Walrusを解説する――Suiのための分散型ストレージ新解

2024.09.25

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Walrusを解説する――Suiのための分散型ストレージ新解

Sui開発チーム提供、独立型PoSチェーン、新ガバナンストークンWAL、潜在的なエアドロップ機会

2024.09.25 - 11:36:49

WalrusSui

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Sui開発チーム提供、独立型PoSチェーン、新ガバナンストークンWAL、潜在的なエアドロップ機会

執筆：Alex Liu、Foresight News

分散型ストレージネットワークArweaveが計算層AOをリリースし、ARコイン価格やエコシステム、注目度の回復に成功した。まさしく逆境からの反撃と言えるだろう。一方、汎用計算チェーンであるSuiは、分散型ストレージネットワークWalrusを発表したが、これによりどのような波紋が広がるのか。

背景紹介

チーム

Solanaの背後にいる開発会社はSolana Labs、Aptosの背後はAptos Labs、そしてSuiの背後にはMysten Labs（このように独自性を持っている）がある。Mysten Labsの多数の創業メンバーおよび従業員は、Facebook（現Meta）によって解散されたブロックチェーンプロジェクトDiemから来ている。

WalrusはMysten Labsが「プロトコル・プラットフォーム」に分類する最新製品であり、分散型ストレージネットワークである。「Walrus（海象）」という英語名の由来として、公式サイトでは「海象のように力強く」「海象のように適応力が高い」というスローガンがあり、これはストレージシステムとしての信頼性と可用性を伝えるものだ。

Suiとの関係

WalrusはSui上に構築されており、Suiを利用してストレージスペースおよびメタデータの売買を調整する。ただし、Walrusを利用する上でSui上にアプリケーションや製品を構築する必要はなく、新しく導入されるガバナンストークンWALはユーティリティトークンとして機能し、SUIではない。

競合比較

分散型ストレージプロトコルは通常、大きく二つのカテゴリに分けられる。第一のカテゴリは完全複製システムであり、この分野の主な競合であるFilecoinやArweaveが代表例である。このタイプの主な利点は、ストレージノード上にファイルの完全コピーが存在するため、特定のノードがオフラインになってもファイルへのアクセスや移行が容易に行える点にある。このような構成により、ファイルの回復のためにノード間の相互依存が必要ないため、許可不要（permissionless）な環境が実現できる。

この種のシステムにおける信頼性は、選択されたストレージノードの堅牢性に依存する。古典的な「静的攻撃者モデル（static adversary）」の三分の一という仮定と、無限の候補ノードプールを前提とした場合、「12個の9」（すなわち、ファイルアクセス喪失の確率が10^-12未満）という安全性を達成するには、ネットワーク上に25以上のコピーを保存する必要があり、これにより25倍のストレージオーバーヘッドが生じる。さらに、シビル攻撃（Sybil attack）のリスクも存在し、悪意ある行為者が複数のファイルコピーを保持しているかのように装うことで、システムの整合性を損なう可能性がある。

第二のカテゴリの分散型ストレージサービスはReed-Solomon（RS）符号化技術を使用する。RS符号化はファイルを小さな単位（スライス）に分割し、各スライスは元のファイルの一部を表す。スライスの総サイズが元のファイルサイズを超えていれば、元のファイルを復元できる。しかし、RS符号化にも欠点がある。符号化および復号プロセスはドメイン演算、多項式評価、補間などに依存しており、これらは計算負荷が非常に高い。ドメインサイズおよびスライス数が比較的小さい場合にのみ実用的であり、結果として符号化可能なファイルサイズや参加可能なストレージノード数が制限されてしまう。そうでなければ符号化コストが極めて高くなり、分散化の程度が制限される。もう一つの問題は、ストレージノードがオフラインになった際に別のノードに交換する必要があるケースで、完全複製システムとは異なり、データを単純にノード間でコピーすることはできない点にある。RS符号化システムでは、すべての現存ノードが自身のスライスを代替ノードに送信し、その後代替ノードが失われたスライスを復元しなければならない。このプロセスではO(|blob|)のデータがネットワーク上で転送されるため、頻繁な復旧操作は、複製削減によるストレージ節約効果を相殺してしまう。

