非同期

テクノロジーブロックチェーン

非同期はブロックチェーンおよび暗号通貨の技術アーキテクチャにおける基本的な概念で、同時にまたは厳密な順序で完了する必要がないが、独立して実行し、完了時にシステムに通知できる操作を指します。ブロックチェーンネットワークでは、非同期通信と処理メカニズムにより、ノードは完全な同期なしで操作を続けることができ、システムの効率性、スケーラビリティ、耐障害性を向上させますが、同時に様々なコンセンサスと一貫性の課題も提示します。

非同期はどのように機能するのでしょうか？

ブロックチェーンシステムでは、非同期の動作メカニズムは主に以下の側面で現れます：

メッセージの受け渡し：ノード間の通信に時間保証はありません。メッセージは目的地に到達するまでに任意の時間を要するか、全く到達しない場合もあります。
非ブロッキング操作：ノードは受信者からの応答を待たずにメッセージを送信し、すぐに他の操作を続けることができます。例えば、マイナーはブロックをブロードキャストした直後に次のブロックのマイニングを開始できます。
状態の更新：各ノードは受信したメッセージに基づいて独自にローカル状態を更新し、他のノードと同期する必要はありません。新しいブロックを受信した際、ノードは他のノードがそれを行ったかどうかに関係なく、そのブロックを検証し、ローカルのブロックチェーンに追加します。
コンセンサスメカニズムの適応：非同期環境でコンセンサスに達するために、ブロックチェーンシステムは特別なコンセンサスアルゴリズム（例：プルーフ・オブ・ワーク（PoW）やプルーフ・オブ・ステーク（PoS））を採用し、ノードが限られた情報と遅延条件下で決定を下すことを可能にします。
最終的な一貫性：ノードのブロックチェーン状態は短期的には異なる場合があります（一時的なフォーク）、しかし、より多くのブロックが追加されるにつれて（最長チェーンルール）、システムは時間とともに一貫した状態に近づきます。

非同期の主な特徴は何でしょうか？

技術的詳細：

クロック同期の要件なし：非同期システムはグローバルクロックや正確な時間同期に依存しません。
耐障害性：一部のノードがオフラインになったり、メッセージが失われたりしても、システムは操作を続けることができます。
遅延の不確実性：メッセージの配信時間に上限がありません。システム設計は任意に長い遅延に対処する必要があります。
ローカルな意思決定：ノードは利用可能な情報に基づいて独立して意思決定を行い、リアルタイムの調整は必要ありません。

ユースケースと利点：

分散型ネットワーク：地理的に分散したノードで構成されたシステムで、ネットワーク条件が異なる場合に適しています。
高可用性：部分的なネットワーク障害時でもサービス提供を継続できます。
スケーラビリティ：調整コストを大幅に増加させることなく、より多くのノードがネットワークに参加できることをサポートします。
並列処理：複数の操作を同時に実行できるため、スループットが向上します。
レイヤー2ソリューション：ライトニングネットワークやサイドチェーンなどのスケーラビリティソリューションにおける重要なメカニズムです。

非同期のリスクシーンと課題は何でしょうか？

非同期処理はブロックチェーンシステムに多くの利点をもたらしますが、いくつかの重要な課題にも直面しています：

コンセンサスの困難さ：FLP不可能性定理は、純粋に非同期システムでは、わずか1つの障害ノードでも、決定論的コンセンサスは保証できないと述べています。これにより、ブロックチェーンシステムは確率的コンセンサスメカニズムを採用したり、部分的な同期性の仮定を導入したりしています。
一時的なフォーク：メッセージの遅延により、異なるノードが同時に異なる有効なブロックを受信し、一時的なブロックチェーンのフォークが発生し、再編のリスクが高まります。
最終性の遅延：非同期環境では、トランザクションの確認に高い確実性を達成するためにより多くの時間がかかり、迅速な決済を必要とするアプリケーションに適さない可能性があります。
増加した複雑性：非同期条件下で正しく動作する分散システムの設計と実装は、同期システムよりも複雑で、エラーが発生しやすくなります。
調整攻撃の機会：ネットワークの遅延は悪意のあるノードによって悪用され、トランザクションのフロントランニングやイクリプス攻撃などのタイミング攻撃を実行する可能性があります。
パフォーマンスのトレードオフ：非同期環境に対応するために、システムは追加の確認メカニズムを必要とする可能性があり、全体的なスループットが低下し、遅延が増加する可能性があります。
状態の一貫性への課題：非同期システムでネットワーク全体の状態の一貫性を維持するには、一時的な状態の分岐を引き起こす可能性のある複雑なメカニズムが必要です。

将来の展望：非同期の次のステップは何でしょうか？

ブロックチェーン技術における非同期システムの将来の開発は、主に以下の方向に焦点を当てています：

改良された非同期コンセンサスアルゴリズム：研究者は、ハニーバジャーBFTやVABA（Validated Asynchronous Byzantine Agreement）などのより効率的で安全な非同期コンセンサスプロトコルを開発しており、純粋に非同期環境でより強力な保証を提供します。
ハイブリッドコンセンサスモデル：ThunderellaやCasper CBCなどのプロトコルは、同期および非同期システムの利点を組み合わせ、通常のネットワーク条件下で迅速な確認を提供し、ネットワークが劣化しても安全性を維持します。
非同期スマートコントラクトの実行：異なるノード間で契約のロジックを非同期に実行できるようにし、決定論的な結果に影響を与えずに、より効率的な非同期スマートコントラクト実行環境を開発します。
非同期クロスチェーン通信：クロスチェーンブリッジや相互運用性プロトコルにおける非同期メッセージの受け渡しを最適化し、より安全で効率的なクロスチェーン資産の転送と情報交換を可能にします。
非同期環境向けのZKプルーフシステム：非同期環境に適したゼロ知識プルーフシステムを開発し、検証者がリアルタイムの証明者との相互作用なしに非同期で計算の正確性を検証できるようにします。
適応型非同期システム：ネットワークの状態に基づいて非同期のレベルを動的に調整できるインテリジェントシステムを開発し、ネットワークが健全な時にパフォーマンスを最適化し、劣化時にセキュリティを強化します。
プライバシー保護型非同期プロトコル：非同期通信とプライバシー保護技術（例：MPC（マルチパーティ計算）や同型暗号化）を組み合わせ、ユーザーのプライバシーを保護しつつネットワークの遅延を効率的に処理するプロトコルを構築します。