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ブロックチェーンプロジェクトにとって、ブロックチェーンに基づくコンセンサス層は最も重要な基盤アーキテクチャであり、コンセンサス層の設計はネットワーク全体の効率、安全性、分散化の程度などを直接決定します。現在、多くの新しいパブリックチェーンの台頭は、DeFi Summerのアプリケーションの爆発後、イーサリアムのチェーンのキャパシティ不足の問題が拡大し、トラフィックの外部流出を引き起こしたことに大きく起因しています。

単純なパブリックチェーンと比較して、ストレージパブリックチェーンは比較的細分化された機能的ネットワークですが、データ処理効率の要求は一般的なパブリックチェーンに劣りません。その理由は、現在のパブリックチェーンが効率を追求するために、多くの場合、チェーン上では最終的な状態確認の場としてのみ機能し、複雑な内容をチェーン外で実行することが多いためです。

Web3.0の基盤インフラとして、分散型クラウドストレージネットワークCESS（Cumulus Encrypted Storage System）は、設計当初から分散化の理念を堅持し、「情報のオンチェーン」レベルで可能な限りの満足を実現し、高効率のオンチェーン処理効率を利用して分散化による非効率問題を回避し、「分散」と「効率」という二つの対立面の良好なバランスを実現しています。

1、ランダム選択ローテーションコンセンサスノードメカニズム（R²S）

チェーン上のトランザクション処理効率を向上させつつ、ノードの分散化を実現するために、CESSは革新的なランダム選択ローテーションコンセンサスノードメカニズム（R²S）を採用してブロックのパッケージングやその他のオンチェーントランザクションを実現しています。文字通り、このメカニズムでは、オンチェーンコンセンサスを完了するノードはローテーションであり、時間の経過とともに変化します。一方で、いわゆる「ローテーション」は選択においても「ランダム」であり、文字通りの意味から、CESSは一定の時間ウィンドウ内で一定数のローテーションノードがコンセンサスの維持を担当し、選択のランダム性を通じて分散化の程度を保証します。

しかし、実際のR²Sは見た目ほど単純ではありません。

1.1「ランダム」と「ローテーション」を実現する方法

実際、ブロックチェーンで最も重要な点はコンセンサスの問題ですが、R²Sのコンセンサスメカニズムを説明する前に、このメカニズムにおけるノードに関連する問題を紹介する必要があります。

R²Sメカニズムでは、ノードオペレーターになりたいすべてのユーザーが自由に候補ノードに参加できますが、各時間ウィンドウ内（例えば、1万ブロックごと）に11の正式なローテーションノードのみがブロック生成に参加します。ブロック生成に参加しない候補ノードも、データの前処理プロセスに参加することで自らの作業能力を証明し、次の正式なローテーションノードの選択に参加できます。このプロセスでは、ネットワークは各ノードに対して信用スコアを付与し、ノードが作業中にネットワーク全体の利益を損なう行動を取った場合、そのスコアが低下します。スコアがある基準線を下回ると、そのノードは候補ノードの競争に参加できなくなります。

ここで簡単に説明すると、CESSではユーザーがアップロードしたデータは一度データの前処理を経てからノードに割り当てられ、ストレージされます。前処理にはデータのシャーディング、暗号化、冗長性などのプロセスが含まれます。具体的な内容は、後続のストレージの具体的なプロセスで示します。

メカニズムの全体的な運用プロセスを見てみましょう：まず、ネットワークはすべての候補ノードからランダムに11のローテーションノードを選択し、固定された時間ウィンドウ内でブロック生成などのコンセンサスの維持作業を完了します。一方、候補ノードはデータの前処理プロセスに参加し、自らの作業能力を証明します。ローテーションノードが当番の間、ネットワークは条件を満たす候補ノードの中から再度ランダムに11のノードを選択し、次の時間ウィンドウ内の正式なローテーションノードとしてコンセンサスの維持を行います。このプロセスは繰り返されます。

