ブロックチェーンSNS概念設計：システム構築の品質評価のポイント9：効率性

先までは、"愛記"についての記載で、どのようにブロックチェーンSNSに組み込んで実装していけばよいのか、概念的なところからアプローチ方法を記載していった。大まかな概念としてはひとまず終えた。次は、ブロックチェーンの概念設計といえるところまで、基本設計書に着手できるようなところまで、概念を具体化していきたい。

愛記システムのシステム評価について

システム評価とは、つまりは、このシステムを導入して成功だったか失敗だったかという効果検証という意味だ。概念設計をする上で必ず抑えておくべきポイントということだ。それには各項目があり、それぞれの項目を見ていくことで、その結果が得られる。そのシステム評価項目を1つずつ見ていきたい。

システム構築の品質評価のポイント1：理解可能性（Understandability）

システム構築の品質評価のポイント2：完全性（Completeness）

システム構築の品質評価のポイント3：簡潔性（Conciseness）

システム構築の品質評価のポイント4：移植性（Portability）

システム構築の品質評価のポイント5：一貫性（Consistency）と構造化の度合い

システム構築の品質評価のポイント6：保守性（Maintainability）

システム構築の品質評価のポイント7：試験性（Testability）

システム構築の品質評価のポイント8：ユーザビリティ（Usability）

システム構築の品質評価のポイント9：効率性（Efficiency）

システム構築の品質評価のポイント10：セキュリティ（Security）

システム構築の品質評価のポイント9：効率性（Efficiency）

システム構築の品質評価における効率性とは、システムが動いているときにリソースがどれだけ無駄になっていないかである。業務システム全体の効率性はこちらの効率性ではなく一貫性や理解可能性に含まれているのだろう。こちらのポイントは与えられたリソースで適切な能力を発揮できているかどうかとなる。

ブロックチェーンSNSを一から構築する際に、システム評価の効率性を確保するためにはいくつかの具体的な注意点がある。以下にそれらを詳しく説明する。

1. プロトタイピングとユーザーテスト:

   • システムの開発初期段階からプロトタイプを作成し、ユーザーテストを積極的に行いたい。ユーザーのフィードバックを取り入れながら迅速にプロトタイプを進化させ、ユーザビリティや機能の適切性を検証する。このような方法でないと、いきなり大規模にスタートさせることはブロックチェーンの特性上、不可能だと考える。
      

2. スケーラビリティの確認:

   • システムが将来的な利用者増加に耐えられるかどうかを確認する。スケーラビリティの評価は、トランザクションの処理速度やネットワークの負荷などを含む。ベンチマークテストを通じてシステムの性能を評価する。具体例を挙げよう。

   • トランザクション処理速度:

     • ユーザーがポストを行ったり、コメントを追加したりする際のトランザクション処理速度がどれくらいかを確認する。瞬時な反応が求められるSNSでは、ユーザーの待ち時間が少ないことが重要である。
        

       Proof of Place (PoP) と Proof of History (PoH) を組み合わせ、フェデレーションモデルで承認することで、ソラナのような高いスケーラビリティを実現する可能性がある。ただし、具体的なスケーラビリティの実現には様々な要因が影響する。以下に、その要因と対処法についていくつか考えてみよう：

     • ネットワークの拡張性:

       • PoPやPoHの利用により、ブロックチェーンにおけるトランザクションの確認やブロックの生成にかかる時間が効率的になる。
       • フェデレーションモデルは、中央での承認が必要なため、ネットワークの負荷を削減できる利点がある。

     • 並列処理と分散データベース:

       • ソラナのようなスケーラビリティを実現するには、並列処理と分散データベースの最適化が必要である。例えば、マルチスレッド処理: 複数のスレッドを使用して処理を同時に実行することで、CPUの利用率を向上させ、処理速度を向上させる。メモリキャッシュ: データへのアクセス速度を向上させるために、頻繁にアクセスされるデータをメモリ上にキャッシュする。分散キャッシュ: キャッシュを複数のノードに分散して配置し、負荷を均等に分散させることができる。クエリプランの最適化: データベースクエリの実行計画を最適化し、最も効率的な方法でデータを取得するなどである。
       • フェデレーション内での合意形成やトランザクション処理を同時に行う仕組みを導入し、分散データベースを効果的に活用する。

