ビットコインブロックチェーンをスケーリングする方法

以前の資料の1つで 、ブロックチェーンの主な利点はオープン性、セキュリティ、およびセキュリティであることに注目しました。 ただし、どの技術にも常に一定の欠点があります。



最大で最も人気があり、最も信頼性の高いブロックチェーンであるビットコインもそのようなものがないわけではありませんが、コミュニティは積極的に解決しています。 したがって、本日の投稿では、次の問題に対処します。

• ビットコインブロックチェーンの最大の欠点は何ですか？
• グローバルコミュニティはどのようなソリューションを提供しましたか？
• どれがビットコインネットワークの一部になりますか？

/ image スサナフェルナンデス CC



今日、銀行、エネルギー会社、モノのインターネット市場の参加者、政府機関は、ブロックチェーンに積極的に注目しています。 たとえば、バンクオブアメリカとマイクロソフトは、金融ブロックチェーンプラットフォームの共同開発を開始し、クロニクルドは、他の多くのシステムと安全で互換性のあるデジタル識別子を作成するモノのインターネット用のブロックチェーンプラットフォームを立ち上げました。 ただし、ビットコインが機能する環境と条件は、暗号通貨の出現時とは大きく異なります。 ユーザーの数は数千万人（1300万人以上 ）に増えており、これにより毎日のトランザクション数（ 約 40万人）が増加しています。



ソフトウェアの実行とトランザクションのリストを含むBitcoinレジストリの保存に費やさなければならないリソースの量は非常に大きいです。 ビットコインのブロックチェーントランザクションチェーン全体は、ビットコインの作成者である中本Sによって2009年1月12日に行われた最初の操作から追跡可能です。 現在まで、ビットコインブロックチェーンのサイズは約120 GBであり、成長を続けています。







システムの機能のこれらすべての機能は、ビットコインのスケーリングの問題を引き起こし、その理論的なサイズを制限しました。 ブロックチェーンはブロックのシーケンスであり、各ブロックは暗号化アルゴリズムによって保護された一連のトランザクションです。 同時に、中本at（ビットコインの作成から約1年後）はブロックサイズを1メガバイトに制限しました。 これは、攻撃者がネットワークを麻痺させるために大きな（理論的には無制限の）ブロックを作成するときに、DoS攻撃の可能性を防ぐために行われました。



ただし、このセキュリティ対策は、ネットワーク全体のスループット（長期的に）に悪影響を及ぼしました。 現在まで、ビットコインは約7トランザクション/秒（TPS）を処理できます 。 同時に、ビットコインネットワークの実際の負荷は 3.5 TPSです。 比較のために、VisaシステムのTPSは2,000（ピーク時-50,000）です。

問題を解決するための初期の提案

ビットコインを改善するための最初の提案は、2015年にコア開発者のJeff GarzikとGavin Andresenによって提示されました（ BIP 100およびBIP 101 ）。 どちらのソリューションもブロックサイズを増やすことを提案しましたが、それらはハードフォークでした。つまり、下位互換性がありませんでした。 つまり、それらが実装されたとき、古いソフトウェアは新しいネットワークと互換性がなくなりました。 BIP 100では、鉱夫の決定に従ってブロックサイズを調整することが提案され、BIP 101では、ブロックサイズを一度に8メガバイトに増やすことが提案されました。



当時、ブロックのサイズを増やすことは技術的な観点から最も簡単な解決策でしたが、どのスキームも実装されていませんでした。 実装の拒否は、技術的な問題よりも政治的な（ビットコインエコシステム内の）問題に関連していることが判明しました。 大きなブロックが存在すると、ビットコインの集中化につながる可能性があります。ストレージと処理にはさらに多くの計算能力が必要であり、大企業だけがそのようなリソースを割り当てることができるからです。 したがって、ユーザー管理の暗号通貨としてのビットコインブロックチェーンの主な考え方と矛盾があります。

