ピアツーピアネットワーク（P2P）

ピアツーピアネットワーク（P2P）

コンピュータサイエンスでは、ピアツーピア（P2P）ネットワークは、集合的にファイルを保存し共有するデバイスのグループで構成されています。各参加者（ノード）は個々のピアとして動作します。通常、すべてのノードは同等のパワーを持ち、同じタスクを実行します。

金融技術では、ピアツーピアという用語は通常、分散型ネットワークを介した暗号通貨やデジタル資産の交換を指す。P2Pプラットフォームでは、買い手と売り手が仲介者を介さずに取引を実行できる。場合によっては、ウェブサイトが貸し手と借り手をつなぐP2P環境を提供することもある。

P2Pアーキテクチャーは様々なユースケースに適しているが、特に1990年代に最初のファイル共有プログラムが作られ、人気を博した。今日、P2Pネットワークはほとんどの暗号通貨の中核であり、ブロックチェーン業界の大部分を占めている。しかし、ウェブ検索エンジン、ストリーミング・プラットフォーム、オンライン・マーケットプレイス、IPFS（InterPlanetary File System）ウェブ・プロトコルなど、他の分散コンピューティング・アプリケーションでも活用されている。

P2Pの仕組み

本質的に、P2Pシステムはユーザーの分散ネットワークによって維持されている。通常、各ノードがファイルのコピーを保持し、クライアントとしても他のノードへのサーバーとしても機能するため、中央の管理者やサーバーは存在しません。そのため、各ノードは他のノードからファイルをダウンロードしたり、他のノードにファイルをアップロードしたりすることができる。この点が、P2Pネットワークが従来のクライアント・サーバー・システム（クライアント・デバイスが集中管理されたサーバーからファイルをダウンロードするシステム）と異なる点です。

P2Pネットワークでは、接続されたデバイスはハードディスクに保存されたファイルを共有する。データの共有を仲介するために設計されたソフトウェア・アプリケーションを使用することで、ユーザーはネットワーク上の他のデバイスに照会し、ファイルを探してダウンロードすることができる。あるファイルをダウンロードしたユーザーは、そのファイルのソースとして機能することができる。

別の言い方をすれば、ノードがクライアントとして動作する場合、他のネットワークノードからファイルをダウンロードする。しかし、サーバーとして動作する場合は、他のノードがファイルをダウンロードできるソースとなります。しかし実際には、両方の機能を同時に実行することができます（例えば、ファイルAをダウンロードし、ファイルBをアップロードする）。

すべてのノードがファイルを保存、送信、受信するため、P2Pネットワークはユーザーベースが大きくなるほど、より高速で効率的になる傾向があります。また、その分散アーキテクチャにより、P2Pシステムはサイバー攻撃に対して非常に強い。従来のモデルとは異なり、P2Pネットワークには単一障害点がありません。

ピアツーピアシステムは、そのアーキテクチャによって分類することができる。主な3つのタイプは、非構造化P2Pネットワーク、構造化P2Pネットワーク、ハイブリッドP2Pネットワークと呼ばれる。

非構造化P2Pネットワーク

非構造化P2Pネットワークは、ノードの特定の組織を持たない。参加者は互いにランダムに通信を行う。これらのシステムは、高いチャーン・アクティビティ（複数のノードが頻繁にネットワークに参加したり離脱したりすること）に対してロバストであると考えられている。

構築は簡単だが、非構造化P2Pネットワークでは、可能な限り多くのピアに検索クエリが送信されるため、CPUとメモリの使用量が多くなる可能性がある。これは、特に少数のノードが目的のコンテンツを提供している場合、クエリでネットワークがあふれる傾向があります。

構造化P2Pネットワーク

対照的に、構造化P2Pネットワークは、組織化されたアーキテクチャを提示し、コンテンツが広く利用可能でなくても、ノードが効率的にファイルを検索できるようにします。ほとんどの場合、これはデータベース検索を容易にするハッシュ関数の使用によって達成される。

構造化ネットワークはより効率的かもしれないが、集中化のレベルが高くなる傾向があり、通常、セットアップとメンテナンスのコストが高くなる。その他、構造化ネットワークは、高い解約率に直面したときの堅牢性に劣る。

ハイブリッドP2Pネットワーク

ハイブリッドP2Pネットワークは、従来のクライアント・サーバー・モデルとピアツーピア・アーキテクチャのいくつかの側面を組み合わせたものである。例えば、ピア間の接続を促進する中央サーバーが設計されている場合がある。

他の2つのタイプと比較すると、ハイブリッドモデルは全体的なパフォーマンスが向上する傾向があります。通常、それぞれのアプローチの主な利点のいくつかを組み合わせ、かなりの程度の効率化と分散化を同時に達成します。

分散 vs. 分散

P2Pアーキテクチャは本質的に分散型であるが、分散化の程度は様々であることに注意することが重要である。つまり、すべてのP2Pネットワークが分散型というわけではない。

実際、多くのシステムは、ネットワークの活動を指導する中央当局に依存しており、やや中央集権的である。例えば、P2Pファイル共有システムの中には、ユーザーが他のユーザーからファイルを検索してダウンロードすることはできるが、検索クエリの管理など他のプロセスには参加できないものもある。

