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分散システムアプローチ

Casper CBCは，分散システム問題として合意形成の問題に取り組んでいます．

まずはじめに，分散システムにおける障害とは，なんでしょうか．

コンセンサスメカニズムの前提は，「障害の数が十分に少なければ，すべて問題ない」ということです．これは，「十分に障害がある場合にのみ，問題が発生する」と言い換えることができます．

コンセンサスメカニズム

さて，わかりにくい専門用語に慣れましょう．

バリデータ：合意を形成するノードのことをバリデータと呼ばれます．
メッセージ：メッセージは、合意に達することを試みる努力の中でバリデータによって生成され伝えられます．

メッセージ

メッセージは，合意形成プロセスに参加している間にバリデータによって生成され，伝えられる情報です．Casper CBC合意形成メカニズムでは，メッセージは以下の構造を持ちます．

メッセージ構造 =（値、バリデータ、正当化）

メッセージ構造を説明します．

値：値は，バリデータが合意に達するようにネットワークに提案する値のことです．
バリデータ：これはメッセージを生成しているバリデータです．
正当化：メッセージの正当化は，バリデータがその特定のメッセージを生成している間に確認および確認した一連のメッセージです．後で見るように，その正当化は提案された値を文字通り「正当化する」ことになっています．

ここで，メッセージに関わる2つの重要な概念を見てみましょう．

後のメッセージ：メッセージAがメッセージBの正当性を説明するものである場合，メッセージBはメッセージAよりも後になります．
推定関数：推定関数は，正当化を入力として，入力によって「正当化された」値を返します．

合意規則

提案された値は，正当化に対する推定関数の適用によって返された合意形成値と同じでなければなりません．
バリデータは2つのメッセージを作ることができないようになっています．

合意規則違反

バリデータが，受け取ったメッセージの時点差により，分離されるかもしれません．

意思決定保証

十分な数のバリデータが提案する有効な値を含むメッセージを作成した後に，多数のバリデータがフォルトを生成することなしに矛盾する値について合意形成することは不可能であることを合意規則は保証します．

したがって，十分な数のバリデータが有効な値を含むメッセージ見た後で，ノードは合意値を決定します．この「十分に高い」数は、そのノードのフォールトトレランス閾値によって異なります（この十分という部分は未定義です）．

合意プロトコルは，通信ノード同士が何かに同意することを保証するメカニズムです．ブロックチェーンで新しいブロックをダウンロードするノードは，システムの履歴としてトランザクションに確実に同意することを望みます．作業証明（PoW）では，ノードがあるトランザクションでハッシングを解くと，標準チェーンに含まれることを意味します．

PoWの欠点は，非常に多くのエネルギー消費と，ブロックチェーンを維持するセキュリティとを満たしながら，スループットを増加させることが可能かどうかが定かではないところです．それでは，他の合意プロトコルはあるでしょうか？，作業料分だけ手数料を受け取るのは，理にかなっています．

それでも，Proof of Stake（PoS）という手法もあります．それは，ある量の資本を（例えば暗号通貨）を持つノードを信用して，次のブロックの選択権を得るというものです．

ここでは，合意プロトコルの概念を確認していきましょう．

CBCというプロトコルを説明していきます．

システムを設計するとき，セキュリティは重要です．システムを徹底的にテストすることは，システムが意図したとおりに機能することを確認する1つの方法です．それは予測可能な方法で機能しているでしょうか．与えられた入力は，内部的な矛盾を引き起こしませんか．

ここで，紹介するCBCという手法は，次のようなことも許容します．システムの部分が，未定義のままにされるかもしれません，これはよく言えば仕様が変更できるということです．ある性質Pがある空間Sに存在するメカニズムとして成立することを証明することができれば，Sのサブセット上でのメカニズムS’で，性質P’を証明できるかもしれません．たとえば，Sをブロックチェーン合意メカニズムのSとします．最長のチェーンフォーク選択するというこというメカニズムがS’になるように考えましょう．フォークの選択へある規則制をもちこむことによって一貫性が得らます．それは，S’におけるプロパティP’を得ることでもあります．

ノードがやり取りするメッセージは，可能な合意値を見出し，この値について合意を達するために送信されます．

合意値
検証（送信者）への参照
プロトコルによる状態の参照（正当化）

例えば，AとBという2つの検証があり，常にメッセージに値1を送信します．プロトコルは，最初は何もしません．だれでも送信できるメッセージは，名前，値1、および前の状態への参照，空集合だけです．この時点でネットワークのノードから見えるものは，空集合ø，Aからのメッセージ，Bからのメッセージ、またはAとBからのメッセージです．

私たちは，新たなメッセージが構築される以前のプロトコルによる状態を参照できるようにするために各メッセージを必要とします ．プロトコルによって送られのは，単なるメッセージであり，それぞれのメッセージは以前のプロトコルによる状態を参照します．

プロトコルによって，タイミングにより，状態は分岐するかもしれません．

その場合，ノードはどちらが正しいのかを決定できなければなりません．つまり，合意値が0と1の両方であると決定することはできないいうことです．これが安全性の保証となります．

