BNB Smart Chainのアーキテクチャ概要

はじめに

BNB Smart Chain（BSC）は、Binanceチームによって開発されたEthereum Virtual Machine（EVM）互換の高性能なパブリックチェーンであり、迅速なトランザクションと低コストの体験を提供することを目的としています。Binanceエコシステムの重要な部分として、BSCはEthereumと高い互換性を持っており、これによりEthereumベースのスマートコントラクトや分散型アプリケーション（DApps）がシームレスにBSC上で実行できます。しかし、BSCはEthereumの単なるコピーではなく、特にコンセンサスメカニズムやブロック生成速度において、多くの性能最適化と改善を行っています。本稿では、BNB Smart Chainのアーキテクチャとそのコア実装について詳しく解説します。

BNB Smart Chainの主な特徴

ソースコードを深く掘り下げる前に、他の主要なパブリックチェーンと比較して、BSCのユニークな点を概観しましょう：

デュアルチェーンアーキテクチャ：BNB Smart ChainとBinance Chainはデュアルチェーン構造を形成しており、前者はスマートコントラクトの実行に焦点を当て、後者は迅速な取引送金に主に使用されます。
EVM互換性：BNB Smart ChainはEthereum Virtual Machine（EVM）と完全に互換性があり、Ethereum上のDAppsをBSCに簡単に移行できます。
コンセンサスメカニズム：BSCは、Proof of Staked Authority（PoSA）と呼ばれるハイブリッドコンセンサスメカニズムを採用し、Proof of Stake（PoS）とProof of Authority（PoA）を組み合わせることで、迅速なコンセンサスとブロック生成を実現しています。

ソースコードの概要

BNB Smart ChainのコアソースコードはGitHubリポジトリで確認できます。このプロジェクトのディレクトリ構造は、EthereumクライアントであるGo-Ethereum（geth）と非常に似ており、BSCはGethの改良版に基づいています。そのため、多くの馴染みのあるコードモジュールが見受けられます。

BSCソースコードのルートディレクトリには、以下のコアモジュールが含まれています：

cmd：実行可能ファイルに関連するコードが含まれており、例えばBSCの起動エントリーポイントなど。
core：ブロックチェーンのコアロジック、例えばブロック、トランザクション、ステート管理などが含まれます。
consensus：コンセンサスメカニズムに関連するコードが含まれています。
eth：EVMやスマートコントラクトに関連するモジュールです。

では、BNB Smart Chainのコアアーキテクチャと関連するコードについて詳しく見ていきましょう。

BNB Smart Chainのアーキテクチャ解析

1. ブロックチェーン全体のプロセス

BNB Smart Chainのアーキテクチャは、いくつかのコアコンポーネントに分けることができます：

ブロック生成：PoSAコンセンサスメカニズムにより、バリデーターが定期的に新しいブロックを生成します。
トランザクションの実行：各ブロック内のトランザクションはEVMによって実行され、オンチェーンステートが更新されます。
ステートストレージ：Merkle Patricia Treeを使用してブロックステートを保存し、データの完全性と不変性を保証します。

2. アカウントとトランザクションモデル

BNB Smart ChainのアカウントとトランザクションモデルはEthereumと完全に互換性があり、外部所有アカウント（EOA）とスマートコントラクトアカウントの2種類のアカウントに基づいています。

コード解説：アカウント構造

BNB Smart ChainのアカウントモデルはEthereumに似ており、そのコアコードはcore/state_object.goファイルにあります：

type StateObject struct {
    address common.Address
    data    struct {
        balance   *big.Int    // アカウントの残高
        nonce     uint64      // アカウントのトランザクション数
        root      common.Hash // ステートツリーのルートハッシュ
        codeHash  []byte      // コントラクトコードのハッシュ値
    }
    db    *StateDB // ステートデータベースへの参照
}

address: アカウントのアドレスを保存します。
balance: アカウントの残高（最小単位で表示、例：Gwei）。
nonce: アカウントのトランザクション数で、二重支払い攻撃を防止するために使用されます。
root: Merkle Patricia Treeにおけるアカウントのステートのルートハッシュ値で、ステートの検証に使用されます。
codeHash: スマートコントラクトアカウントの場合、コントラクトコードのハッシュが保存されます。

3. コンセンサスメカニズム：PoSA（Proof of Staked Authority）

BNB Smart Chainは、Proof of Staked Authority（PoSA）というハイブリッドコンセンサスメカニズムを採用しています。このメカニズムでは、バリデーターがBNBトークンをステークし、十分なステークを持つバリデーターが順番にブロックを生成します。このコンセンサスメカニズムは、PoSによってセキュリティを向上させ、PoAによって迅速なブロック生成と検証を実現しています。

コード解説：PoSAコンセンサスメカニズム

PoSAコンセンサスのコアコードはconsensus/pos.goファイルにあり、主にバリデーターの選択とブロック生成に関するコードが含まれています。以下はその主要なコードスニペットです：

func (c *PoS) SelectValidator(round int) common.Address {
    validators := c.Validators()
    return validators[round % len(validators)]
}

上記のコードでは、SelectValidator関数が現在のブロックラウンドに基づいてバリデーターを選択します。バリデーターリストはValidators関数を介して取得され、モジュロ演算によってブロックを生成するバリデーターが決定されます。これにより、バリデーターが順番にブロックを生成することが保証されます。

