論上の TPS は最大 65,000 です。
重要な設計は、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 日間または 432,000 スロット）の開始時に、賭けられた金額に基づいてスロットが割り当てられます。
賭け金が多ければ多いほど、割り当てられる金額も増えます。たとえば、1% をステークするバリデータは、ブロック生成機会の約 1% を取得します。
すべてのブロックプロデューサーは事前に発表されるため、ネットワークが標的型 DDoS 攻撃を受けたり、頻繁にダウンタイムが発生したりするリスクが高まります。
PoH と並列処理ではハードウェア要件が非常に高くなるため、検証ノードが集中化されます。ノードのステーク数が増えるほど、ブロックを生成する可能性が高くなります。小さなノードにはスロットがほとんどないため、集中化がさらに進み、攻撃後にシステムが麻痺するリスクが高まります。
SolanaはTPSを追求するあまり、分散化と攻撃対策能力を犠牲にしており、そのナカモト係数はわずか20で、Polkadotの172よりもはるかに低い。
トン
TON は TPS が 104,715 に達すると主張していますが、この数値は 256 ノードと理想的なネットワークおよびハードウェア条件を備えたプライベート テスト ネットワークで達成されています。 Polkadot は分散型パブリック ネットワークで128K TPSに到達しました。
TON のコンセンサスメカニズムにはセキュリティ上のリスクがあり、シャード検証ノードの ID が事前に公開されます。 TON のホワイト ペーパーでは、帯域幅を最適化できる一方で、悪意を持って使用される可能性もあると明確に指摘されています。 「ギャンブラーの破産」メカニズムがないため、攻撃者はシャードが完全に制御されるまで待ったり、DDoS 攻撃を通じて正当なバリデータをブロックしたりして、状態を改ざんすることができます。
対照的に、Polkadot のバリデータはランダムに割り当てられ、遅延を伴って公開されます。攻撃者はバリデーターの身元を事前に知ることはできません。この攻撃では、すべての制御が成功するかどうかに賭ける必要があります。 1 人の正直なバリデーターが紛争を開始する限り、攻撃は失敗し、攻撃者はステークを失います。
雪崩
Avalanche は拡張のためにメインネット + サブネット アーキテクチャを使用します。メインネットは、X-Chain（転送、約4,500 TPS）、C-Chain（スマート コントラクト、約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上の TPS は約 5,000 に達する可能性があり、これは、単一シャードの負荷を軽減して拡張を実現するという Polkadot の考え方に似ています。ただし、Avalanche で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、サブネットは地理や KYC などの追加要件を設定できるため、分散化とセキュリティが犠牲になります。
Polkadot では、すべてのロールアップで統一されたセキュリティ保証が共有されます。 Avalanche のサブネットにはデフォルトのセキュリティ保証はなく、完全に集中化されるものもあります。セキュリティを強化したい場合、依然としてパフォーマンスを妥協する必要があり、確定的なセキュリティコミットメント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、ベースレイヤーで問題を直接解決するのではなく、ロールアップレイヤー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のではなく、問題をスタックに渡します。
楽観的ロールアップ
現在、ほとんどの楽観的なロールアップは集中化されており（シーケンサーが 1 つしかないものもあります）、セキュリティが不十分、相互に分離されている、レイテンシが高い（不正防止期間、通常は数日待つ必要がある）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、単一のトランザクションで処理できるデータの量によって制限されます。ゼロ知識証明を生成するための計算要件は非常に高く、「勝者総取り」のメカニズムは簡単にシステムの集中化につながる可能性があります。 TPS を確保するために、ZK ロールアップでは各バッチのトランザクション量を制限することが多く、需要が高いときにネットワークの輻輳やガス価格の上昇が発生し、ユーザー エクスペリエンスに影響を及ぼします。
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 のコア暗号経済セキュリティ プロトコルの約 2x10^6 倍になります。
さらに、ZK ロールアップのデータ可用性の問題も、その欠点を悪化させます。誰でもトランザクションを検証できるようにするには、完全なトランザクション データが依然として必要です。これは多くの場合、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。
🎈 結論
スケーラビリティの終わりは妥協であってはなりません。
他のパブリックチェーンと比較して、Polkadot は、中央集権化をパフォーマンスと交換したり、事前設定された信頼を効率性と交換したりする道を歩んでいません。代わりに、弾力的な拡張、許可のないプロトコル設計、統合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、セキュリティ、分散化、高パフォーマンスの多次元的なバランスを実現しました。
今日、より大規模なアプリケーションの実装を追求する中で、 Polkadot の「ゼロトラスト スケーラビリティ」へのこだわりは、Web3 の長期的な発展を真にサポートできるソリューションとなるかもしれません。
