高速アプリケーションを核とするTONの技術的ロジックを一文で理解する

2023.12.07

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高速アプリケーションを核とするTONの技術的ロジックを一文で理解する

TONロードマップの技術的な部分では、TONの速度およびスケーラビリティの強みをさらに推進していく。

2023.12.07 - 03:02:52

TON

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TONロードマップの技術的な部分では、TONの速度およびスケーラビリティの強みをさらに推進していく。

執筆：北大ブロックチェーン協会 Kiwi

TONは高速アプリケーションを核とする技術的ロジックを持つ。TONはTelegramに由来し、トランザクションはメッセージを通じて直接ブロックチェーンに記録され、P2P通信をサポートする。

非同期メッセージ伝達：FunCを関数開発言語として採用しているため、TONにおける各ノード間の通信は「メッセージ」の送信によって行われるが、TONは非同期チェーンであるため、チェーン間のメッセージ同期を正確に行うために論理時間（lt）の概念を導入しており、メッセージのlt値が厳密な順序で実行されることで情報の正しく処理されることが保証される。
超立方体によるメッセージルーティング機構：TONは通常ルートと高速ルートの両方を採用。通常ルートではキューブ構造により隣接ノードを経由してシャード間のメッセージを転送し、高速ルートでは超立方体のエッジに沿ってMerkle証明を中継することでメッセージの転送速度を向上させる。
PoS+BFTコンセンサスはエコシステム発展に有利：PoSはブロック生成時の大量計算を回避でき、効率が高くコストも低く、ネットワーク性能が良好でDAppの実用化に適している。またDPOSの方が速いものの、信頼性や速度はBFTシステムより遅いため、TONはBFTを採用している。

TONの動的マルチシャーディングアーキテクチャはアプリケーションのスケーラビリティを容易にする：並列照会により速度を向上させ、動的シャーディングにより照会精度を高め、「bag of cells」により拡張性を強化する。

動的マルチシャーディングアーキテクチャ：TONには3層があり、単一のマスターチェーン＋複数のワーカーチェーン＋動的に増減・分割可能なシャードチェーンからなる。各シャードチェーンは各種アカウントチェーンの集合体であり、DAppは任意のシャードチェーンを自主的にアクティブ化できる。
迅速に更新可能なグローバルステート：DAGに類似した「bag of cells」構造でグローバルステートを更新し、新旧2組のcellsを連結した上で古いrootを削除することで迅速に更新を行う。また、垂直ブロックによる修復方式を採用している。

TONは今後も技術フレームワークの最適化を継続する：並列拡張、シャードツールの提供、ノード検査の強化などを通じて、TONの速度およびスケーラビリティの優位性をさらに推進していく。

ブロックチェーンのスケーリング課題

ブロックチェーンのスケーリングは重要な技術的課題であり、ブロックチェーン技術の発展を推進する鍵の一つである：ブロックチェーンアプリケーションの継続的な成長とユーザー数の増加に伴い、既存のブロックチェーンネットワークはしばしばスループット不足やトランザクション確認時間の長さに直面している。従来のブロックチェーン設計は大規模取引処理や多数ユーザーの需要に対応する能力に制限があり、これによりネットワークの混雑、高い手数料、低い効率といった問題が生じている。

ブロックチェーンのスケーリング課題は主に分散型アーキテクチャとコンセンサスメカニズムに起因する：まず、ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムと分散特性により、ネットワーク内のすべてのノードが全トランザクションを検証・記録する必要があるため、ネットワークのスループットが制限される。また、セキュリティと非中央集権性を確保するため、すべてのノードが完全なブロックチェーンのコピーを保持しなければならず、ストレージとデータ転送の負担が増大する。

