コンセンサスとは何ですか?
コンセンサスプロトコルは、ノード間の同期を保証し、トランザクションとブロックが正当であると見なされてブロックチェーンに追加されることについて合意を確立するブロックチェーンメカニズムです。 これらは、ネットワークの単一の状態を維持し、すべての分散ノードを調和させるためのフォールトトレラントな方法論です。
コンセンサスメカニズムを持つ目的は、トランザクションを検証および認証し、ブロックチェーンネットワークの整合性が損なわれないようにすることです。 コンセンサスとは、何が受け入れられ、何が受け入れられないかについての合意です。 不変の元帳を作成してネットワークのブロックに追加する前に。 コンセンサスは、トランザクション(またはブロック)を検証する権限を獲得したネットワーク上のノードのいずれかまたはすべてによって与えられます。 これらのノードは、使用中のネットワークおよびコンセンサスプロトコルに適した用語に基づいて、バリデーターまたはマイナーまたはベリファイアと呼ばれます。 このブログでは、コンセンサスメカニズムの必要性について説明し、ブロックチェーンネットワークに適したコンセンサスプロトコルを分析して結論付けるプロセスを説明します。
なぜコンセンサスメカニズムが必要なのですか?
産業革命の4回目の反復は、現代の産業を、数十年前に手動であったものの単なるデジタル化バージョンから、効率的に自動化され、安全で、堅牢な分散型サイバーフィジカルシステムに移行しています。 今日の目標は、Web3.0やその他の新しいテクノロジー向けに、より効率的で優れた設計の製品やサービスの信頼できない許可のないネットワークを実現できる、より優れたテクノロジーツールを導入することです。
これらは、ネットワークの単一の状態を保証し、すべてのノードが正しいネットワークに接続されていることを確認するために実装されます。 コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンフォームである分散型元帳のセキュリティと信頼性を保証する単一の制御IDです。 トランザクションのブロックは、トランザクションの正確性に同意するためにブロックチェーンに固有のメカニズムによって認証および検証された後にのみ、既存のブロックチェーンに追加されます。 ブロックを追加してチェーンを拡張するには、コンセンサスが必須です。各ブロックはトランザクションのコレクションです。 ネットワークの機能を維持するのはチェーンの成長です。 コンセンサスメカニズムにより、トランザクションへのアクセスが維持され、システムの透過性が維持されます。 コンセンサスアルゴリズムは、トランザクションの正確性を確保するためにサードパーティの仲介者を排除します。 コンセンサスがチェーン内のトランザクションのグローバルな状態を達成すると、すべてのノード/ピアは相互に信頼できます。 これにより、ネットワークにフォールトトレランスが導入されます。
ブロックチェーンでは、分散型台帳は分散型で管理されます。 一部のチェーンでは、複数の独立したノードがブロックチェーンの維持を担当しますが、他のチェーンでは、コンセンサスはより自動化された性質であり、ノードはトランザクションの送信または提案のみを担当します。 異種ネットワークノードとコンポーネントを説明する利害関係者の間で合意された真実によってユーザーエクスペリエンスが向上するのは、コンセンサスメカニズムによるものです。
コンセンサスメカニズムの選出
ブロックチェーンテクノロジーの進化には、コンセンサスメカニズムにおける一致した進化と革新が伴いました。 コンセンサスプロトコルには、セキュリティの維持、協力、同等のノード権限、ブロックチェーンガバナンス、ノード参加の一定の割合など、多くの目的があります。これらのコンセンサス目標は、ブロックを精査し、到達するためにチェーンに追加されることを検証するための前提を形成します。ネットワーク内の次の安定した、信頼できる安全な状態。
