Linera ホワイトペーパーの概要：マイクロチェーン、弾力性バリデーター、マルチチェーンプログラミング

出典：Linera

編纂：flowie，ChainCatcher

AptosやSuiと比較して、a16zが支援するDiemの後継者Lineraの進捗は相対的に遅く、今年6月末にa16zがリードした600万ドルの資金調達を受けて、今日ようやくプロジェクトのホワイトペーパーを正式に発表しました。

Lineraの創業チームのメンバーは、前Zcashや前Meta/Noviのエンジニアや研究者で構成されています。Lineraの創業者Mathieu Baudetは、以前Metaでエンジニアを務め、Diemブロックチェーンの設立を手助けし、Noviのチーフリサーチャーおよびエンジニアとして、FastPayやZefプロトコルの発明に関与していました。

ホワイトペーパーによると、Lineraの技術の一部は、低遅延の支払いプロトコルFastPayやMove言語からのインスピレーションを受けています。そして、革新の一環として、インターネット規模で予測可能な性能、応答性、安全性を持つマルチチェーンインフラを提供するために、同じ検証者グループ内で「マイクロチェーン」と呼ばれる多数の並行チェーンを実行し、各検証者の内部ネットワークを使用してチェーン間で非同期メッセージを迅速に伝達します。

ホワイトペーパーでは、Lineraがブロック空間の不足問題を解決する上で、ブロックチェーンのシャーディングやロールアップなどの既存の解決策の欠陥、Lineraの革新的な提案とアーキテクチャの利点について詳述しています。ChainCatcherはLineraの一部内容を抜粋して編纂しました：

一、Linera：ブロック空間の不足問題を解決する上での既存の提案の欠陥

1、より速い単一チェーン。 単一のチェーンにおけるブロックの生産性は、通常、検証者間のデータ伝播の遅延によって制限されます。歴史的に見て、ブロックサイズは安全要件とネットワーク制約に基づいて取引スループットを最大化するために最初に調整されるパラメータでした。BFTコンセンサスプロトコルの最新の進展により、現在の取引率の新たなボトルネックは、コンセンサスの順序付けではなく、取引の順次実行にあるようです。

実際には、ブロックに含まれる多くの取引は独立しているべきであり、最近のいくつかのプロジェクトは、複数の処理ユニットで取引のサブセットを並行して実行できるアーキテクチャを開発しました。これは確かに取引率の向上をもたらしますが、そのようなシステムの特徴は、依然として毎秒の最大取引数が6桁未満であることです。さらに、有効取引率は、各ブロック内の実際に独立した取引の割合に大きく依存します。要するに、他のユーザーの活動について何の仮定もせずに、ユーザーに事前に手数料や遅延を保証することは不可能です。

最後に、高スループットチェーンでは、CPUの実行要件とデータ同期ネットワーク要件の組み合わせにより、監査検証者がより困難になります。具体的には、順次取引の絶対数が、商品ハードウェアのみを使用するコミュニティメンバーが取引を十分な速度で再生し、検証者の作業を意味のある方法で検証することを妨げる可能性があります。

2、ブロックチェーンのシャーディング。 ブロックチェーンのスケーラビリティを解決する別の人気のある方向性には、実行状態を固定数の並行チェーンに分割し、各並行チェーンが独立した検証者のグループによって運営されるというブロックチェーンのシャーディングが含まれます。このアプローチは改善が続けられていますが、歴史的にはいくつかの課題に直面してきました。

まず、異なる検証者セットを使用すると、安全性のトレードオフが生じます。攻撃者はシステム内で最も弱いグループ（例えば、トークンを鋳造する）を選択的に攻撃する可能性があります。次に、シャードの再構成、つまりユーザーアカウントがクロスチェーンで分散される方法は、広範なネットワーク通信を必要とする複雑な操作です。最後に、シャードの数が増加して追加のトラフィックをサポートする場合、交換されるクロスチェーンメッセージの数も増加します。各シャードに独立した検証者のグループが存在するシステムでは、クロスチェーンメッセージが顕著な遅延を引き起こし、新しいチェーンを追加する影響を相殺します。

3、ロールアップ。 ブロック空間の不足を解決するもう一つの人気のある方法はロールアッププロトコルであり、楽観的または有効性証明（別名ZKロールアップ）に基づいています。高レベルでは、楽観的および有効性ロールアップ（ZK）は、レイヤー1で実行、圧縮、確認されることを目的とした一連の大きなブロックを構築するレイヤー2プロトコルを含みます。不幸なことに、取引を確認するプロセスは、いずれの場合もレイヤー1で長い時間がかかります。楽観的ロールアップは、数日間争いを解決するのを待たなければなりません。有効性ロールアップは、レイヤー1のガスを支払うために多くのレイヤー2取引を一度に圧縮する必要があります。