このスケーリング課題を解決するため、研究者たちはさまざまなスケーリングソリューションを提案している：シャーディング（Sharding）、サイドチェーン（Sidechains）、レイヤー2ソリューション（Layer 2 solutions）などがあり、これらの手法はネットワークをより小さな部分に分割したり、独立したブロックチェーンを導入したり、メインチェーン上に追加構造を構築することでネットワークのスループットとパフォーマンスを向上させようとしている。しかし、これらは新たな技術的課題やセキュリティリスクも引き起こす。例えば、シャード間通信、クロスチェーン資産移転、コンセンサス設計などである。

シャーディング：基本的な考え方は、ブロックチェーンネットワーク全体を複数の小さな断片（シャード）に分割し、それぞれのシャードが独立して一部のトランザクションとデータを処理すること。トランザクションとデータを異なるシャードに分散させることで、ネットワーク全体のスループットとパフォーマンスを向上できる。しかし、シャード間の通信やクロスシャード取引における安全性・整合性の問題が残っており、また、コンセンサスメカニズムの設計と実装も整備する必要がある。
サイドチェーン：サイドチェーン技術は、メインチェーン（主要ブロックチェーン）と相互接続された独立したブロックチェーンを作成・運営する方法である。サイドチェーンはメインチェーンとの双方向資産移転が可能で、独自のルールと機能を持つ。その基本原理は、一部のトランザクションをメインチェーンからサイドチェーンに移管処理することで、メインチェーンの負荷を軽減し、拡張性と柔軟性を高めること。ただし、双方向資産移転には資産の安全性・整合性を保証するセキュリティ機構とプロトコルが必要であり、また、メインチェーンとの互換性・相互運用性も考慮しなければならない。
Rollup：基本原理は、多数のトランザクションデータをチェーン外のサイドチェーンに保存し、それらの要約情報をメインチェーンに提出して検証するもの。その利点は、ブロックチェーンネットワークの拡張性とパフォーマンスを大幅に向上できることで、トランザクションデータをサイドチェーンに保存し、メインチェーンで検証することで、メインチェーンのストレージと計算負担を大きく削減できる。しかし、中央集権化やセキュリティの懸念も存在する。
新しいコンセンサスメカニズム：例としてSolanaのPOHがあり、各トランザクションに関連付けられたタイムスタンプにより、検証可能な時系列をブロックチェーンに提供する。この時系列によりトランザクションの順序と時間を検証でき、コンセンサスプロセスの通信コストと遅延を削減できる。SolanaはTPSが65,000に達すると主張しているが、実際の大部分はノード間通信であり、真のデータ上限は6-8k（日常は4-5k）程度である。

TONブロックチェーンはTelegramに由来し、当初からの理念は多数ユーザーへのサービス提供にある：Telegramは世界で最も人気のあるソーシャルプラットフォームの一つで、月間アクティブユーザーは8億人を超え、毎日数百億件のメッセージが送信されている。TONはTelegramのWeb3転換の一環として、その設計理念は少数ユーザーではなく数十億人のユーザーを想定したものとなっている。

TONの技術アーキテクチャ

適応型無限シャーディングマルチチェーン設計

TONのシャーディングはボトムアップ方式である：一般的なブロックチェーンシャーディングはトップダウン方式を採用し、まず単一のブロックチェーンを作成し、それを複数の相互作用するブロックチェーンに分割して性能を向上させる。一方、TONのシャーディングはボトムアップ方式を採用しており、アカウントチェーンをシャードチェーン（Shardchain）として組織し、アカウントチェーン（Workchain）がシャードチェーン内では純粋に仮想的または論理的な形態として存在する。TONは複数のチェーンによる並列処理を実現し、「blockchain of blockchains」と呼ばれている。この方式により、システム性能を効果的に向上できる。

TONは動的シャーディングアーキテクチャである：マスターチェーン、ワークチェーン、シャードチェーンの3つに分かれる。マスターチェーンは調整を担当し、各ワークチェーンとシャードチェーンが実際のトランザクション処理を行う。さらに、TONのシャーディングは動的であり、各アカウントが1つのシャードチェーンとして、アカウント間の相互作用関係に応じて自動的に大きなシャードチェーンに統合され、動的拡張のニーズに対応できる。

