「ブロックチェーンのトライレンマ」とは、2017年にイーサリアムの共同創設者の1人であるヴィタリック・ブテリンによって提唱された理論です。これは、ブロックチェーン技術内での分散化、セキュリティ、スケーラビリティのバランスをとるという課題を強調しています。これらの3つの特性は、しばしば相互に絡み合っており、1つを向上させることが他のものとのトレードオフを招き、トライレンマとして知られるものを形成しています。

ブロックチェーンの三難

分散化

ブロックチェーン技術の基本的な特徴の一つは分散化です。分散ストレージと計算能力を利用することで、ブロックチェーンネットワークはすべてのネットワークノードが平等な権利と責任を持つことを確認しています。この設定により、データや取引がすべての参加者にオープンに見える透明性が実現されます。さらに、ブロックチェーンの分散構造はデータコピーが複数のノードに広がることで、セキュリティと安定性が向上します。
ブロックチェーンは信頼証明書ではなく暗号アルゴリズムに基づいて動作するため、仲介者や信頼できる機関の必要性をなくし、従来の信頼メカニズムを簡素化します。ブロックチェーンの特徴を通じて、関係者は第三者の介入なしに信頼を築き、協力することができます。
ただし、ブロックチェーンネットワークの分散型の性質は、すべてのノード間での合意が必要であり、これにより処理速度が遅くなり、取引確認時間が長くなる可能性があり、システムのパフォーマンスとスケーラビリティが著しく制約されることがあります。

セキュリティ

セキュリティは、悪意のある攻撃に耐えるために不可欠なブロックチェーンネットワークの基本的な要素です。堅牢なブロックチェーンネットワークは、そのような攻撃に抵抗する能力を持たなければならず、セキュリティの欠如はブロックチェーンシステムの真の価値を損なう可能性があります。
ビットコインのブロックチェーンのセキュリティを例にとると、暗号技術とProof of Work（PoW）の合意メカニズムが組み合わされています。暗号的な観点から、各ブロックにはハッシュ値として知られるユニークなデジタル署名があります。データの変更があると、ハッシュ値も変化し、データが改ざん防止された形で安全にリンクされます。PoWメカニズムでは、ノードが複雑な数学的問題を解いて取引を検証し、新しいブロックを作成する必要があります。攻撃者は、成功した攻撃を行うためには計算能力の過半数を制御する必要があり、データの整合性とネットワークの安定性を守ります。さらに、ネットワーク参加者の増加はセキュリティを向上させ、悪意のある行為者がシステム全体を制御するのをより難しくし、"51%攻撃"のリスクを軽減します。
セキュリティを最優先にしながらも、PoWや暗号技術などの技術は計算の複雑さによってブロックチェーンの拡張性に影響を与える可能性があり、効率に影響を与えることがあります。

スケーラビリティ

スケーラビリティとは、ブロックチェーンシステムが取引情報を処理する能力を指します。ブロックチェーンシステムのスケーラビリティは、しばしばTPS（1秒あたりの取引数）で測定される取引処理性能に大きく依存しています。既存のブロックチェーンシステムは、大規模な取引を処理する際に重大なパフォーマンスの問題に直面しており、スケーラビリティは現在のブロックチェーン開発における重要なボトルネックとなっています。
分散型ブロックチェーンシステムでは、すべてのトランザクションについてすべてのノードでコンセンサスが必要とされ、システムのセキュリティと分散化が確保されますが、スケーラビリティが制限されます。ノード数が増加すると、トランザクションの検証にかかる時間と帯域コストも上昇し、システムのパフォーマンスが低下します。現在、ビットコインのネットワークのTPSは約7、イーサリアムのネットワークのTPSは約14であり、これは世界的な支払いプラットフォームであるVisaが処理する約63,000 TPSの平均とは対照的です。主要なブロックチェーンシステムの低いTPSは、実際の応用において重大な障害となります。
さまざまな技術的な仕組みを通じて取引効率を向上させることは可能ですが、Solanaが平均TPS 2000を達成したり、ICPが平均TPS 3000に達したりするなど、これらの進歩は避けられず、ブロックチェーンの分散化にある程度影響を与えます。

