ブロックチェーンベースの「クラウドコンピューティング」が何であるか本当にご存知ですか?

過去数年間の暗号通貨ネットワークの発展において、容量拡張を特徴とするプロジェクトは数多くありましたが、 Ethereum 2.0 の同種シャーディング、 Polkadotの異種シャーディング、Plasma のサイドチェーン、zkSync、Optimistic、StarkWare のレイヤー 2、COSMOS のクロスチェーン構造 (クロスチェーン拡張を使用) など、「象徴的なソリューション」となるものは多くありません。

これらのプロジェクトは、イーサリアムとビットコインのブロックチェーン構造に基づいて、最も適切な拡張方法を常に模索しています。最も注目を集めているのは Ethereum 2.0 です。 PoW から PoS への切り替え、トランザクション データの圧縮 (ロールアップ)、シャーディング構造の形成 (データ シャーディングではなくシャーディング) に重点を置いています。この方法は非常に長く、暗号通貨ネットワークの究極のアイデアですが、これが長期的に非常に必要な道であることは否定できません。

本質的に、ブロックチェーン構造には明らかな利点がありますが、その限界も非常に明らかです。イノベーションを起こしたい場合、ブロックチェーン構造によってもたらされた限界を破ることなく、業界が次のステップに進むことは難しいと思われます。著者は、業界におけるイノベーションには、多くの成熟した業界や成熟した技術システムからアイデアを借りる必要があると考えています。

パフォーマンスの上限を打破するには、クラウド コンピューティング プラットフォームの設計から学ぶことができます。

ブロックチェーンのボトルネックはあまりにも明白

ブロックチェーンのボトルネックはその最大の利点であるコンセンサスから生じます。

コンセンサス演算プロセスは、複数の当事者（ノードデバイス）が同じデータ（ブロック）を計算するプロセスです。たとえば、ビットコインでは、ノードがブロックをパッケージ化し、それをすべてのノードに 1 つずつブロードキャストして保存します。

Ethereum 2.0 が PoW から PoS に切り替わったとしても、コンセンサス プロセス全体が高速化され、単一のコンセンサスを完了するのに必要な時間が短縮されるため、単位時間あたりのトランザクション数が増加するだけです。しかし、膨大なコンピューティング需要を前にすると、PoS の限界は依然として明らかです。

ブロックチェーンの単一ノード制限の例図

このように、上図に示すモデルはあらゆるブロックチェーン構造に現れることになります。すべてのコンピューティング タスクはコンピューティング ノードのコンピューティング リソースをめぐって競合しており、複数のタスクは狭いチャネルをめぐって競合しています。

一部のアプリケーション シナリオでの同時実行要件がそれほど高くない場合は、単一ノードの計算能力を高め、より高速なコンセンサス アルゴリズムに置き換え、リソースを競合するタスクに「通過」時間を割り当てることで、確認プロセス全体をスムーズに実行できます。

しかし残念なことに、多くの高同時実行シナリオ（ブロックチェーンは金融や単一のシナリオに限定することはできません）では、確実にブロックされ、速度が低下し、あるいはまったく続行できなくなったり、ブロックによって他の問題（セキュリティなど）が発生したりします。

この問題を解決するには、ネットワークの単位時間あたりのタスク処理の上限を上げるために、タスク処理時に十分な並列処理を実装する必要があります。

クラウド コンピューティングの拡張と並列化のアイデアを借用すると、暗号通貨ネットワークをどのように実装できるでしょうか?

