暗号通貨分野におけるDirected Acyclic Graph（DAG）とは何ですか？

イントロダクション

暗号資産と聞くと、多くの人はブロックチェーンや分散型台帳技術を思い浮かべるでしょう。Bitcoinの登場以来、同様のネットワークアーキテクチャに基づく数百種類の暗号資産が生まれてきました。これらのデータ構造によって、ユーザーは価値を移転し、分散型アプリケーションとやり取りできるようになっています。

ブロックチェーンでは、新しいブロックが絶えずチェーンに追加され、各ブロックは暗号的なつながり（ハッシュ）によって前のブロックと結ばれています。これらのブロックには、ユーザーがブロードキャストした直近の取引が記録されています。

しかし、取引がブロードキャストされてからブロックに取り込まれるまでには、しばしばタイムラグがあります。駅で列車を待つイメージです。車両の大きさ（ブロックサイズ）や他の乗客（未処理取引）の数次第では、次の列車やその次にも乗れないことがあります。このため、取引確定まで数秒から数時間待つ場合があります。

多くの人はこの遅延を、高いセキュリティと中央管理者不要のメリットとのトレードオフとして受け入れています。一方で、ブロックチェーン技術には限界があり、スケーラビリティ問題が普及の障壁になると批判する声もあります。

暗号資産決済ネットワークの将来は、従来とは全く異なるアーキテクチャ、すなわちDAG（Directed Acyclic Graph：有向非巡回グラフ）にあると考える人もいます。

DAGとは何か？

DAGは、情報同士を接続するデータベースのような独自のデータ構造です。「Directed acyclic graph（有向非巡回グラフ）」という技術用語は、明確な意味を持っています。ここでその意味を分かりやすく説明します。

概念的に、DAGは頂点（ノード）および辺（それを結ぶ線）で構成されます。有向とは、矢印で進行方向が定義されていることを意味します。非巡回とは、どこからグラフをたどっても元のノードに戻らず、ループしないことを指します。この特徴は後ほどさらに明確になります。

この種のデータ構造は、情報のモデル化に頻繁に使われています。たとえば科学や医療分野では、DAGを用いて変数同士の関係を解析し、相互作用を把握できます。栄養や睡眠サイクル、身体症状などの関連性を可視化し、患者への影響を評価できます。

ここでは、DAGが分散型暗号資産ネットワークの合意形成をどう実現するかに注目します。

DAGの仕組み

DAGベースの暗号資産では、各頂点が1つの取引を表します。ブロックもマイニングも存在しません。取引をブロック単位でまとめる代わりに、各取引は過去の取引を基盤として構築されます。ただし、取引送信時には各ノードが簡単なProof of Workを実行し、スパム対策や既存取引の検証を行います。

新しい取引を追加するには、過去の取引を参照しなければなりません。Aliceが新しい取引を作成する場合、彼女の取引は過去の取引を参照する必要があります。これはBitcoinのブロックが前のブロックを参照するのと似ていますが、DAGでは複数の取引を参照できます。

一部の実装では、アルゴリズムが新規取引が基づくべき取引（「tip」）を選択します。累積重み（経路上の承認数）が多いtipが優先されます。

Aliceが参照する取引は未承認です。Aliceがそれらを参照することで、それらは承認済みとなります。今度はAliceの取引が未承認となり、次の参加者がそれを基に構築しなければなりません。

ユーザーは、より重みのある取引を承認してネットワークを成長させるインセンティブを持ちます。そうでなければ、常に古い取引が延々と承認されることになります。

ブロックチェーンでは、二重支出の防止は容易です。同じ資金を1つのブロックで2回使うことはできず、ノードが矛盾取引を即座に検出し拒否します。ブロック生成にコストがかかるため、マイナーは正しく行動する動機があります。

DAGも二重支出を防ぎますが、マイナーは存在しません。ノードは過去の取引を承認する際、DAGのジェネシス取引までの経路全体を追跡し、送信者の残高を検証します。複数の経路が存在しても、いずれか1つを確認すれば十分です。

無効な経路上に取引を構築した場合、たとえ正当な取引でも他のユーザーがその経路を拡張しないため、取引が無視されるリスクがあります。

直感的には、互いに認識しない複数の枝が生じ、同じ資金が異なる枝で使われることもありそうです。

それも理論上は可能ですが、tip選択アルゴリズムが累積重みの大きい枝を優先します。最終的に、どれか1つの枝が他を上回り、弱い枝は廃棄され、ネットワークは最も強い枝上で成長し続けます。

ブロックチェーンと同様、完全な最終性はありません。取引が絶対に覆らない保証はなく、極めて稀ですがBitcoinやEthereumのブロックも理論上は巻き戻される可能性があります。自身の取引の後に多くのブロックが追加されるほど、確実性が高まります。そのため、通常は6回の承認を待ってから資金を利用します。