このような安全性を保つことは，2つのノードにとっては簡単です．2つのノードによって決定された合意値はお互いに明白です（常識的には片方が決まれば，もう片方決まります）が，例えば，3つの合意値が一致しないことがあります．
ライトを点灯させるには2つのスイッチをオンにする必要があるとします．2つのノードがスイッチを観察し，3つめのノードはライトを観察します．1つのスイッチがオンになっていても，必ずしもライトが点灯しているとは限りません．つまり，ライトが消えている間は，2つのノードは両方のスイッチがオンになっているのを観察することはできません．これは，両方のスイッチがオンになっていても，ライトが点灯していないことも許します．

このようなことは，ひとつのスイッチとライトの点灯の有無は明白です．

そこでCBCは，メッセージに重みづけ（合意値0のようなメッセージは重みをなくす）をして，重みがある閾値よりも大きい限り一貫した決定を下せるようにします．

これまでのところ，決定はプロトコルによる状態に依って行われて，プロトコルによる状態から合意値に向かう関数を私たちはもっていません．ここで，注目すべきは，推定量という概念の導入です．プロトコルによる状態が与えられると，推定量は合意値を返します．CBCでは，推定量は未定義のままです．

サトシナカモトが，2008年に論文を発表して以来，ブロックチェーン技術の可能性について私はとても期待しています．

分散型のデジタル通貨は，かつては非常に難しい問題を含んでいましたが，それは拡大し続けています．

例えば，監視社会に抵抗する社会的プラットフォームとして有効であるようです．

しかし，それを実現するのを妨げる大きな問題，それは，スケーラビリティです．ブロックチェーンは，拡張性に限界があります．

では，ブロックチェーンがスケーラブルではないのはなぜでしょうか．

現在有効な．すべてのブロックチェーンコンセンサスプロトコル（例えば，Bitcoin，Ethereum，Ripple，Tendermint）には，制約があります．ネットワーク内のすべての参加ノードは，すべてのトランザクションを処理する必要があります．ブロックチェーンは，ネットワーク上のすべてのノードがすべてのトランザクションを処理し，状態全体のコピーを維持することを意味します．

分散化コンセンサスメカニズムは，スケーラビリティが犠牲になるのです．実際，ブロックチェーンは，ノードが増えるごとに対数的に増加するノード間レイテンシのため、ネットワークに追加されるノードが増えるにつれて処理は遅くなります．

従来のデータベースシステムでは，スケーラビリティに対する解決策は，追加されたトランザクションを処理するためにサーバを追加すること（すなわち、計算能力）でした．すべてのノードがすべてのトランザクションを処理および検証する必要がある分散型であるブロックチェーンの世界では，ネットワークを高速化するためにすべてのノードの計算能力を上げる必要がありますが，それはできないでしょう．

その結果，ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは，低いトランザクションスループットと高度の集中化との間のトレードオフを作ります．言い換えれば，ブロックチェーンのサイズが大きくなるにつれて，ネットワークに完全に参加するために必要なストレージ，帯域幅，および計算能力に対する要件が増大します．ある時点で、いくつかのノードでブロックを処理することが実現可能になるだけでは扱いにくくなり，集中化のリスクにつながります．

スケーラビリティのために，ブロックチェーンプロトコルは，各トランザクションが有効であるというネットワークの信頼を失うことなく，各トランザクションを検証するために必要な参加ノードの数を制限するメカニズムを見つけ出す必要があります．

すべてのノードがすべてのトランザクションを検証することを許可されていないので，他のブロックが安全であることを保証する統計的および経済的手段がノードに必要です．

スケーラビリティを達成するためには，トランザクションは異なるノードによって並列に処理される必要があります．ただし，ブロックチェーンの状態遷移にはいくつかの非並列化な部分もあるため，並列化と実用性のバランスを取らなければなりません．

次回は，この続きを書いていきます．

私たちが，暗号通貨を普通に用いることには，複数の問題があります．その中でも重要なことは，ボラティリティです．暗号通貨の価格変動が，私たちを不安にします．それゆえ，通常通貨の相対的な安定性と，暗号がもたらすセキュリティと革新性を兼ね備えた安定した通貨，ステーブルコインが必要です．

ステーブルコインについて知っておく必要があるのは，安定性を裏付けるだけの価値を持たせることです．たとえば，円で担保されている安定した硬貨は，戦争や大きな経済危機が国を混乱に陥れない限り，1日でその価値が半分になるようなことにはなりません．

この安定性は，もちろん裏付けとして選択したものによって変化します．

ステーブルコインには，3つのコアタイプがあります．フィアットバック，クリプトバック，ノンバックです．

フィアットバックによるステーブルコインは，その価値を保証するために通貨またはその他の貴重な資産に依存しており，通常は1：1の相関関係にあります．例えば，米ドルです．

クリプトバックは，フィアットバックのように価値が1：1に保証されているわけではありません．代わりに，複数の暗号通貨を1つのステーブルコインと見立てて銀行に預けます．

ノンバックは，通貨の利用拡大こそが価値の保証になります．

ステーブルコインは，その性質より，社会全体に定着する可能性が高いでしょう．

ステーブルコインは現在，いくつかの問題を抱えています．ステーブルコインが，最終的に安定性とトレードオフにある集中化を招くということです．合意形成がここでも課題となるでしょう．