隔離された証人

2015年の終わりに、開発者のPeter Wuilleは、ネットワーク帯域幅を増やすためのSegregated Witnessと呼ばれる提案を提示しました。 このアプローチではブロックサイズは変更されませんでしたが、トランザクションの格納方法は変更されました。 このソリューションの利点の1つは、ソフトフォークによる実装の可能性でした（つまり、下位互換性を提供します）。 分離された目撃者の技術的な説明のリリース後、スケーラビリティの問題に対する提案されたソリューションは2つのグループに分けられました：ブロックのサイズを大きくしようとするものと、ブロックを変更せずにプロトコルのその他の側面を最適化しようとするものがありました。 この問題に関してコンセンサスは得られませんでした。 最近まで。



5月20日、ビットコイン業界の主要企業は依然として共通の基盤を見つけることができました。 Hong Kong Bitcoin Roundtable Consensusカンファレンス（BitFuryを含む）の参加者は、Bitcoinプロトコルのいくつかのアップグレードをサポートすることに同意しました。 その1つは、サポートレベルが80％（鉱夫の力）に達したときに分離された証人がアクティブになることです。 2番目は、ブロックサイズが2 MBに増加することと関連しています。 この決定は、ビットコインのコストにも影響を与えました。 暗号通貨への関心とブロックチェーンをスケーリングするための新しい機会は、ビットコインの価格が2.5千ドルのマークを超えたという事実につながりました。







ビットコインのトランザクションは2つのコンポーネントで構成されていると言えます。 最初のコンポーネントは、いわゆる入力を使用して以前のトランザクションでブロックされたビットコインを解放します。 入力にはスクリプト （ScriptSigs）が含まれます。 このような各スクリプトには、ビットコインを開くための一連の指示（デジタル署名など）が含まれています。 トランザクションの2番目のコンポーネントには、リリースされたビットコイン（またはそれ以下）をロックする一連の出力（ScriptPubKeysスクリプト）が含まれています。 各ロックスクリプトは、対応するビットコインを使用できる条件を決定します（たとえば、特定の秘密キーがわかっている場合）。 ビットコインは、トランザクションの入力から出力へ、そしてあるトランザクションから別のトランザクションへ移動することがわかります。



ビットコインのロックおよびロック解除は、トランザクション送信者によって実行され、情報パケットの形でネットワークを介して送信されます。 原則として、ビットコインをロックする検出結果には指示が含まれており、その意味は、指定された公開鍵に対応する目的の秘密鍵をユーザーが確実に知っていることです。



分離された証人技術は、この相互作用の連鎖を修正します。 新しく作成された結論は、デジタル署名を必要とせず、一見誰でも使用できるため、「誰でも使用可能」（誰でも使用可能）と呼ばれる別のタイプのロックスクリプトを使用し始めます。 トリックは、だれでも使用できる形式のロックスクリプトには、ビットコインを使用するための「実際の」条件をスクリプトにバインドする特定のバイトシーケンスが含まれているということです。



同様の手法がP2SH（Pay to Script Hash）で使用されています。 SegWitと同様に、P2SHでも、ビットコインはスクリプト内でロックされますが、ロックスクリプト自体ではなく、そのハッシュがトランザクション出力に追加されます。 このようなスクリプトによってロックされたビットコインを使用するには、「最初のscriptPubKeyを読んだときのように見える」「実際の」ロックスクリプトだけでなく、このスクリプトのロック解除scriptSig（たとえば、デジタル署名）も知る必要があります。



分離された証人は、本質的に、scriptSig（トランザクション署名）を別のデータ構造（証人（証拠））に割り当てます。 したがって、SegWitは、古いノードでは完全に無視されますが、新しいノードとして認識されるアドオンです。 古いノードと新しいノードの両方がSegWitトランザクションを正しいと見なします。最初のものはスクリプトを「誰でも使う」と見なし、トランザクションを正しいと見なします（セマンティクスの面では奇妙ですが）。 このため、このテクノロジーにより、トランザクションの滑らかさ（tx順応性）を排除し、ディスク容量を節約し、署名検証の速度を最適化できます。



ただし、わずかな困難があります。署名がトランザクションのハッシュに影響を与えない場合、ブロックに含まれるトランザクションに対して、有効な署名が本質的に存在することの証明にはなりません。 この機能を回避するために、マイナーは、トランザクション内のすべての監視に応じて、ブロックトランザクションハッシュと同様に、つまりマークルツリーを使用して、ブロック内の特定の場所にハッシュを書き込みます。



