ブロックチェーンストレージ最適化：Smart Chainによるパスベースストレージシステム

概要

フルノードの運用は、継続的な管理と高度な技術力が求められる重要な業務です。従来のノード管理では、特にオフラインでのプルーニング作業が多くのブロックチェーンネットワークの運営者にとって大きな障害となっていました。

Geth V1.13.0で導入されたPath-Based Storage Schemeは、こうした課題に対して本質的な解決策をもたらします。この革新的な手法は、ブロックチェーンのステートデータの保存・管理方法を根本から変革し、パフォーマンスとユーザー体験の向上を実現します。

本ガイドでは、Smart ChainがPBSSを採用した戦略的な背景、PBSSが従来のハッシュベースステートスキームに対してもたらすパフォーマンス向上、そしてPBSS実装で施された最適化とその実証試験結果について、3つの要点を中心に解説します。

Smart ChainがPBSSを採用する理由

PBSS登場以前、主要なEVM対応ネットワークはハッシュベースストレージの非効率性に悩まされてきました。特に、3秒という高速なブロック生成間隔と、1億4千万という極めて高いガスリミットによる運用特性が、その問題を一層深刻化させました。

この仕様はトランザクション処理能力を大幅に向上させるものですが、ステートデータの急増によりストレージへの負荷が高まり、ノードを定期的に停止してオフラインでのプルーニング作業が必要となっていました。これはGeth v1.10で導入されたハッシュベースステートスキーム特有の課題です。

PBSSは、オフライン操作不要でステート肥大化を緩和するオンラインプルーン機能を備えています。ノード運営者がサービスを止めることなく、PBSSはバックグラウンドでストレージ容量を動的に調整し、途切れのないユーザー体験を提供します。パフォーマンスは顕著に向上し、ブロックインポート時間は698ミリ秒から531ミリ秒に短縮され、24%の効率化が実現されています。

Path-BasedとHash-Basedの違い

PBSSと従来型ハッシュベースモデルの根本的な違いは、ストレージ方式にあります。PBSSはトライノードをエンコード済みパスで管理し、ハッシュベースでは各ノードのデータハッシュを利用します。この差がシステム全体のパフォーマンスに大きな影響をもたらします。

パスベースモデルはインラインでステートデータのプルーニングが可能となり、トライノードのストレージ効率を高めます。これらの改善がシステムパフォーマンスの向上とリソース消費削減につながります。

ストレージの成長パターンの違いは明白です。ハッシュモードではステートDBが週約50GB増加し、過去のステートが蓄積されていきます。一方、パスモードは週5GB未満と増加が非常に緩やかで、10分の1に抑制され、長期運用に理想的な拡張性を実現します。

Smart ChainのPBSSにおける技術革新

PBSSは堅牢な基盤を提供しますが、高性能Smart ChainはEVM基盤上で膨大なトランザクションを処理するという独自の課題に直面しました。この対応のため、研究・開発者はネットワーク特有の運用に合わせた調整と最適化を実施しました。これらの技術革新は、1,000TPS超でバリデータが空ブロックを生じる状況や、大規模トランザクションバッチ処理時のパフォーマンス変動の解消に直接貢献しています。

非同期ノードバッファ

技術革新：高性能チェーンでは非同期ノードバッファ戦略を導入し、従来の同期型手法から抜本的に転換しました。従来型ネットワークではブロック生成間隔が長く、同期型バッファ処理がディスクフラッシュやキャッシュ同期時にメイン処理を一時停止することが許容されていました。

高速な3秒間隔のブロック生成ネットワークでは、同期型ディスク操作による待機時間は許容できません。運用効率維持と連続的なブロック生成の中断防止のため、エンジニアはディスク層に非同期バッファを設計し、フラッシュ処理をバックグラウンドで並行実行することで、ブロック生成を途切れさせない仕組みを採用しています。

非同期ノードバッファは次のように機能します：

• 最古の差分レイヤーはディスク層に変更内容を同期コミットしますが、ノードバッファのディスクフラッシュ完了を待つことはありません（バッファサイズが閾値を超えても）。
• ディスク層のノードバッファはデータベースのフラッシュ処理をバックグラウンドで継続的に実行し、他のプロセスの遅延や中断を防ぎます。これらのバックグラウンド処理は厳格な安全性下でトランザクション整合性やステートデータ一貫性を守ります。
• データベースは特定のブロック高ごとにステートデータの完全なスナップショットを維持し、検証用のデータ整合性と可用性を確保します。

トライノードキャッシュ最適化

技術革新：高性能チェーンではトライノードキャッシュのパラメータを根本的に見直し、システムの安定性と予期せぬパフォーマンス変動の排除を実現しています。この最適化は非同期ノードバッファ強化に伴う課題への直接対応策です。

ディスク層でのフラッシュ頻度増加は、データベースのコンパクション（データ統合・再書き込みによる最適化）発生率を高めます。コンパクションは多大なリソースを消費し、システムスループット低下や遅延増加の要因となります。

この課題に対し、ディスク層のバッファ容量を2倍に拡張することでコンパクションの発生頻度を減らしています。大容量バッファは多くのデータを保持し、書き込み・フラッシュサイクルの回数を減らし、コンパクションのトリガーを効果的に抑制します。