コンセンサスメカニズムを結論付けるには、ブロックチェーンの優先順位とフレームワークを理解することが重要です。 これに加えて、必要なアーキテクチャ、基盤となる機能、およびコンセンサスメカニズムに関与する主要なコンポーネントを理解する必要があります。 その後、ブロックチェーンにふさわしいコンセンサス方法論を締結することができます。 以下は、ブロックチェーンで採用されるコンセンサスメカニズムを評価する際に説明される主な特性の一部です。
アプリケーションのコンセンサスアルゴリズムの分析
●ブロックチェーンタイプ
ブロックチェーンを使用するアプリケーションまたはシステムのプロパティに基づいて、ブロックチェーンの制御とアクセス可能性の量は、プライベート、パブリック、またはコンソーシアムに分類されます。 コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンのセキュリティと整合性を確保しながら、同じものを維持する必要があります。
●分散型ガバナンス
ネットワーク全体に分散されたプレーヤーによって管理される場合、ネットワークは、第一に、ブロックチェーンが集中管理されて、少数のユーザーの利益によって推進される独占的なガバナンスをもたらすことはないことを保証し、第二に、分散されたコンセンサスを通じて行われるすべての決定がブロックチェーンに利益をもたらし、そのセキュリティと整合性を維持するという共通の目標を目指しました。
●スケーラビリティと攻撃
ブロックチェーンはスケーラブルでなければなりません。 高い計算能力を必要とするPoWのようなコンセンサスは、自由にスケーリングすることを不可能にします。 グローバルに採用されることを目的としたブロックチェーンは、必ずスケーラブルである必要があり、PoTやELASTICOなどのコンセンサスメカニズムがそれを支援するために考案されています。
スケーラビリティには、ブロックチェーンが攻撃を受けやすくなるというトレードオフが伴うため、高いセキュリティを確保するために、ブロックチェーンのガバナンスとコンセンサスを慎重に選択する必要があります。
●敵対者耐性モデル
障害の影響を受けないネットワークはありません。 同様に、すべてのブロックチェーンは、クラッシュとビザンチンというXNUMXつの主要な種類の障害の影響を受けやすくなっています。 悪意のある操作からブロックチェーンを保護することは、ブロックチェーンのガバナンスとコンセンサスモデルに組み込まれている必要があります。 コンセンサスメカニズムは、攻撃や脆弱性を通じてブロックチェーンの堅牢性が維持されるようにする必要があります。
ブロックチェーンがそのような攻撃を回避し、これらのいずれかが発生した場合にシームレスに回復するのに役立つコンセンサスメカニズムは、特定のコンセンサスメカニズムがブロックチェーンに適しているかどうかを結論付けるのに役立つ別の手段です。
●パフォーマンスパラメータ
デジタル化とグローバリゼーションにより、あらゆる業界で発生するトランザクションの数が増加しています。 何年にもわたって、ブロックチェーンもXNUMX日の数回のトランザクションから、数秒以内に完全なブロックを処理するように進化してきました。 したがって、リアルタイムのトランザクション処理とファイナライズを必要とするユースケースには、そのようなコンセンサスメカニズムも必要になります。 このようなコンセンサスメカニズムには、バリデーターノードの中断のない可用性が必要です。
帯域幅、遅延、およびスループットは、ブロックチェーンの信頼性を高めるために監視する必要のある重要なパラメーターです。 ブロックチェーンは、高スループットと低遅延の値を維持する必要があります。 引き付ける予定のトラフィック量を処理できる帯域幅をサポートする必要があります。 DPoS、PoET、Tendermintなどのメカニズムは、高いスケーラビリティとスループットをサポートします。
●コミュニケーションモデルの複雑さ
応答時間に基づいて、コンセンサスプロトコルは通信要件に対応できなければなりません。 同期(応答時間が短い)でも非同期(応答時間が長い)でも、特定のユースケースに最適な通信の種類とコンセンサスプロトコルを決定するのはアプリケーションです。