実際には、十分な数のレイヤー2取引を収集し、有効性証明を計算し、厳格なデータ可用性を強制するために、各レイヤー2ブロックは数時間を要します。長いレイヤー1確認時間は、特定のユーザーが安全性のトレードオフを受け入れ、レイヤー2が特定のアプリケーションに対して最終的な確実性を持つと信じることを促す可能性があります。一般的に、ロールアップはプロトコルを実行する（すなわち活性）ために信頼され、取引を公正に選択する必要があります（マイナーが抽出可能な価値を参照）。最近の去中心化ロールアッププロトコルの設計努力の中で、この懸念が見られます。

二、Lineraの革新点は何か？

上記の提案を観察し、インスピレーションを受けたLineraは、以下の3つの重要な原則に基づいた新しいWeb3インフラの開発を目指しています：

1、弾力的な検証者のグループで複数のチェーンを運営し、予測可能な性能と応答性を持つ安全なインフラを構築すること；

2、新しい実行レイヤーでの作業を通じてマルチチェーンプログラミングを主流にし、スケーラブルなWeb3アプリケーションの豊かなエコシステムを可能にすること；

3、弾力的な検証者が最適なインセンティブを受け、コミュニティによる大規模な監査を確保することで、去中心化を最大化すること。

Lineraの革新点は以下の点に現れています：

1、弾力的な検証者を持つ統合マルチチェーンシステム

予測可能な性能と大規模な応答性を持つWeb3インフラのビジョンを実現するために、Lineraはクラウドインフラを利用し、弾力的な検証者を持つ統合マルチチェーンシステムという新しいマルチチェーンプロトコルを開発しました。

• Lineraでは、検証者はWeb2に似た弾力的なサービスであり、複数のチェーンにおける取引ブロックを並行して検証および実行できます。Lineraシステム内に存在するチェーン（アクティブおよび非アクティブ）の数は無限であり、これらをマイクロチェーンと呼びます。
• 新しいブロックを積極的に拡張するタスクは、検証または実行とは分離され、各チェーンの所有者が担います。すべてのLineraユーザーが自分のチェーンを作成し、そこにアカウントを置くことを奨励します。
• 各検証者はすべてのマイクロチェーンを管理します（これを統合マルチチェーンアプローチと呼びます）。マイクロチェーンは非同期メッセージを使用して相互作用し、それ以外は独立して運営されます。したがって、検証者は多くの内部シャード間で作業量を分配することで弾力的にスケールできます。各検証者の内部ネットワークを使用して、チェーン間の非同期メッセージを効果的に実現します。
• マイクロチェーンの新しいブロックの受け取り方は異なる場合があります。自分のチェーンを拡張する際、ユーザーは信頼できるブロードキャストに触発された低遅延のメモリプールなしのプロトコルを使用して、直接検証者に新しいブロックを提出します。ユーザー間でより複雑な相互作用が必要なアプリケーションは、オンデマンドで作成される一時的なマイクロチェーンに依存する可能性もあります。実際、Lineraインフラが所有する公共のマイクロチャネルには完全なBFTコンセンサスプロトコルがあります。
• 検証者間のマイクロチェーンの同期はチェーンの所有者に委任されます。これは、非アクティブなマイクロチェーン（ブロックを作成しないもの）は、ストレージを除いて検証者にコストをかけないことを意味します。

弾力的な検証者の使用はLineraの独自の仮定です。 Lineraは、Lineraコミュニティが新しい検証者が選択できるさまざまなクラウドプロバイダーをサポートすることを意図しています。Lineraの最初のインスピレーションは、Metaが開発した低遅延支払いプロトコルFastPayから得られました。Lineraは、ユーザーアカウントをマイクロチェーンに変換し、スマートコントラクトを追加し、チェーン間の任意の非同期メッセージをサポートすることで、FastPayを大幅に推進しました。

2、マルチチェーンプログラミングを主流にする

Lineraは多くのチェーンを独自の検証者グループに統合します。各検証者の内部ネットワークにより、クロスチェーン通信が大幅に促進されます。これは初めて、さまざまなWeb3アプリケーションが安価で効率的なマルチチェーンアーキテクチャを利用して弾力的にスケールする機会を得ることを意味します。マルチチェーンプログラミングの採用を促進するために、以下の設計選択がなされました：

