ブロックチェーンのシャーディング

なぜシャーディングが要るのか

パブリックなブロックチェーンの安全性は、/blockchain/consensus-pow-pos/ で述べたとおり、全ノードがすべての取引を再実行して状態を検証する冗長性から生まれます。この「全員が全部を処理する」構造は改竄耐性の源ですが、同時にスループットの上限をネットワーク中で最も非力なノードの処理能力に縛りつけます。ノードを増やしても各ノードが同じ全量を処理する以上、全体の処理能力は増えません——ここが従来型ブロックチェーンの本質的な制約です。

シャーディングは、データベースの水平分割と同じ発想でこれを崩します。台帳全体（状態と取引処理）をN個のシャードに分け、各ノードは自分が担当するシャードの分だけを保持・検証する。全ノードが協調してN個のシャードを並列に処理すれば、理論上は総スループットがN倍に近づきます。要点は、/blockchain/layer2-rollups/ の実行オフロードとは異なり、シャーディングはL1（レイヤー1）の内部で並列度を上げるアプローチだという点です。

データシャーディングと実行シャーディング

「何を分割するか」で、シャーディングは段階的に定義されます。両者は独立した軸であり、実装は下の層から積み上げます。

データシャーディングは最も軽い段階で、実行はせずデータの格納と可用性だけを分割します。各シャードは「取引データの塊」を保持し、誰でも取ってこられる状態にする役割を負います。これは実行を伴わないため合意の複雑さが小さく、/blockchain/layer2-rollups/ が依存するデータ可用性（DA）をL1で安価に供給する土台になります。近年のEthereumが「danksharding」としてデータシャーディング方向へ舵を切ったのは、実行はロールアップに任せ、L1はDAのスケールに専念するという役割分担の結果です。

実行シャーディング（ステートシャーディング）は最難関です。状態そのものを分割するため、各シャードは独立した「小さなブロックチェーン」のように自分の状態を持ち、自分で状態遷移を計算します。並列度は最大化されますが、この瞬間に二つの重い問題が立ち上がります——シャードをまたぐ取引の扱いと、分割による安全性の希薄化です。順に見ていきます。

シャード間通信 — 非同期性と原子性

状態を分割すると、あるシャードのアカウントが別シャードのアカウントへ送金する、といったクロスシャード取引が必然的に発生します。ここで決定的なのは、シャードAはシャードBの内部状態を直接は知らない、という点です。各シャードは自分の状態しか保持しないため、AはBに対してメッセージを送るしかありません。

[シャードA] 送金取引を実行:
    1. 送り主の残高を減らす（Aの状態を更新）
    2. 「Bのアカウントへ +X」というクロスシャードメッセージを生成
              │  （Aのブロックが確定して初めてメッセージが確定）
              ▼  非同期に受け渡し（レシート＋存在証明）
[シャードB] 後続のブロックで:
    3. メッセージの存在をマークル証明で検証
    4. 受け取り側の残高を増やす（Bの状態を更新）

問題は、この処理が二つの別々のシャードの、別々のブロックにまたがって進むことです。ステップ1・2はAのブロックで、ステップ3・4はBの後続ブロックで起きる。両者を単一のトランザクションとして不可分に成立させる素直な方法は存在しません。ゆえにクロスシャード取引は非同期にならざるを得ず、原子性（アトミック性） の担保が中心課題になります。もし片方だけが成立するとどうなるか——Aで残高が減ったのにBで加算されなければ、資金が消滅します。

原子性を守る代表的な手法は二つあります。レシート方式（非同期）は、送信側でメッセージ（レシート）を確定させ、受信側が後からその存在を検証して適用する方式で、単純ですが「送金は減ったが着金前」という中間状態が一時的に見えます。もう一つはロック方式で、/devops/ の分散トランザクションで知られる二相コミットに似た手順で、関与シャードのアカウントを一旦ロックし、全シャードの合意が取れてからコミット、駄目なら中止（アボート）して巻き戻します。ロック方式は真の原子性に近づける一方で、ロック中は該当アカウントが使えず、参加シャードの一つが停止すると全体が滞るライブネスの弱さを抱えます。

セキュリティの希薄化 — 1%攻撃

分割の最大の危険は安全性の希薄化です。直感的には、全バリデータをN個のシャードに割り振れば、1シャードあたりの守り手は全体の1/Nしかいません。すると攻撃者は、ネットワーク全体の過半（例: 51%）を握らずとも、たった一つのシャードの過半を握るだけでそのシャードを乗っ取れてしまいます。