クラウド コンピューティングによって提供されるアイデアの最も基本的な要件は、複数のコンピューティング デバイスへのアクセスではなく、アクセス システムのネットワーク リソースです。外部リソースの上限は、1 台のコンピューティング デバイスの上限のみです。代わりに、N 台のコンピューティング デバイスが接続されると、ネットワークの処理能力は N 倍に増加します。

これはまさに暗号通貨ネットワークに必要なものです。各暗号通貨ネットワークは複数のコンピューティング デバイスにアクセスでき、最終的なパフォーマンスはコンセンサス レイヤーの構造部分に限定されます。

具体的には、従来のクラウド コンピューティング プラットフォームには、水平方向の拡張と垂直方向の拡張があります。水平拡張とは、タスクをパーティションに分割して処理する並列化を意味します。垂直拡張とは、単一デバイスの処理能力を高めることを意味し、次のことに非常に似ています。拡張の問題を解決するための 1 つのアイデアは、ブロックのサイズを大きくすることです。

クラウドコンピューティングにおける並列処理の例。並列処理に適した構造でデータを生成し、GPU のパフォーマンスを使用して高速に処理します。

しかし、暗号通貨ネットワークにおけるブロックチェーン構造を変更できない場合、並列化を実現するためのアイデアは2種類に進化しました。

この記事では、Bai Project チームが、Oasis、Phala、PlatON、Dfinity、Filecoin、IOTA の 6 つの暗号通貨プロジェクトを例として、並列処理を実現するための 2 つの主要なアイデアを説明します。

(Bai Plan からの注記: 配置の順序は、セキュアハードウェアに基づく並列化と、改良されたアルゴリズムに基づく並列化に基づいています)

これらの暗号通貨ネットワークがクラ​​ウド上で並行して実行できるようになると、将来的にはインターネットの多くの従来の問題を解決できるようになると期待されます。

分割に関する2つの主流の並行した考え方

上記のプロジェクトは、容量拡張と並列問題を解決するための 2 つのアプローチに分けられます。

最初のタイプは、Oasis、Phala、PlatON によって表されます。信頼できるコンピューティング ハードウェアをコンピューティング デバイスとしてネットワークに接続することで、ハードウェア デバイスは高度なコンピューティング機能とセキュリティ機能を備え、コンピューティングとストレージのプロセスを安全にすることができます。これらの個々のデバイス (またはクラスター) は、独立した処理タスクを独立して実行できるため、コンセンサス レイヤー外で並列かつ安全なコンピューティングを実現できます。これは、独立した信頼できるコンピューティングとして要約できます。

2番目は、Dfinity、IOTA、Filecoinに代表され、コンセンサス層で新しいアルゴリズムを開発し、ブロックトランザクションの確認プロセスを変更し、並列検証を実現して、チェーン上のタスク処理能力を向上させます。そして、スケーラビリティの形成を通じて、単一のコンピューティング デバイスのコンピューティング能力とスペースが増加し、これがクラウド コンピューティングの垂直拡張となります。

具体的な内訳は以下のとおりです。

信頼できるハードウェアを使用した並列ネットワーク設計
1. まず高品質のコンセンサス レイヤーを構築します。

まず第一に、暗号通貨にはコンセンサス層に存在する総勘定元帳が必要です。 Oasis、Phala、PlatON はコンセンサス層とコンピューティング層を分離しています。コンピューティング デバイスの上には独立したコンセンサス レイヤーがあり、つまり、コンピューティング デバイス (またはクラウド) を通じて構築され、高速コンセンサス アルゴリズムを実行するブロックチェーン ネットワークがあります。

ただし、Oasis と PlatON はより明確な階層化概念を持っているのに対し、Phala の階層化概念は明確ではないことに注意する必要があります。その設計の詳細は、オフチェーン コンピューティング デバイスの独立したルールにあります。

コンセンサス レイヤーの安定性を確保するために、Oasis は業界で高い信頼を得ている組織や企業を通じてノードを構築することを選択しています。ノードは Tendermint アルゴリズムを介して通信し、総勘定元帳を迅速に形成します。

PlatON のノードもパートナーによって構築されており、BFT に似たアルゴリズムである CBFT アルゴリズムを使用して、通常の BFT アルゴリズムの効率を最適化します。