• Lineraの実行モデルは、言語に依存せず、開発者に優しいように設計されています。Lineraの初期SDKはWasmに基づき、Rustプログラミング言語をターゲットにします。
• Lineraアプリケーションは、組み合わせ可能でマルチチェーンです。一度アプリケーションが作成されると、任意のチェーン上で実行できます。同じアプリケーションの実行インスタンスは、非同期メッセージとパブリッシュ/サブスクライブチャネルを使用してクロスチェーンで調整されます。同じマイクロチェーン内で実行されるアプリケーションは、クロスコントラクト呼び出しと一時的なセッションオブジェクトを使用して相互作用します。

LineraのセッションオブジェクトはMove言語のリソースからインスピレーションを受けています。Moveの静的型リソースは、組み合わせ可能性を向上させるために提案されています。Lineraでは、クラスリソースの組み合わせ可能性は、セッションハンドルとランタイムチェックを使用することで実現されます。例えば、トークンを送信するために、Lineraコントラクトはトークンを含む一時的なセッションの所有権を移転できるようになります。一般的に、大規模な開発者コミュニティを構築することは、ブロックチェーンインフラの採用において重要な要素です。Wasmエコシステムがその多言語ツールを継続的に改善しているため、Lineraは複数の開発者コミュニティにサービスを提供する長期的な可能性を持っています。

3、弾力的な検証者の堅牢な去中心化

古典的な「ブロックチェーンの三難困境」は、スケーラビリティ、安全性、去中心化を同時に実現することが困難であると主張しています。この観察は固定容量の検証者にとって確かに当てはまりますが、Lineraは、弾力的な検証者のために満足のいく去中心化の概念を定義し、実施するための努力が不十分であると考えています。

• Lineraは委任証明（DPoS）に依存して安全性を確保し、定期的に検証者セットの変更をサポートします。 ブロックのリンクにより、過去の取引、クロスチェーンメッセージ、および各マイクロチェーンの実行状態は不変です。
• マイクロチェーンは独立して監査可能に設計されています。 これは、Linera全体がコミュニティによって商品ハードウェアのみを使用して分散的に監査されることを意味します。ブロックチェーンコミュニティは、ロールアップの文脈でパフォーマンスを向上させるために大規模な検証者を使用し、去中心化を維持するためにコミュニティ駆動の検証者を使用することについて議論してきました。Lineraプロジェクトの進展に伴い、有効性（ZK）証明とロールアップに関する技術の進歩に引き続き注目していきます。

四、Lineraアーキテクチャの利点

Lineraは、インターネット規模で予測可能な性能、応答性、安全性を持つ最初のマルチチェーンインフラを提供することを目指しています。そのために、Lineraは同じ検証者グループ内で「マイクロチェーン」と呼ばれる多数の並行チェーンを実行し、各検証者の内部ネットワークを使用してチェーン間で非同期メッセージを迅速に伝達するというアイデアを導入しました。Lineraは、このアーキテクチャには多くの利点があると考えています：

弾力的なスケーリング。 Lineraでは、スケーラビリティはチェーンを追加することで得られ、ブロックのサイズや速度を増加させることで得られるものではありません。各検証者は、マルチチェーンアプリケーションの名目上の性能を維持するために、いつでも容量（内部スタッフとも呼ばれる）を追加または削除できます。

応答性。 マイクロチェーンが単一のユーザーによって操作される場合、Lineraは信頼できるブロードキャストに触発された簡略化されたメモリプールなしのコンセンサスプロトコルを使用します。これにより、ブロックの遅延が減少し、最終的にWeb3アプリケーションがより応答性を持つようになります。

可組み合わせ性。 他のマルチチェーンシステムと比較して、低いブロック遅延は可組み合わせ性にも寄与します：新しいブロックを迅速に追加することで、他のチェーンからの非同期メッセージを受け取ることが可能になります。

チェーンの安全性。 すべてのマイクロチェーンが同じ検証者グループ内で運営されることの利点は、チェーンの作成がLineraの安全モデルに影響を与えないことです。

権力の分散。 Lineraは委任証明（DPoS）に依存して安全性を確保します。各マイクロチェーンは商品ハードウェア上で独立して実行できます。これにより、顧客や監査者は自分の検証を継続的に実行し、検証者に責任を持たせることができます。

言語の「不可知論者」。 Lineraのプログラミングモデルは特定のプログラミング言語に依存しません。慎重に検討した結果、Lineraは初期の実行レイヤーでWasmとRustに集中することを決定しました。