このプロセスの中で、個別の正式ノードが故意に悪事を働いたり、ネットワークの要求を満たせない問題が発生した場合、強制的にオフラインになると、ネットワークは候補ノードからランダムにノードを選び、当番を補充します。したがって、コンセンサスノードのオペレーターにとって、候補ノードであってもネットワークへの継続的な貢献を維持する必要があり、これにより報酬を得る可能性が大幅に増加します。

1.2ビザンチンフォールト耐性と検証可能なランダム関数

具体的なノードの入退出メカニズムを理解した後、次はブロックチェーンの核心的な問題です：分散化の前提の下で、オンチェーンデータの正確性をどのように保証するか。この点において、CESSはより高い安全性を持つビザンチンフォールト耐性と検証可能なランダム関数を採用してコンセンサスの安全性を確保しています。

1.2.1 ビザンチンフォールト耐性

CESSはPBFTコンセンサスアルゴリズムを参考にし、閾値署名アルゴリズムと収集者の役割を導入して高可用性のビザンチンフォールト耐性コンセンサスアルゴリズムを実現しています。このアルゴリズムは、ネットワーク内に悪意のあるノードが存在しても、オンチェーンコンセンサスを達成できることを保証します。

このアルゴリズムの11の当番コンセンサスノードは、主ノードと副ノードに分かれます。副ノードはタスクに応じて、転送ノードと収集ノードの2つの役割を持ちます。各ラウンドのコンセンサスプロセスでは、主ノードがクライアントからのリクエストを受け取った後、トランザクションをパッケージ化してブロックにし、すべての副ノードに送信します。その後、転送ノードは確認と署名メッセージを収集ノードに転送します。収集ノードは閾値署名メカニズムを通じて、収集したすべてのメッセージを1つの署名メッセージに集約し、他のすべてのノードに送信します。次に、新しいラウンドの転送と収集プロセスが続き、確認メッセージがクライアントに返されます。注意すべき点は、2ラウンドの収集ノードは同じノードに指定することも、異なるノードにすることもできるということです。このアルゴリズムは、安全性と活性の前提として、システム内のビザンチンノードの数がシステムの総ノード数の1/3を超えないという仮定を置いています。ノードの総数がNの場合、最大でf個のビザンチン故障（裏切り者）ノードを許容し、Nは3f + 1以上でなければなりません。

1.2.2 検証可能なランダム関数

CESSのコンセンサスノードはランダムに選択されて生成されるため、ほとんどのパブリックチェーンとは異なり、ネットワークの変化に対する対応能力がより高い要求があります。このような背景の中で安全性をできるだけ保証するために、CESSは「候補コンセンサスノードからランダムにいくつかのコンセンサスノードを選び、次にコンセンサスアルゴリズムを通じて協力してトランザクションをパッケージ化してブロックを生成する」というモデルを採用し、ノード選挙のランダム性と予測不可能性を高めつつ、ブロックチェーンの安全性を向上させています。

各候補コンセンサスノードは公私鍵のペアを持ち、各ラウンドの時間ウィンドウで当番コンセンサスノードを選出する際、各候補コンセンサスノードは以下の式を用いてハッシュを計算し、ランダム出力を生成します。

R=VRF_Hash(SK, Seed)

P=VRF_Proof(SK, Seed)

ここで、SKはノードの秘密鍵、SeedはCESSチェーンのあるブロック内のフィールド情報で、事前に予測することはできません。Rはハッシュのランダム出力、Pはハッシュの証明です。

上記のステップを通じて、検証者はこれらの2つの値が実際にその値を持つノードによって生成されたものであることを容易に検証できます。

R=VRF_P2H(P)

VRF_Verify(PK, Seed, P)

ここでPKは検証対象ノードの公開鍵です。

この時、ハッシュのランダム出力が最小の11のノードを当番コンセンサスノードとして選択できます。選ばれたノードが11を超える場合、信用度スコアの高低に基づいて選別されます。

1.3入場と退出

CESSはノードの入場に対して過度に厳しい前提条件を設定していませんが、ネットワークの運用条件の基本的な運用指標、リソース貢献指標を満たし、一定量のCESSトークンをステーキングする必要があります。これにより、ノードの悪事を防ぎます。ノードがCESSトークンのステーキングを完了すると、上記のプロセスに参加できます。ノードが退出したい場合、ネットワークはノードの運用過程でのスコアに基づいて、ステーキングしたトークンを全額返還するかどうかを判断します。理論的には、ノードが正常に作業し、長時間のオフラインや故意の悪事などの問題が発生しなければ、ネットワークは全額を返還します。