ブロックチェーンの不可能三角形の現在の状況

2022年のブルームバーグのレポートによると、9月時点で、ビットコインは秒間7取引を処理するのに苦労しており、2番目に人気のあるイーサリアムネットワークは秒間約15取引を処理しています。従来の取引プラットフォームと比較すると、これは非常に遅く、自分自身の存在を疑問に感じさせるほどです。
ブロックチェーン技術が将来的により多くのユーザーに対応し、従来のプラットフォームと同じ数のユーザーに直面する場合、スケーラビリティはブロックチェーンのアップグレードにとって避けられない道です。ただし、ネットワークの拡大には参加者数の削減が必要で、これがブロックチェーンの中核である分散化に影響を与えます。さらに、参加者数の減少は攻撃の可能性を高め、それによってセキュリティが危険にさらされることにつながります。
これらの3つの側面を調和させることができない状況では、人々は依然として分散化を選択し、ブロックチェーンの中心目標であるセキュリティをネットワークの礎石としています。この「不可能な三角形」の中で、単一チェーン上での取引数の処理が著しく制限されるため、スケーラビリティはブロックチェーンの開発におけるボトルネックとなります。
結論として、現在のブロックチェーンの状況において、分散化とセキュリティが密接に結びついているとき、スケーラビリティを実現することはしばしば困難となります。これらの3つの要素の間のトレードオフは、不可能な三角形の形成につながります。

ブロックチェーンの三位一体の問題への解決策

実用的な応用では、すべての側面をバランスよく取り組む完璧な解決策はまだ現れていませんが、継続的な努力と実験によっていくつかの広く採用された解決策が生まれています。

レイヤー-1ソリューション

Layer-1 solutionsは、ブロックチェーン技術の基盤プロトコルを改善し最適化することを指し、全体のネットワークの性能、セキュリティ、および拡張性を向上させます。ブロックチェーンの基礎プロトコルを調整しアップグレードすることで、より高い取引スループット、低い取引コスト、および改善された分散化が実現されます。
Layer-1ソリューションの典型例は、Proof of Work（PoW）コンセンサスメカニズムからProof of Stake（PoS）に移行したEthereum 2.0であり、これにより取引確認速度とネットワークの拡張性が向上し、エネルギー消費が削減されました。もう1つ注目すべき例は、Solanaブロックチェーンで、新しいコンセンサスアルゴリズムであるProof of Historyを利用して、数千回/秒の取引処理能力を実現しつつ、低い取引手数料を維持しています。

Layer-2ソリューション

Layer-2ソリューションは、ブロックチェーンの基礎プロトコルの上に構築されたスケーラビリティソリューションであり、取引処理速度を向上させ、コストを削減し、ユーザーエクスペリエンスを向上させ、基礎となるブロックチェーンネットワークの負担を軽減することを目的としています。これらのソリューションは、トランザクションを解決し、データをオフチェーンで処理することで、効率的なスケーラビリティを実現し、メインチェーンに直接影響を与えることなく、基礎となるブロックチェーンのセキュリティと分散機能を維持します。
典型的なLayer-2ソリューションは、ビットコインネットワーク向けのライトニングネットワークであり、高速かつ低コストのマイクロトランザクションを可能にし、ビットコインのメインチェーン上のトランザクション負荷を軽減します。別の例として、イーサリアムのLayer2ソリューションであるロールアップがあり、大量のトランザクションデータを1つのブロックに圧縮し、イーサリアムのスケーラビリティとスループットを大幅に向上させながら、セキュリティと分散性を維持します。これらのLayer2ソリューションは、ブロックチェーンネットワークにより高い効率とスケーラビリティをもたらし、ユーザーにより良い取引体験を提供します。