具体的に考えます。全体でN=100シャード、バリデータ割当が一様なら、1シャードに集まる守り手は全体の1/N＝約1%にすぎません。そのシャードを制圧するには、この1/Nの過半を握れば足りる——つまり必要勢力は総勢力の約51%/Nで、N=100なら理論上わずか約0.5%です。この「1シャード＝全体の約1%」という薄さにちなんで、単一シャード奪取攻撃（single-shard takeover）は俗に1%攻撃と呼ばれます（数値は割当が一様な理想化の目安で、正確な閾値は51%/N）。乗っ取られたシャードでは、攻撃者が不正な状態遷移を「合意済み」に見せかけ、偽の残高を作ってクロスシャードメッセージで他シャードへ流し込む、といった攻撃が成立し得ます。

非シャード型:  攻撃には全体の過半（例 >50%）が必要
シャード型(素朴): 1シャードの過半で足りる → 必要勢力 ≈ 全体の (1/2)×(1/N) = 51%/N
                （N=100 なら理論上わずか約0.5%。1シャード自体が全体の約1%）

ここで効くのが、/blockchain/consensus-pow-pos/ のシビル耐性との関係です。PoWでハッシュ power をシャードに分けると、この希薄化がそのまま採掘力の分散を招き致命的になりやすい。PoSがシャーディングと相性が良いとされるのは、ステークを供託したバリデータ集合をプロトコル側が把握でき、無作為に割り当て直せるからです。攻撃者がどのシャードに送られるかを制御できなければ、狙って一つのシャードへ勢力を集中させることができません。

セキュリティ希薄化への対策

素朴なシャーディングの危うさは「攻撃者がシャードを選べる」点にありました。対策は一貫して、その選択権を奪い、乗っ取りを間に合わなくすることに向かいます。

第一の柱は検証可能な無作為性によるバリデータ割当です。各バリデータをどのシャードへ配属するかを、誰も予測・操作できない乱数（分散生成した乱数やVRFなど）で決めます。攻撃者は自分の手駒を狙ったシャードへ送れないため、N分の1に希薄化しても「特定シャードだけを制圧する」計画が立てられません。第二の柱は定期的なシャッフルで、一定期間（エポック）ごとに配属を組み替えます。たとえ運悪くあるシャードに攻撃者が偏っても、その配属は短命で、勢力を維持できないまま解散させられます。

これらを底で支えるのがビーコンチェーン（統括チェーン）です。ビーコンチェーンは各シャードを横断する上位の合意層で、(1) 全シャードが共有する乱数の供給源となり、(2) バリデータの登録とシャードへの割当を管理し、(3) 各シャードのブロックの要約（クロスリンク）を取り込んで全体を一つの信頼の錨に束ねます。個々のシャードが局所的に揺らいでも、ビーコンチェーンが「どの配属が正当か」「どのシャードブロックが確定したか」の唯一の基準を与えるため、クロスシャードの整合とファイナリティが保てます。

もう一つの防御がデータ可用性サンプリング（DAS） です。悪意あるシャードがデータを隠して不正を検証させない攻撃に対し、軽量ノードが各シャードのデータの断片を無作為に抜き取って照合します。多数のノードが少しずつ確認すれば、「一部でも欠けている」状況を高い確率で暴けるため、少数ノードでも巨大なデータの可用性を統計的に保証できます。これはデータシャーディング（danksharding）と/blockchain/zk-proofs-snark-stark/ の消去符号・多項式コミットメントを組み合わせて実現され、DA を安く堅牢にする鍵になっています。

まとめ

• シャーディングは台帳の状態と処理をN個のシャードへ水平分割し、各ノードが一部だけを担って並列処理する。ノードの負荷を一定に保ったまま総スループットを上げるのが狙いで、L1内部で並列度を高める点でロールアップと役割が異なる。
• 分割は**データ→トランザクション→実行（ステート）**の順に難化する。データシャーディングはDA供給に専念でき軽いが、実行シャーディングは各シャードが独立に状態遷移を計算するため最難関。
• 状態分割はクロスシャード取引を生む。シャードは互いの内部状態を知らずメッセージで受け渡すため処理は非同期になり、原子性の担保が中心課題。受信は送信元のファイナリティ確定を待つ必要がある。
• 1シャードあたりの守り手が1/Nに減るため、単一シャード奪取（1%攻撃） が成立し得る。防御は検証可能な無作為割当・定期シャッフル・十分な委員会サイズ・ビーコンチェーンによる統括、そしてデータはDASで可用性を確率的に保証する。
• 攻撃者にシャードを選ばせないことが要諦で、ステークを把握・再配属できるPoSがシャーディングと相性が良い。