Phala は、TEE (Gatekeeper と呼ばれる) を備えたコンピューティング ノードをネットワークに接続します。 GatekeeperのTEEコンピューティング領域は総勘定元帳を維持できます。そのコンセンサスはPolkadotと一致するNPOSコンセンサスであり、ブロックを迅速に生成できます。

ファラの門番（中央部分）は総勘定元帳を管理している

コンセンサス レイヤーの外側では、コンピューティングとストレージをオフチェーンまたはレイヤー 2 に持ち込みます。ここで並列コンピューティングが役立ちます。

2. コンピューティング層を有効にして並列コンピューティングを実装します。

まずはオアシスについてお話しましょう。そのコンピューティング層は Paratime と呼ばれ、独立したチェーンまたはランタイム クラスターとして見ることができます。しかし、Oasis ネットワークの初期の頃は、Paratime は主にクラウドで展開されており、ネットワーク インフラストラクチャとしてデバイスを TEE に完全に置き換えることはありませんでした。開発が進むにつれて、すべての Paratime ノードにセキュリティを確保するための TEE 機能が追加されます。

Oasis のコンピューティング層 (右)

Phala の計算はアクセス ノードの TEE で完了します。 Phala の pRuntime は各 TEE に導入されます。 pRuntime と「コンセンサス レイヤー」間の通信は (理論上は) 独立しているため、pRuntime で処理されるトランザクションは互いに競合しません。これは、各 TEE の pRuntime が「シャード」のようなものであるため実現できる並列処理です。このようなアクセス ノードの数が増えるほど、ネットワークのパフォーマンスは向上します。

PlatON の計算は、layer2 としてマークされたコンピューティング レイヤーで完了します。 PlatON のレイヤー 2 には、マルチパーティ コンピューティング用のプログラム可能な回路など、カスタマイズされた信頼できるコンピューティング デバイスを含む多数のコンピューティング デバイスがあります。さらに、プライバシー コンピューティングは、暗号化やゼロ知識証明などのテクノロジによって実現されます。 PlatON もプライバシー コンピューティングを実装していますが、使用するテクノロジはマルチパーティ コンピューティングやゼロ知識証明、準同型暗号化などです。

PlatONネットワークのモジュールとレイヤー

コンピューティング層を信頼できるコンピューティング ハードウェアのネットワークとして設計することは、コンピューティング層の並列処理を使用して容量を拡張し、スケーラビリティを実現することです。計算をコンセンサス レイヤーの外部に移行すると、並列コンピューティングが真に実現されるわけではないと考えるかもしれません。

ただし、信頼できるコンピューティングを備えたハードウェアは、セキュリティ接続が密接であるため、コンセンサス レイヤーと「統合」されます。理論的には、オフチェーン コンピューティングのセキュリティを確保するには、総勘定元帳の概念や、オフチェーンのセキュリティを制御する他の方法が必要です。しかし、信頼できるコンピューティング ハードウェアの助けがあれば、この総勘定元帳でオフチェーンのセキュリティ保護を提供する必要はありません。

ビーコン チェーンが総勘定元帳である Ethereum 2.0 と比較することができます。シャードがデプロイされている場合、各シャードはタスクを独立して処理できます。ただし、Oasis、Phala、PlatON では、シャードのコンピューティング部分は信頼できるハードウェアに置き換えられます。

コンピューティング層の並列処理を分割した後、並列処理を実現するためにアルゴリズムを分割して使用する方法を見てみましょう。

アルゴリズムによる並列処理の設計
1. 新しいアルゴリズムを開発する。

Dfinity、IOTA、Filecoin に代表されるように、アルゴリズムを開発した後は、ブロック確認プロセスを変更することなくタスクを並列処理できるため、確認プロセスが高速化されます。

ここでまず言及すべきことは、並列処理がアルゴリズム レベルで実現される場合、主な実装はアルゴリズム計算のルールを変更することになり、それによってアルゴリズム パフォーマンスの機能ロジックが変わるということです。例えば、PoW アルゴリズムが変更されると、PoW アルゴリズムにおける乱数の計算、パッケージ化、ブロードキャストのロジックが変更されます。