複数の分散ノードからコンセンサスを収集することは、退屈な作業です。 チェーンに追加するブロックを提案してから、ブロックが追加され、すべてのノードがブロックチェーンの更新された状態に到達するまで、その過程はスムーズでも予測可能でもありません。 同じことを認識して管理するコンセンサスメカニズムは、大量のトランザクションを伴うブロックチェーン、つまり検証可能なブロックにとって非常に重要です。
●クォーラム構造
分散システムが一貫した操作を実施するためには、ブロックが有効であると見なされてチェーンに追加されるために、同意する必要のあるノードの最小数またはパーセンテージがあります。 コンセンサスの分散化と分散を強制するクォーラム構造を備えたコンセンサスアルゴリズムは、どのブロックチェーンにも適しています。
●エネルギー要件
世界の主要な関心事は、コンセンサスのエネルギー要件と排出率です。 今日、ほとんどのアプリケーションとユーザーは懐疑的であり、すでに低下している環境品質への影響が少ないコンセンサスメカニズムを選択する傾向があります。
現在、極端なレベルのコンピューティングパワーを必要とするPoWで実行されている最大かつ最古のブロックチェーンは、環境に対して最も敵対的であると見なされ、PoS、PoB、PoCなどのより優れたメカニズムに焦点が移っています。
●マイニングおよびコンセンサスカテゴリ
ネットワークのサイズに基づいて、コンセンサスプロトコルを締結できます。 多数の分散ノードを備えたネットワークは、証明ベースのコンセンサスを優先しますが、小規模なネットワークは、投票行動ベースのコンセンサスメカニズムを優先します。 しかし、これは非常に初歩的なことです。 さらに重要なのは、コンセンサスメカニズムが採用する手口です。 コンセンサスメカニズムは、大きく次のように分類されます。
- 証明ベース :計算能力、燃焼能力、富、メモリなどのパラメータに基づくバリデーターからの証明に依存するもの。
- 機能ベース :これらはエネルギー要件を削減することを目的としていますが、検討中の機能に基づく集中化に対する感受性の固有の欠陥に悩まされています。
- 投票ベース :鉱夫は、ブロックを提案、生成、およびコミットするために投票することによって選出されます。 補欠選挙により、中央集権化の問題は大幅に解決されます。 さらに、証明ベースの要件も選挙人によって処理されます。 ただし、このメカニズムは間接的に次の問題を引き起こす可能性があります。
A)。 クラッシュフォールト:検証のタスクで選択されたノードをオーバーロードし、選択された検証の終了時に障害が発生した場合のバックアップメカニズムがありません。
b)に示す。 ビザンチン断層:これは、コンセンサスがいくつかのノード内に集中している場合でも、コンセンサスの幻想的な分布が存在すると考えられる微妙な障害です。
●コンセンサスファイナリティ
トランザクションのファイナリティには、絶対と確率のXNUMXつの主要なカテゴリがあります。 確率的コンセンサスでは、トランザクションがロールバックされる場合があります。これは、後で同じブロックでコミットできないため、再生成および再検証されてブロックにコミットされます。 ここで、応答時間は、確率的か絶対的かを問わず、コンセンサスメカニズムの決定に影響を与える要因です。 今日、リップルとDBFTだけが絶対的なファイナリティを提供します。 コンセンサスの主な目標は、ブロックチェーンの真のグローバル状態を維持し、XNUMXつ以上のノードの既得権を排除し、データのプライバシーを維持することを目的としています。 ブロックチェーンは、常にすべての単一ノードによって合意された状態、つまり疑う余地のない整合性の永続的な状態にとどまる必要があります。
●攻撃
グローバルなアクセス可能性と透明性により、ブロックチェーンは脅威の影響を非常に受けやすくなっています。 金融取引を扱うコンセンサスメカニズムは、所有者の手に資産管理を維持しながら、ユーザーがリスクを軽減するのに役立つはずです。 チェーン内のグローバル状態の達成とその維持は、ノードとピア間の信頼を誘発します。