この入場メカニズムは、ウィッチ攻撃を防ぎ、コンセンサスの安全性を向上させることができます。

2、R²Sメカニズムの利点は何か

メカニズム設計の観点から見ると、R²Sはやや複雑ですが、CESSチームはこのモデルを設計する際にストレージパブリックチェーンに特有の考慮を行っています。

2.1「マイナーのジレンマ」を解決し、独占を避ける

「マイナーのジレンマ」とは、ストレージネットワーク内で、マイナーがブロック履歴（フルノードを構築したくないと理解できます）ではなく、収益を生むデータのストレージを好むため、少数のフルノードからデータを取得してネットワークの同期を保証したり、マイニングプールに参加したりすることで、フルノードが過度に中央集権化することを指します。CESSはR²Sを通じてコンセンサスとストレージの分離を実現し、一方でブロック履歴のストレージをより分散化し、他方で大規模マイナーの過度な集中を防ぎ、ネットワーク全体の発展に悪影響を及ぼさないようにしています。

2.2分散化フレームワーク下での効率を大幅に向上させる

11のノードだけでコンセンサスを維持する場合、効率は向上しますが、ネットワークはまるでアライアンスチェーンのように非常に中央集権化します。CESSはこの高効率なソリューションの背景で分散化を実現するために、各ラウンドでコンセンサスの維持に参加するノードをランダムに選択するメカニズムを設定しました。ノードの要件を満たすだけでブロック生成に参加する機会が得られ、中央集権化の問題をうまく解決しています。

2.3オンチェーントランザクション処理を実現する

CESSのオンチェーンデータには、トランザクションや契約の確認に加えて、ユーザーがアップロードしたデータの「位置」情報も含まれます。つまり、CESSは保存された内容のメタデータをオンチェーンに成功裏に実現しました。現在、多くのプロジェクトがオンチェーンの効率を向上させるために一部のデータをチェーン外で処理することを好んでいますが、このようなソリューションは安全性を確保するために非常に多くの保証メカニズムが必要であり、またチェーン処理効率が低いためにやむを得ず行われています。CESSはオンチェーントランザクション処理の効率が高いため、メタデータのオンチェーンを実現し、データストレージのアドレス指定などの面で直接オンチェーンデータを通じて実現でき、オンチェーンはデータの真実性を保証します。

ただし、実際の操作においては、ストレージネットワークの効率優先の原則に従い、ノードはメタデータのデータベースを維持し、アドレス指定はまずそのデータベースから行い、見つからない場合にのみチェーン上でデータを取得することを選択します。このデータベースはチェーン上の情報を同期することで生成され、本質的には真実性という特徴を損なうものではありません。

コンセンサスノードが同じデータを同時にオンチェーンとオフチェーンに保存する必要がある理由は、一方でネットワークの需要が高いときに、チェーン上にデータを要求し続けることによる高コストを削減するためであり、他方で他の調整者がユーザーデータをより迅速に処理できるようにするためです。

3、まとめ

全体として、CESSはR²Sメカニズムを採用し、一方でコンセンサスとストレージの分離を実現し、「マイナーのジレンマ」と独占を防ぎます。他方で、信頼できる実行環境（TEE）技術を通じてコンセンサスノードの誠実性と調整機能を定期的にチェックし、ノード間で公平な競争を通じてネットワークに可能な限り高品質なサービスを提供することを保証します。Substrateオープンソースフレームワークに基づいて開発されたCESS分散型クラウドストレージネットワークは、WASMをサポートするだけでなく、将来的にはEVMスマートコントラクトにも対応し、開発者がCESSネイティブエコシステムを構築しやすくし、データ相互作用の需要が高い多くのプロジェクトに居場所を提供します。また、多くのアプリケーションがCESSにシームレスに移行できるようにし、初期の迅速な発展のための道を整えています。

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