また、目的を共有する限られたユーザーベースによってコントロールされる小規模なネットワークも、中央集権的なネットワークインフラがないにもかかわらず、中央集権化の度合いが高いと言える。

ブロックチェーンにおけるP2Pの役割

ビットコインの初期段階において、サトシ・ナカモトはビットコインを “ピアツーピアの電子キャッシュシステム “と定義した。ビットコインはデジタル形式の貨幣として誕生した。ブロックチェーンと呼ばれる分散型台帳を管理するP2Pネットワークを通じて、あるユーザーから別のユーザーへ送金することができる。

この文脈では、ブロックチェーン技術に内在するP2Pアーキテクチャが、仲介者も中央サーバーも必要とせず、ビットコインや他の暗号通貨を世界中に送金することを可能にしている。また、ブロックの検証と妥当性確認のプロセスに参加したければ、誰でもビットコインノードを立ち上げることができる。

そのため、ビットコインのネットワークには、取引を処理したり記録したりする銀行は存在しない。その代わり、ブロックチェーンはすべての活動を公に記録するデジタル台帳として機能する。基本的に、各ノードはブロックチェーンのコピーを保持し、データが正確であることを確認するために他のノードと比較します。ネットワークは悪意のある活動や不正確な情報を素早く拒否する。

暗号通貨ブロックチェーンの文脈では、ノードはさまざまな役割を担うことができる。例えばフルノードは、システムのコンセンサスルールに照らしてトランザクションを検証することで、ネットワークにセキュリティを提供するノードである。

各フルノードはブロックチェーンの完全で更新されたコピーを保持し、分散型台帳の真の状態を検証する集団作業に参加することができる。ただし、すべてのフル検証ノードがマイナーであるわけではないことは注目に値する。

利点

ブロックチェーンのピアツーピアアーキテクチャには多くの利点がある。中でも最も重要なのは、P2Pネットワークが従来のクライアント・サーバー型よりも高いセキュリティを提供するという事実だ。ブロックチェーンは多数のノードに分散されているため、多数のシステムを悩ませるサービス拒否（DoS）攻撃とは無縁である。

同様に、ブロックチェーンにデータを追加する前にノードの大多数がコンセンサスを確立する必要があるため、攻撃者がデータを改ざんすることはほとんど不可能だ。これは特にビットコインのような大きなネットワークに当てはまる。小規模なブロックチェーンは攻撃を受けやすい。というのも、ある個人やグループが最終的にノードの過半数を支配する可能性があるからだ（これは51パーセント攻撃として知られている）。

その結果、分散型ピアツーピアネットワークと過半数のコンセンサス要件が組み合わされることで、ブロックチェーンは悪意ある活動に対して比較的高い耐性を持つことになる。P2Pモデルは、ビットコイン（および他のブロックチェーン）がいわゆるビザンチン耐障害性を達成できた理由の一つである。

セキュリティだけでなく、暗号通貨ブロックチェーンにP2Pアーキテクチャを採用することで、中央当局による検閲にも耐性がある。標準的な銀行口座とは異なり、暗号通貨のウォレットは政府によって凍結されたり、引き出されたりすることはない。この耐性は、民間の決済処理やコンテンツプラットフォームによる検閲の取り組みにも及んでいる。一部のコンテンツ制作者やオンライン商人は、第三者による支払いのブロックを回避する方法として暗号通貨決済を採用している。

限界

多くの利点がある一方で、ブロックチェーン上のP2Pネットワークの利用には一定の限界もある。

分散型台帳は中央サーバーではなく、すべてのノードで更新する必要があるため、ブロックチェーンにトランザクションを追加するには膨大なコンピューティングパワーが必要となる。これによってセキュリティは向上するが、効率は大幅に低下し、スケーラビリティと普及に関しては主な障害の一つとなっている。それにもかかわらず、暗号学者やブロックチェーン開発者は、スケーリングソリューションとして使用できる代替手段を研究している。代表的な例としては、ライトニング・ネットワーク、イーサリアム・プラズマ、ミンブルウィンブル・プロトコルなどがある。

もう1つの潜在的な制限は、ハードフォーク時に発生する可能性のある攻撃に関するものだ。ほとんどのブロックチェーンは分散型でオープンソースであるため、ノードのグループは自由にコードをコピーして修正し、メインチェーンから離れて新しい並列ネットワークを形成することができる。ハードフォークは完全に正常であり、それ自体は脅威ではない。しかし、ある種のセキュリティ手法が適切に採用されなければ、どちらのチェーンもリプレイ攻撃に対して脆弱になる可能性がある。

さらに、P2Pネットワークは分散型であるため、ブロックチェーンのニッチな分野に限らず、制御や規制が比較的難しい。いくつかのP2Pアプリケーションや企業が違法行為や著作権侵害に巻き込まれた。

最後に

ピアツーピア・アーキテクチャは様々な方法で開発・利用することができ、暗号通貨を可能にするブロックチェーンの中核をなしている。取引台帳をノードの大規模ネットワークに分散させることで、P2Pアーキテクチャはセキュリティ、分散化、検閲耐性を提供する。

ブロックチェーン技術における有用性に加え、P2Pシステムはファイル共有ネットワークからエネルギー取引プラットフォームに至るまで、他の分散コンピューティング・アプリケーションにも対応できる。