SegWitのもう1つの利点は、バージョンバイトが格納されているという事実です。 それらはスクリプトに先行し、そのタイプを示します。 これにより、ビットコインのリリースに必要な要件を示すことができます。 実際、これにより、ビットコインをさまざまな方法でロックできます。 現在のECDSA署名よりもコンパクトで高速に検証されるSchnorrの署名 、さらに複雑なタイプのマルチ署名トランザクション、さらにはイーサリアムのようなスマートコントラクトでも、この機能の可能性を実現できます。



実際には、SegWitのロックスクリプトは次のようになります（この例は、ビットコインではなく、技術的な観点から非常に類似した別のブロックチェーン-lightcoinの実際のトランザクションから取得されています。SegWitは既に有効化されています）：

"scriptPubKey": { "asm": "0 07389b37ea077e9431a2e64530649f8a61befa54", "hex": "001407389b37ea077e9431a2e64530649f8a61befa54", "type": "witness_v0_keyhash" }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

スクリプトは1バイトのスクリプトバージョン（0）で構成され、その後にビットコインネットワーク内の通常のアドレスに対応する20バイトがあります（公開キーハッシュ）。 SegWitについて何も知らないノードの観点から見ると、このスクリプトは誰でも使用できます。たとえば、空のロック解除スクリプトscriptSigです。 実際、scriptPubKeyはデータをスタックに追加するだけで、scriptSigスクリプトによってスタックにプッシュされたデータのチェックは行いません。



SegWitを知っているノードの観点から見ると、このシナリオは、支出トランザクションの監視フィールドに、トランザクションのデジタル署名と公開キー（スクリプトで指定されているハッシュ）が含まれていることを示します。 scriptSigフィールドは空でなければなりません。



SegWitスクリプトを確認する価値がどれだけあるか、ノードはバージョンバイトと次のscriptPubKey要素の長さに基づいて決定します（上記の例では-20）。 これまでのところ、SegWitは2種類のシナリオを定義しています。公開鍵（例）に基づくシナリオと、任意のチェック（例：マルチ署名）に基づくより複雑なシナリオです。 2番目のケースでは、「実際の」ロックスクリプトの32バイトのハッシュがscriptPubKeyに書き込まれます。 お金を使うときは、このスクリプトと適切なロック解除スクリプトを証人フィールドで提供する必要があります。 この場合、ロックスクリプトのハッシュは、scriptPubKeyで指定された値と一致する必要があります。

ライトニングネットワーク

この資料の一部として、 Lightning Network（LN）スケーリングテクノロジーに言及したいと思います。これは、主にSegWitによって可能になり、その開発にはBitFuryが積極的に関与しています。 Lightning Networkは通常のビットコイントランザクションに基づいており、これらのトランザクションのみがビットコインネットワークに転送されません（少なくともすぐに）。 代わりに、LNネットワークのノードにローカルに保存されます。



Lightning Networkの主な機能は、ブロックチェーンをバイパスしてビットコインを直接交換できる双方向の「信頼できない」支払いチャネルです。 チャネル間で何百万もの支払いが行われた場合でも、チャネルを開閉するトランザクションのみがブロックチェーンに送信されます。 これにより、ブロックチェーンを真剣に「オフロード」し、スループットを向上させるとともに、微妙な支払い（たとえば、1秒あたりのデジタルコンテンツの支払いやインターネット接続）を行うことができます。 さらに、LNは、1つまたは複数の中間ネットワークノードを介した支払いを許可します。これらのノードが資金を盗むリスクはありません。 これにより、数百万のノードに対するLNのスケーラビリティが保証されます。 今後の資料では、LNの動作原理について詳しく説明する予定です。



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PPS関連リソース：

• BitFury GroupのValery Vavilov：「ブロックチェーンは数兆ドルの産業です」
• その他のブロックチェーンアプリケーション：スマートコントラクト
• 排他的ブロックチェーンとは何ですか？