Dfinity はコンセンサス アルゴリズムのアルゴリズムを変更しました。従来のコンセンサス アルゴリズムは、すべてのノードがコンセンサス計算に参加するという方式から、乱数を計算して一部のノードを選択し、コンセンサス計算を完了するという方式に変更されました。これはコンセンサスの検証を高速化するためのステップです。さらに重要なのは、選択されたコンセンサス ノードが非対話型 BSL アルゴリズム (ノードはデータ署名フィードバックを組み合わせてではなく独立して確認する) を通じてトランザクションを確認することです。つまり、BFT コンセンサスのノード間で繰り返し対話するプロセスを経ることなく、同様の「並列」加速効果を実現します。

Dfinity のコンセンサス確認プロセスは、左側の署名部分にも同様の影響を与えます。

IOTA のアルゴリズムの変更は非常に徹底的です。ブロックチェーンと比較すると、IOTA は Tangle データ構造を使用して総勘定元帳を形成します。 Tangle の特徴は、各トランザクションが 2 つの前のトランザクションに結び付けられるため、元のブロックチェーン チェーン構造の確認時間への依存性が完全に排除されることです。これにより、トランザクションに対して無限に関連付けられた確認構造が形成され、並列効果を実現できます。

[[390259]]

FilecoinNSE アルゴリズムの逆アセンブルでは、左側にレイヤーが表示されます。

2. その他の部分を構成する

並列問題がアルゴリズム的に解決されたので、いくつかの補助機能が必要になります。

IOTA の Tangle には通常のブロック構造にある時間制限がないため、コンセンサスに達するには、どのトランザクションがコンセンサスを形成するかを確認するトランザクション検証者の助けが必要です。

Dfinity はアルゴリズムを改良し、サブネット、データセンター、コンテナもマッチングします。サブネットは「シャード」に似ており、データ センターは Dfinity ネットワークの基盤となるネットワーク展開です。データセンターの参加が必要であり、ネットワークの基本的な処理能力が非常に強力であることを意味します。サブネット上では、コンテナは独立したオペレーティング ユニットとして確立されており、ブロックチェーンのスマート コントラクトに例えることができます。コンテナの相互作用を組み合わせることで、複雑さを実現できます。

NSE アルゴリズムがデータを並列処理した後、Filecoin はストレージのレプリケーションとパッケージ化、および時空間証明の保存を実行します。これらの部分により、Filecoin 元帳の一貫性が確保されます。その他の開発部分は、公式チームとエコシステムによって提供されるツールに依存しています。

クラウド並列化後に何をすべきか?
上記の 6 つの暗号通貨プロジェクトは、理論的にはブロックチェーンのパフォーマンスの限界を並行して突破しました。では、次のプロジェクトには何が残っているのでしょうか?

著者は、ネットワーク ツールの開発を通じてこれらの機能を開発者が利用できるようにすることが重要であると考えています。暗号通貨ネットワークを使用する最も重要な目的は、DApps を開発し、広範囲に分散化されたビジネスを開発することです。

たとえインフラストラクチャのパフォーマンスが高くても、開発者がアプリケーションを作成しなければ意味がありません。開発者はチェーンによって生成されるアプリケーションの量を決定し、生成されるアプリケーションの量によってチェーンによって作成され含まれる価値が決まります。

困難な基礎開発からクラウド開発の時代に入った従来のインターネット開発者と同様に、クラウド コンピューティング プラットフォームは開発者に非常に高品質なエクスペリエンスを提供してきました。後発の起業家は、過去のように生産能力の拡大を心配する必要がなくなりました。

現在の暗号通貨ネットワークは、クラウドコンピューティングプラットフォームの「サービス指向アーキテクチャ」を例に、発展の波を形成できるかどうかを尋ねたいと思います。クラウドコンピューティングと並行開発を経て、暗号通貨はまだその源泉を突破したばかりです。君は空へ昇り続けることができるか？