4. トランザクションの実行とステートの更新

各新しいブロックが生成される前に、BSCは多くのオンチェーントランザクションを処理します。これらのトランザクションはEthereum Virtual Machine（EVM）によって実行され、スマートコントラクトのロジックに基づいてオンチェーンのアカウントやコントラクトのステートが更新されます。

コード解説：トランザクション実行プロセス

BNB Smart Chainにおけるトランザクション実行プロセスはEthereumと非常に似ています。そのコアロジックはcore/blockchain.goファイルにあり、各トランザクションはApplyTransaction関数を通じて処理されます。以下はコードスニペットです：

func (bc *BlockChain) ApplyTransaction(tx *types.Transaction) error {
    // トランザクションを実行し、アカウントとコントラクトのステートを更新
    receipt, err := bc.State().Apply(tx)
    if err != nil {
        return err
    }

    // ステートツリーのルートハッシュを計算
    stateRoot := bc.State().IntermediateRoot()

    // 新しいステートルートハッシュをブロックヘッダーに更新
    block.Header().Root = stateRoot

    return nil


}

ApplyTransaction: 各トランザクションを実行し、トランザクションの結果に基づいてステートツリー内のアカウント残高やコントラクトステートを更新します。
IntermediateRoot: 更新されたMerkle Patricia Treeのルートハッシュを計算します。

ステップ3：ブロックのステートルートハッシュの計算と保存

ステートルートハッシュは、チェーン全体のステートのスナップショットです。ブロックが生成されるたびに、すべてのアカウントとコントラクトのステートが再計算され、新しいステートルートハッシュが生成されます。このハッシュはブロックヘッダーに記録され、そのブロックのステート識別子として機能します。このハッシュを使用して、オンチェーンのステートが一貫しているかどうかを検証し、トランザクション結果の正確性を保証します。

IntermediateRoot関数は、ステートツリーのルートハッシュを生成するために使用されます。以下はそのコア実装です：

func (s *StateDB) IntermediateRoot() common.Hash {
    // ステートツリーのルートを計算
    return s.trie.Hash()
}

s.trie.Hash(): Merkle Patricia Treeにおけるtrieは多分岐のツリー構造であり、そのルートハッシュはステートツリー全体のスナップショットを表します。各トランザクションやコントラクトステートの変更後、trieは更新され、新しいルートハッシュが生成されます。

ステップ4：ブロックをデータベースに保存

すべてのトランザクションが実行され、ステートツリーが更新された後、ブロックはデータベースに永続的に保存されます。これにより、ノードに障害が発生した場合でも、履歴ブロックを使用してチェーンのステートを復元できます。

func (bc *BlockChain) SaveBlock(block *types.Block) error {
    // ブロックデータをデータベースに書き込み
    err := bc.db.Put(block.Hash().Bytes(), block.Serialize())
    if err != nil {
        return err
    }
    return nil
}

block.Serialize: ブロックデータをシリアライズし、ストレージに適したバイナリ形式に変換します。
bc.db.Put: シリアライズされたブロックデータをデータベースに保存します。

Merkle Patricia Treeの核心原理

Merkle Patricia TreeはBNB Smart Chainのステートストレージにおいて重要な役割を果たしており、効率的かつ安全な構造を提供します。各ノードのステートはツリーのリーフノードに保存されます。トランザクションが実行されると、リーフノードの値が変更され、最終的にルートノードのハッシュも更新されます。

以下は、リーフノードの変更によってツリー全体のハッシュがどのように更新されるかの簡単な図です：

            Root (Hash)
           /     |     \
      Hash1    Hash2   Hash3
      /  \     /  \     /  \
    A1   A2  B1  B2   C1  C2

各リーフノード（A1、B2など）はブロックチェーン上のアカウントやコントラクトのステートを表しています。
あるリーフノード（例：A1）のステートがトランザクションによって変更されると、A1に対応するハッシュが更新され、上層のHash1やRootなども更新され、最終的に新しいステートルートが形成されます。

この構造により、BNB Smart Chainはアカウントのステートが一貫しているかどうかを迅速に検証でき、改ざんを効果的に防止できます。

結論

BNB Smart Chainのブロック生成プロセスは、Merkle Patricia Treeに強く依存しており、オンチェーンステートの管理と検証を行っています。各トランザクションによってステートツリーを更新し、新しいステートルートを生成することで、ブロック内のステートが常に一貫性を持ち、不変であることを保証しています。本稿では、BNB Smart Chainがブロック生成およびステート管理においてどのようにMerkleツリーを活用しているかを詳しく解説しました。次の記事では、BNB Smart Chainのスマートコントラクト実行やトランザクションメカニズムについてさらに掘り下げていきます。

終わりに

BNB Smart Chainは、Ethereumとの高い互換性を持つアーキテクチャと改良されたPoSAコンセンサスメカニズムを通じて、効率的で低コストのオンチェーン操作を実現しています。デュアルチェーンアーキテクチャ、EVM互換性、強力なクロスチェーン機能により、BNB Smart Chainは分散型アプリケーションやDeFiエコシステムにおいて強力な競争力を発揮しています。次の記事では、BNB Smart Chainのアカウントモデル、トランザクションメカニズム、スマートコントラクトの実行などのコアコンポーネントについてさらに掘り下げ、このブロックチェーンの技術的な詳細を明らかにしていきます。