マスターチェーン：唯一1本のみ存在し、プロトコルのパラメータ、バリデータセットおよびそのシェア、現在稼働中のワークチェーンおよび下位のシャードチェーンを記録する。下位チェーンは最新ブロックのハッシュをマスターチェーンに提出し、クロスチェーンメッセージ読み取り時に最新状態を特定できるようにする。
シャードが極限まで到達した場合、最終的に各シャードチェーンは1つのアカウントまたはスマートコントラクトのみを保持することになる。これにより、単一アカウントのステートとステート変換を記述する多数の「アカウントチェーン（account-chains）」が生まれ、これらが相互に情報をやり取りし、シャードチェーンによってワークチェーンが構成される。
ワークチェーン：シャードチェーンの集合体として存在する仮想的概念であり、システムは最大で2^32本のワークチェーンを収容できる。各ワークチェーンは相互運用性基準を満たす限り、トランザクションタイプ、トークンタイプ、スマートコントラクト、アドレス形式などのルールを柔軟にカスタマイズできる。ただし、すべてのワークチェーンは同じメッセージキュー形式を持たなければならず、メッセージ交換が可能となる。当然ながら、これはすべてのワークチェーンがほぼ同等のセキュリティ保証を持つ必要があることを意味する。
シャードチェーン：処理効率を向上させるため、負荷が高くなると自動的に分裂し、負荷が低下するとマージする。各ワークチェーンはさらにシャードチェーンに分割され（最大2^60）、作業をすべてのシャードチェーンに分散させ、各シャードチェーンは一部のアカウント集合にのみサービスを提供する。

情報伝達メカニズム

Message：TONはFunCのsend_raw_message関数を使用して開発されており、TONの各ノード間で伝達されるものは「message」と呼ばれる。TONにおけるトランザクションは、最初にトリガーされるインバウンドメッセージと、他のコントラクトに送信される一連のアウトバウンドメッセージで構成される。

Hypercube Routing：立体構造に基づく情報伝達メカニズムであり、あるシャードチェーンのブロック内で作成されたメッセージを、目標のシャードチェーンの次のブロックまで迅速に伝達・処理できるようにする。

非同期メッセージ伝達

非同期呼び出しには同期問題がある：同期型ブロックチェーンでは、1つのトランザクションに複数のスマートコントラクト呼び出しが含まれる。一方、非同期システムでは、ユーザーが同一トランザクション内で対象スマートコントラクトの即時応答を得ることはできない。なぜなら、コントラクト呼び出しには数ブロック分の時間がかかる可能性があり、送信元ブロックと目的ブロック間のルーティング距離がこのプロセスに影響を与えるためである。

無限シャーディングを実現するためには、メッセージの完全な並列化を保証する必要があり、これにより論理時間の概念が導入される：TONでは、各トランザクションは単一のスマートコントラクト上で実行され、メッセージを通じてコントラクト間通信を行う。そのため、非同期チェーンで使用される論理時間（Lamport時間、以下ltと略称）の概念が登場し、チェーン間のメッセージ同期を実現する。つまり、各メッセージにはlt値が割り当てられ、イベント間の関係を追跡し、バリデータが優先して処理すべきイベントを判断するのに使用される。

メッセージのltは厳密な順序で実行され、操作の論理的整合性を保証する：あるアカウントから送信されたメッセージと、そのアカウント上で発生したトランザクションは厳密に順序付けられ、生成されるトランザクションのltはメッセージのltより大きくなる。また、あるトランザクション内で送信されるメッセージのltは、そのメッセージを引き起こしたトランザクションのltより厳密に大きくなる。さらに、複数のメッセージが存在する場合、ltが小さい方が優先的に処理される。