主要なDAGプロジェクトでは承認信頼度の概念が用いられます。tip選択アルゴリズムを100回実行し、選択されたtipで自身の取引が直接または間接的に承認された回数をカウントします。パーセンテージが高いほど取引が安定していると見なされます。

この仕組みはユーザー体験を損なうように思えるかもしれませんが、実際にはそうではありません。AliceがBobに10 MagicDAGTokensを送る場合、適切なtipを自分で選ぶ必要はなく、ウォレットが内部で次の手順を自動で実行します：

• 累積承認数が最も多いtipを選択する
• tipの残高が十分か、過去取引を遡って確認する
• 承認後、自身の取引をDAGに追加し、参照した取引を承認する

Aliceにとっては、他の暗号資産取引と同じく、Bobのアドレスと送信額を入力して送信をクリックするだけです。上記の手順が、各参加者が取引送信時に行うProof of Workとなります。

Directed Acyclic Graphs のメリットとデメリット

DAGのメリット

スピード

ブロック生成の時間制限がないため、誰でもいつでも取引をブロードキャスト可能です。ユーザーが既存取引を承認する限り、取引量に上限はありません。

マイニング不要

DAGは、従来型ブロックチェーンのProof of Workコンセンサスを使いません。そのため、ネットワークセキュリティをマイニングに依存する暗号資産よりもカーボンフットプリントが大幅に小さくなります。

取引手数料が不要

マイナーがいないため、取引時の手数料は発生しません。ノードの種類によっては少額の手数料が必要な場合もありますが、低手数料または無料の仕組みは、従来のネットワーク手数料がネックとなるマイクロペイメント分野で特に有用です。

スケーラビリティのボトルネックがない

ブロック時間の制約がないため、DAGは従来型ブロックチェーンよりもはるかに多くの取引を毎秒処理できます。DAGは、IoT（Internet of Things）のように、機器同士が頻繁に通信する用途に最適と考えられています。

DAGのデメリット

完全な分散化ではない

DAGベースのプロトコルは、中央集権的な要素を一部持ち続ける場合が多く、これがネットワーク立ち上げ時の推進力になる反面、第三者の管理なしで完全に自律運用できるかは不透明です。完全な分散化がなければ、ネットワークは攻撃リスクにさらされる可能性があります。

大規模運用の実績が不足

DAG型の暗号資産は数年存在しますが、まだ主流には浸透していません。今後ネットワークが拡大した際、どのようなインセンティブがユーザーの悪用を招くのかは未知数です。

まとめ

Directed Acyclic Graphsは、暗号資産ネットワーク構築において魅力的な技術です。現時点でこのデータ構造を本格活用するプロジェクトは少数にとどまり、今後さらなる進化が期待されています。

DAGがその可能性を実現すれば、非常にスケーラブルなエコシステムの中核となるでしょう。高スループット・手数料ゼロが求められるIoTやマイクロペイメントなどのユースケースに新たな可能性を開きます。

FAQ

DAG（有向非巡回グラフ）とは何で、暗号資産分野でどのように機能しますか？

DAGは、取引が相互に接続されたノードに記録され、ループを持たないデータ構造です。従来のブロックチェーンを用いず、効率的かつ並列的な取引検証を可能にすることで、スピードとスケーラビリティを飛躍的に高めます。

DAGと従来のブロックチェーンとの違いは？

DAGは有向非巡回グラフによる並列検証を行い、従来のブロックチェーンは直線的なブロック列を使います。DAGはよりスケーラブルかつ高速で、リソース集約的なマイニングが不要です。

ブロックチェーンよりDAGを使うメリットは？

DAGは従来型ブロックチェーンよりも高速な取引と高いスケーラビリティを実現します。低遅延かつ高スループットで、同時に複数取引を処理できます。

どの暗号資産がDAG技術を利用していますか？

IOTAやNanoなど、複数のプロジェクトがDAG技術を採用し、従来型ブロックチェーンの制約を克服してスケーラビリティと効率を高めています。

DAGは暗号資産のスケーラビリティをどのように高めますか？

DAGは複数取引を同時に処理できるため、逐次処理に比べて混雑が大幅に緩和されます。ストレージや検証を分散化することで、セキュリティを損なうことなくネットワーク性能を大幅に向上させます。

DAG技術は暗号資産取引で安全ですか？

はい。DAG技術は暗号資産取引で高い安全性を実現します。従来型ブロックチェーンよりもスピードとスケーラビリティに優れ、多くのDAGプロジェクトが攻撃や不正を防ぐ堅牢なセキュリティ・検証メカニズムを組み込んでいます。