ストレージが直面する課題

どの複製プロトコルを使用しても、既存のすべての分散型ストレージシステムは以下の2つの追加的な課題に直面している：

ストレージノードがデータを保持しており、破棄していないことを保証するために、継続的な「チャレンジ（検証要求）」が必要となる。ストレージ報酬を提供するオープンな分散型システムにおいてこれは極めて重要だが、現在の手法ではスケーラビリティが制限されている。なぜなら、各ファイルごとに個別にチャレンジを行う必要があるためである。
ストレージノード間の調整が必要になる：誰がシステム内に存在するか、どのファイルがストレージ料金を支払っているかを把握し、参加インセンティブを設計し、チャレンジの実施や乱用防止の仕組みを管理しなければならない。そのため、前述の各システムはカスタムブロックチェーンを実装して取引を実行しており、ストレージプロトコル外に暗号資産を導入しているのである。

核心的な革新

こうした課題に直面する中、Walrusはどのようなイノベーションを持ち、分散型ストレージに対する新たな解決策を提示できるのか？

簡潔に言えば：

誤り訂正符号化（erasure coding）の革新的技術を採用することで、Walrusは非構造化データブロックを高速かつ堅牢に小さなフラグメント（断片）に符号化でき、これらのフラグメントはストレージノードネットワークに分散して保存される。最大で三分の二のフラグメントが失われても、残された部分のフラグメントを使って元のデータブロックを迅速に再構築することが可能である。これにより複製係数をわずか4〜5倍に抑えつつ、既存のクラウドサービスと同等の効率を実現し、分散化と広範な障害耐性のメリットを得ている。

具体的には：

WalrusはRedStuffと呼ばれる、全新の2次元符号化アルゴリズムを導入した。これはビザンチンフォールトトレランス（Byzantine Fault Tolerance）向けに設計されたもので、噴水符号（fountain codes）に基づき、高速処理と高信頼性の両立を実現している。

RedStuffはシンプルな操作（主にXOR、排他的論理和）によってデータを主スライスと副スライスに符号化する。これらのスライスはストレージノードに分散され、各ノードは一意の組み合わせを持つ。異なる次元の符号化に対して、RedStuffは異なる閾値を使用する。主次元ではf+1の復元閾値を採用しており、これは非同期書き込みを可能にする。なぜなら、データブロックの可用性を証明するには2f+1の署名があればよく、これによりすでに3倍の複製係数が形成されるためである。

副次元では2f+1の復元閾値を使用しており、この設計により初めて非同期ストレージ証明が実現され、さらに余分な複製係数は1.5倍に抑えられている。最終的な総複製係数は5倍未満となる。さらに重要なのは、失われたスライスが失われたデータ量に応じて復元可能であり、帯域幅の節約につながる点である。これは2D符号化によるものだ。

RedStuffの利点は以下の通り：RS符号化と比較して、シンプルなXOR操作により符号化／復号速度が大幅に向上。また、ストレージオーバーヘッドが低いため、数百ノード規模への拡張が可能となり、高い弾力性とフォールトトレランス能力を備え、ビザンチン障害下でもデータ復元が保証される。

許可不要プロトコルとして、Walrusはストレージノードの自然流出に対応するため、効率的な委員会再構成（committee reconfiguration）プロトコルを備えている。これにより、データの持続的な可用性が確保される。新しい委員会が2つのエポック間に置き換わる際、再構成プロトコルは可用性ポイント（PoA）を超えたすべてのデータブロックが引き続き利用可能であることを保証する。RedStuffの2D符号化により、状態移行がより効率的になり、一部のノードが利用不可の場合でも、他のノードが失われたスライスを復元できる。