ブロックチェーンが影響を受けやすいセキュリティ攻撃のカテゴリに応じて、コンセンサスメカニズムを使用して、ブロックチェーン上にセキュリティのレイヤーを追加できます。 RAFT、PoB、およびPoAは、DDos攻撃に対して強力ないくつかのプロトコルですが、PoTおよびRippleは、Sybil攻撃に関しては堅牢です。
コンセンサスメカニズムが完成する前に行う必要のある考慮事項がさらにいくつかあります。これらには、実装アプローチ、トークン化、およびアルゴリズムの強度が含まれる場合があります。
特定のコンセンサスメカニズムの選択に単独で影響を与えるパラメータはありません。 これらのパラメーターの組み合わせは、そのブロックチェーン上で開発されたさまざまなアプリケーションでコンセンサスメカニズムがどのように機能するかに影響を与えます。
ハイブリッドコンセンサス
スケーラビリティ、セキュリティ、分散化、許可のない迅速な運用などのコンセンサスメカニズムの固有の特性を損なうことなく、コンセンサスメカニズムを組み合わせて、特定のユースケースに適したコンセンサスを形成できます。 ハイブリダイゼーションの目的は、パブリックブロックチェーンとプライベートブロックチェーンの両方の長所を活用することです。 合併は、採用された個々のコンセンサスの互換性によって主宰されます。 ここで得られるのはハイブリッドブロックチェーンであり、外部ネットワークからの可視性の制限が厳しくなり、内部処理がスムーズになります。
ハイブリダイゼーションは、ブロックチェーン自体ではなく、ブロックチェーンの上の第XNUMX層、つまりほとんどのアプリケーションが展開される機能層で使用できます。 ここでは精査と機能の第XNUMX層が追加されていますが、メインブロックチェーンの負担が軽減されます。 これは、Solanaで使用されているデュアルコンセンサスメカニズムと比較してはなりません。Solanaには、検証がPoSを介して行われている間、ブロックがPoHに基づいてパイプライン化されるコンセンサスがあります。 これは、XNUMXつの異なる時点でXNUMXつの同意メカニズムを採用する独立したブロックチェーンです。
別のコンセンサスメカニズムへの移行
イーサリアムは、PoWからPoSに移行することで、多くの騒ぎを生み出しました。 これはスムーズなプロセスではありません。 努力と能力に加えて、移行フェーズは巨大な脆弱性に悩まされているため、Sybilやその他の攻撃から保護するために追加の努力が必要です。 イーサリアム自体は段階的にそれを行ってきました。ブロックチェーンが機能しすぎてパブリックブロックチェーンが機能しすぎると、周りで発生するトランザクションやブロックの生成が停止することはありません。 イーサリアムでの移行は段階的に実行されており、このPoWを作成する時点まで、PoSと並行して機能します。 移行のメカニズムと考慮事項はこのブログの範囲を超えていますが、イーサリアムはそれが可能であり、同時に複雑であることを例示しています。
コンセンサスの未来
デジタル化の未来はブロックチェーンを中心としているため、コンセンサスメカニズムが精査されています。 すべての新しいブロックチェーンは、すでに行われていることをしのぐことを試みています。 Solanaは、海面やクラウドブレイクなどのまったく新しい一連のプロトコルを導入して、普及しているブロックチェーンに挑戦しました。 それはそれから利益を得て、すぐに競争力のある人気に達しました。 ただし、目標は単一のブロックチェーンや最良のコンセンサスメカニズムだけではありません。 目標は、個々のブロックチェーンが機能し、通貨または任意のデジタルトランザクションが、基盤となるアーキテクチャまたはブロックチェーンの境界や統治コンセンサスメカニズムなしで実行可能である協力のレベルに到達することです。 メタバース、究極の単一デジタル空間は、個々のブロックチェーンがシームレスに統合されて相乗的な同盟を形成するまでにはほど遠いです。
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ポスト 分散型コンセンサスメカニズム 最初に登場した プリマフェリシタス.
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