メッセージ超立方体ルーティング機構

TONは高速ルートと低速ルートを並行して運用する：

低速ルート：より安定かつ伝統的なクロスチェーン情報処理手法。情報は送信元チェーン上でブロックにパッケージ化され、リレーヤー（relayer）を通じてあるシャードチェーンから別のシャードチェーンに伝達される。複数の中間シャードチェーンを経由することも可能。すべてのシャードチェーンが「ハイパーキューブ」構造を形成し、メッセージはこの超立方体のエッジに沿って伝播する。検証者による検証後、別のブロックにパッケージ化される。

低速ルートの利点は、すべての情報が完全なブロック承認プロセスを経るため、高いセキュリティと非中央集権性を持つことにある。N規模のシャードチェーン超立方体ネットワークでは、必要なルーティングホップ数はhop = log16(N)となる。したがって、わずか4つのルーティングノードがあれば、百万レベルのシャードチェーンをサポートできる。

高速ルート：低速ルートではメッセージが超立方体のエッジに沿って伝播するが、速度向上のため、高速ルートではメッセージの宛先シャードチェーンに属する検証者が事前にメッセージを処理し、Merkle証明を提供して受領通知を送信し、転送中のメッセージを破棄することができる。

高速ルートはより速く（ノードが最適パスを見つけられる）、二重送信も防止できるが、検証者が受領通知を失ったとしても罰則を受けないため、一定のセキュリティリスクがあるため、低速ルートを完全に置き換えることはできない。

シャードチェーンのグローバルステート

「bag of cells」：DAGに類似した形式で更新されるcellの集合。新規ステートを独自のrootを持つ別の「bag of cells」として表現し、新旧2組のcellsを連結した上で古いrootを削除する。

垂直ブロック修復：TONのシャードチェーンにおける各ブロックは実際には単一ブロックではなく、チェーン構造を持っている。誤ったシャードチェーンのブロックを修復する必要がある場合、新しいブロックが「垂直ブロックチェーン」に提出され、ブロックの置き換えが行われる。

コンセンサスメカニズム

PoSネットワークには3つの役割が存在する：

検証ノード：ハードウェア条件を満たし、30万TONをステーキングすることでネットワークセキュリティの維持に参加できる。
すべてのブロックは100〜1000の選定ノードによって作成され、ノードは毎月選出され、選出時にステーキングしたTONコインをロックする必要がある。在任期間中、選ばれたノードは複数の作業グループに分けられ、新しいブロックを作成する。各新ブロックが作業グループ内の2/3以上のステーキングノードから署名を得れば作成成功となる。悪意ある行動があればスラッシングされ、資格を剥奪される。
フィッシャーマン：無効な証明を送信することで、検証ノードが検証タスクを適切に完了しているかを監視する。いわば監督者の役割である。
校正者：検証者に新しいシャードチェーン候補ブロックを提案し、ブロックが選ばれれば報酬を得る。そのシャードチェーンのステートと隣接シャードチェーンのデータを検証し、検証ノードに送信する責任を持つ。

BFT：TONは検討の結果、DPOSの方が速いものの、その信頼レベルと速度はBFTシステムよりも遅いと判断し、最終的にBFT（ビザンチンフォールトトレランス）を選択した。

TONの新フレームワークはTGの高速情報伝達を支えることができる

TONは動的マルチシャーディングアーキテクチャにより高速なトランザクション処理速度とファイナリティを実現する：TONは各ユーザーウォレットに対して1つのチェーンを作成でき、シャードの並列計算、即時クロスシャード通信、TVMによる非同期計算が高TPSの理論的基盤を構成している。

TONは情報伝達メカニズムによりさらなる拡張性を実現する：TONブロックチェーンでは、スマートコントラクト間の呼び出しは非同期的であり、アトミックではない。つまり、あるスマートコントラクトが別のスマートコントラクトを呼び出すとき、その呼び出しは即座に実行されるわけではなく、トランザクション終了後の将来のいずれかのブロックで処理される。この設計により、すべてのトランザクション処理を1ブロック内で完結させる必要がなくなるため、拡張性が高まる。