さらに、メモリ管理を強化し、ノードバッファキャッシュの2倍容量のクリーンキャッシュを導入しています。これによって、ノードバッファキャッシュとクリーンキャッシュ間の同期時にデータ上書きリスクが大幅に低減されます。ノードバッファがクリーンキャッシュを介してディスクへ変更をコミットする際、拡張メモリによって重要データの即時アクセス性が保たれ、高スループット・低レイテンシ運用が可能となります。

ディスク帯域最適化

技術革新：高性能チェーンはPebbleDB（オープンソースDBエンジン）の最適化実装により、フラッシュやコンパクション操作の制御を知的に行い、従来型システムで発生していたレイテンシ急増を防止しています。これは従来構造からの大幅なアップグレードです。

最新PBSSでは、従来型DBシステムに代えて最適化されたPebble DBエンジンを採用しています。旧来システムはフラッシュやコンパクションに制限がなく、常に最大能力で実行されるため、書き込み・読み込み時にレイテンシが急増し、取引量が多い場合はユーザー体感の性能低下を招いていました。

PebbleDBはフラッシュとコンパクションに個別のレートリミッターを搭載し、処理速度を負荷に合わせて自動調整します。これにより、ディスク帯域への負荷を抑えつつ、負荷が高い状況でも安定したパフォーマンスを維持します。

PebbleDBはEVMネットワークで採用が進み、さまざまなトラフィックやトランザクション特性に適合するよう詳細な試験による設定チューニングが行われ、最適な性能が保証されています。

テストベンチマーク

本格的なテストでは、同一バイナリ・標準ハードウェア構成の複数バリデータを使用しました。1台は従来型DBのハッシュモード、1台はPebbleDBのパスモードで運用し、他の条件はすべて統一しています。

テストバリデータのハードウェア構成：

• AWS im4gn.4xlarge EC2インスタンス
• 16 CPUコア／64 GBメモリ
• 7TB Nitro SSDストレージ

2024年から2025年にかけてのテスト結果は、主要指標で大幅なパフォーマンス向上を示しました：

実証データから、パスベースストレージスキームは主要な運用処理で一貫したパフォーマンス向上を実現しています。ディスク帯域利用は増加しますが、PebbleDBのレート制御機能がレイテンシの急増を抑制し、システム性能を安定化させています。

結論

Path-Based Storage Schemeの導入は、ブロックチェーン基盤の最適化において画期的な進展です。オフラインプルーニングからオンラインステート管理への移行や、非同期ノードバッファ、キャッシュ戦略、ディスク帯域制御などの技術革新によって、高性能Smart Chainはストレージ効率と運用性能の両面で顕著な向上を達成しました。

ブロックインポート時間24%短縮とストレージ成長率の劇的な低減（週50GB→5GB未満）は、PBSSが高性能ブロックチェーンネットワークのスケーラブルな基盤となることを示します。特に非同期ノードバッファやPebbleDB最適化は、高スループットEVMチェーン運用の課題を解決し、同様の制約に直面する他ネットワークにも実績あるソリューションを提供します。

ステート肥大化と高性能要求が増す中、PBSSと専門的最適化は、効率的かつ持続可能なブロックチェーンインフラへの現実的な道筋となります。これらの技術進化により、最新Smart ChainはEVM最適化の技術リーダーとなり、安定性と性能を維持しながら運用拡大を目指す他のEVM互換ネットワークにも指針を示します。

FAQ

BSC Storageとは？主な機能と目的

BSC StorageはBinance Smart Chain上に構築された分散型ストレージソリューションです。スマートコントラクト向けに効率的なデータ保存・管理を実現し、主な機能はセキュアかつスケーラブルなストレージ容量の提供、オンチェーンコストの削減、ブロックチェーンアプリケーションのトランザクション承認速度向上です。

BSC Storageでのデータ保存・管理方法

BSC Storage SDKクライアントをダウンロードし、バケットを作成します。SDKでファイルをアップロードし、指定URL形式でアクセスします。効率的なデータ管理には整理されたフォルダー構成と一貫した命名規則の利用が推奨されます。

BSC Storageでのデータ保存は安全か？注意すべきリスク

BSC Storageは暗号化とアクセス制御により安全なデータ保存を実現します。主なリスクは不正アクセスとデータ漏洩です。最適なセキュリティ確保には強力な暗号化と厳格な権限管理の実施が必要です。

BSC Storageと従来型クラウドストレージの利点・欠点

利点：分散型セキュリティ、低コスト、ユーザーデータ所有権、検閲耐性。欠点：アクセス性の低さ、エコシステムの小規模、技術知識が必要、新興技術のため安定性が低い。

BSC Storageのコスト計算方法・利用料金

BSC Storageは永久無料で利用料金はありません。スコアカード作成、データ入力、アカウント管理権限を持つユーザーのみ月額課金されます。閲覧専用アクセスは無料・無制限です。

BSC Storageが対応するファイル・データ保存形式

BSC Storageは画像、動画、文書、バックアップなど多様なファイル形式をサポートします。大規模データセットやオブジェクトストレージも効率的に管理できます。