     • プルーフ・オブ・ヒストリーの最適化:

       • PoHの効率的な運用がスケーラビリティに重要である。PoHを効果的に最適化するための技術的手段を検討する。

     • アルゴリズムの進化:

       • PoPやPoHのアルゴリズムは、技術の進化に追随して最適化されるべきである。新しいアルゴリズムやプロトコルの採用として、HTTP/2やQUICの導入などを検討する。

     • 分散型コンセンサスアルゴリズムの最適化:

       • PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）: 各市町村の代表者が参加するフェデレーション内でのコンセンサス形成に使用できるアルゴリズム。信頼性があり、高いスループットが期待できる。
       • HoneyBadgerBFT: フェデレーション内での合意形成を高度に安全化するためのアルゴリズム。故障トレランスが高く、優れたスケーラビリティを提供する。

     • 高度な通信手段の利用:

       • 高性能ネットワーク: 光ファイバーや5Gなど、高帯域幅で低遅延の通信手段を導入。これにより、フェデレーション内でのリアルタイムな通信が可能になる。
       • 専用チャネル: フェデレーションメンバー間での専用通信チャネルを確立し、通信のセキュリティと高速化を図る。

     • 分散型ストレージの活用:

       • IPFS（InterPlanetary File System）: フェデレーション内でのデータの分散保存に使用。分散型のファイルシステムを利用することで、データの冗長性を確保しながら高い可用性を維持する。

     • ブロックチェーンのプロトコル改善:

       • Optimistic Rollup: 各市町村のブロックチェーン上でのトランザクションをまとめ、メインチェーンに検証結果を提出する手法。これにより、メインチェーン上でのトランザクション処理を最小限に抑え、スケーラビリティ向上を実現する。

     • クォンタムセキュリティ対策:

       • 量子セキュアな暗号: フェデレーション内の通信には、量子コンピュータに対抗するための量子セキュアな暗号アルゴリズムを導入する。これにより、通信内容の保護が強化される。

       • 量子鍵配送 (Quantum Key Distribution, QKD):

         量子鍵配送は、通信の両端で共有される鍵を安全に配送するための手法である。通信の際に使用する鍵を、量子状態を用いて生成し、これによって盗聴が検出されることなく安全な鍵共有が可能となる。

       • 量子暗号:

         量子暗号は、量子メカニクスの原理を使用して情報を暗号化する手法である。例えば、量子キー分配（Quantum Key Distribution, QKD）を基にしたBB84プロトコルなどがある。

       • ポスト量子暗号:

         量子コンピュータが実用化される前にも、従来のコンピュータでは解読が難しいとされる暗号アルゴリズムが提案されている。これらは「ポスト量子暗号（Post-Quantum Cryptography）」として知られている。

       • 量子セキュアな通信プロトコル:

         TLS（Transport Layer Security）やVPN（Virtual Private Network）などの通信プロトコルを、量子セキュアなものにアップグレードする取り組みがある。

     • 分散型アプリケーションの最適化:

       • Layer 2 スケーリング: 各市町村のブロックチェーン上で実行されるDAppsにおいて、Layer 2スケーリング技術を導入。これにより、トランザクション処理の高速化やスケーラビリティ向上が期待できる。
          

   • ネットワーク遅延と帯域幅:

     • ブロックチェーンネットワークの遅延や帯域幅に関するテストを行う。多くのノードがネットワークに接続された際の通信速度やネットワーク遅延がシステムに与える影響を確認する。

     • シミュレーションツールの使用:

       • ブロックチェーンネットワークの挙動をシミュレートするツールを使用して、多くのノードが接続された場合のネットワークの挙動を確認する。
       • シミュレーションツールを使用することで、実際のネットワークトポロジーを模擬し、異なる条件での性能評価を行うことができる。

     • ストレステスト:

       • ノード数やトランザクション数を大幅に増加させ、ネットワークへの負荷をかけるストレステストを行う。
       • これにより、ネットワークがどれだけのトランザクションやデータを処理できるか、およびネットワークの遅延がどれくらい増加するかを評価する。

     • リアルワールドのトラフィックエミュレーション:

       • リアルワールドのトラフィックパターンに基づいて、実際のトランザクションをエミュレートする。
       • ノード間の通信がどれだけスムーズに行われるか、および遅延が発生するかを検証する。

     • ネットワークレイテンシの計測:

       • ネットワークノード間の通信にかかる遅延（レイテンシ）を計測する。
       • ネットワークのレイテンシが増加すると、トランザクションの処理時間が延び、全体的なネットワーク性能が低下する可能性がある。

     • バンドウィズスの計測:

       • ノード間の通信における帯域幅を計測し、ネットワークがどれだけのデータを処理できるかを確認する。
       • 帯域幅の不足があれば、トランザクションのブロードキャストやデータ同期に問題が発生する可能性がある。
          

   • ノード数の増加と同期処理:

     • ブロックチェーンネットワークにおいてノード数が増加した場合に、各ノードが正確に同期できるかどうかを確認する。新しいノードがネットワークに参加した際の同期処理が適切に機能するかをテストする。

     • 同期テスト:

       • ネットワーク内の各ノードが同じブロックチェーンの状態を正確に同期しているかを確認するテストを行う。
       • 同期テストでは、各ノードが同じブロック高やトランザクションの状態を共有していることを検証する。
       • ネットワーク内の全てのノードが同じ情報を持っていることがブロックチェーンの信頼性に直結する。

     • 新規ノード参加時の同期処理テスト:

       • ブロックチェーンネットワークに新しいノードが参加した場合、そのノードが迅速に正確な同期を行えるかを確認するテストを行う。
       • 新規ノードがネットワークに参加すると、既存のノードとの同期を確保するためにデータのダウンロードや検証プロセスが実行される。
       • テストでは、この同期処理が適切に機能して、新規ノードも他のノードと同じ状態を持つことが確認される。

     • ネットワークトポロジーの変更テスト:

       • ノード数が増加した場合や新規ノードが追加された際に、ネットワークトポロジーが変化する可能性がある。

       • ピアツーピア接続の変更:

         ノード数が増加すると、新しいノードが既存のノードとピアツーピアで接続される可能性がある。これにより、ネットワーク内のピアツーピア接続が変更され、新しいノードが他のノードと情報を共有できるようになる。

       • ネットワークの部分的な分断:

         新しいノードが追加されると、ネットワークが一時的に分断される可能性がある。新しいノードが同期を開始する際に、情報の取得や検証が必要となり、そのプロセス中に一時的な分断が発生することがある。

       • ネットワークの拡張:

         ノード数の増加により、ネットワーク全体の規模が拡大することがある。これにより、ノード同士の距離が遠くなり、情報の伝播にかかる時間が増加する可能性がある。

       • コンセンサスグループの変更:

         ブロックチェーンネットワークでは、コンセンサスグループがトランザクションの承認に関与する。ノード数の変化に伴い、コンセンサスグループの構成が変更されることがある。トポロジーの変更が同期に与える影響を検証し、適切に対応できるかどうかを確認するテストを行う。
          

   • スマートコントラクトの実行効率:

     • スマートコントラクトが増加すると、その実行に要するリソース（ガス）がどの程度増加するかを確認する。スマートコントラクトの処理が複雑になると、トランザクションの処理時間が増加する可能性がある。以下はその一例である：

     • 計算量の増加:

       スマートコントラクト内の複雑な計算や処理が増加すると、それに伴い実行に要するリソースも増加する。例えば、大きなデータセットの処理や複雑なアルゴリズムの実行が含まれる場合、それらはガス消費を増加させる可能性がある。

     • ストレージへのアクセス:

       スマートコントラクトが大量のデータを読み書きする場合、それに伴うストレージへのアクセスもガスを消費する。データの永続化や取得は、トランザクションの処理において重要な要素であり、増加するとガスの消費が増える。

     • 複雑な条件分岐やループ:

       スマートコントラクト内の複雑な条件分岐やループが増加すると、それらの制御構造も実行にガスを必要とする。複雑なロジックが組み込まれると、トランザクションの実行に要する時間が増え、ガス消費も増加する。

     • 外部リソースとの対話:

       スマートコントラクトが外部のデータや他のスマートコントラクトと対話する場合、それらの呼び出しや通信にもガスが必要である。チェイン外のデータや他のスマートコントラクトとの相互作用が複雑になると、それに対するガスの需要も増える。
        

   • 分散型ストレージの性能:

     • ブロックチェーンSNSが使用する分散型ストレージが、大量のメディアコンテンツ（写真、動画など）に対してどれくらい効率的に対応できるかを確認する。分散型ファイルシステムやIPFSなどを利用している場合、ファイルの取得速度やアップロード速度をテストする。
        

   • これらの具体的なテストを通じて、ブロックチェーンSNSが拡大に伴ってスムーズに機能し、ユーザーエクスペリエンスが維持されることを確認する。スケーラビリティのテストは継続的に行うことが重要で、将来の拡張性に備えてシステムを最適化するための手がかりを提供する。
      

3. セキュリティテスト:

   • ブロックチェーンシステムにはセキュリティ上の脆弱性が潜む可能性がある。セキュリティテストを通じて、悪意ある攻撃や不正アクセスに対する防御力を確認する。スマートコントラクトのコードレビューやペネトレーションテストが含まれるのだろう。以下に、セキュリティテストの一般的な手法や具体的なアプローチをいくつか挙げてみたい：

   • スマートコントラクトコードレビュー:

     • スマートコントラクトのコードを詳細にレビューし、セキュリティの脆弱性や悪意あるパターンを特定する。
     • コードの複雑性、条件分岐、外部呼び出し、エスクロー機能などを注意深く検討し、ポテンシャルな問題を発見する。
        

   • ペネトレーションテスト:

     • システム全体やスマートコントラクトに対してペネトレーションテストを行う。これは攻撃者の視点から、システムに侵入する可能性を検証するプロセスである。ペネトレーションテスターは様々な攻撃手法を模倣し、脆弱性の存在や対処すべきセキュリティの課題を特定する。

     • 脆弱性スキャン:

       システムやネットワークに対して自動的な脆弱性スキャンを実施し、既知の脆弱性を特定する。

     • 情報収集:

       ターゲットとなる組織やアプリケーションについての情報を収集する。これにはドメイン情報、IPアドレス、ユーザー情報、セキュリティポリシーなどが含まれる。

     • アクティブスキャニング:

       ネットワークやアプリケーションに対してアクティブなスキャンを実施し、オープンなポートやサービス、アクセス可能なリソースを探索する。

     • 脆弱性エクスプロイト:

       特定された脆弱性に対してエクスプロイトを実行し、攻撃者が不正なアクセスや悪意ある操作を行えるかを確認する。

     • パスワード攻撃:

       パスワードの弱さを評価し、辞書攻撃やブルートフォース攻撃などを用いてアカウントへの不正アクセスを模倣する。

     • ソーシャルエンジニアリング:

       人為的な手法を使用して、社会的な工作やユーザーからの情報漏洩を模倣する。これにはフィッシング攻撃や悪意あるメールの送信が含まれる。

     • セキュリティ設定の検証:

       システムやアプリケーションのセキュリティ設定が適切に構成されているかどうかを検証する。デフォルトの設定やセキュリティベストプラクティスに則っているかを確認する。

     • 不正アクセスの模倣:

       管理者権限や重要なデータへのアクセスを模倣し、それに対するシステムの反応や検知機構を確認する。

     • セキュリティポリシーの確認:

       システムが定められたセキュリティポリシーやガイドラインに従っているかを確認する。
        

   • デザインレビュー:

     • システム全体のデザインやアーキテクチャについてのレビューを行う。特に、フェデレーションの構造や通信プロトコルに関するセキュリティの脆弱性を検討する。
        

   • ガスの濫用対策:

     • スマートコントラクトがガスの濫用やリソースの過剰利用に対する保護策を検討する。これには、適切なガス料金の設定や不正利用を防ぐための仕組みが含まれる。
        

   • ネットワークセキュリティテスト:

     • フェデレーションメンバー間の通信やデータ転送に対するセキュリティを確認するためのテストを行う。暗号化や認証などの対策が実装されているか確認する。

     • 暗号化の確認:

       通信データが適切に暗号化されているかを確認する。これには、TLS（Transport Layer Security）やSSL（Secure Sockets Layer）などのプロトコルを使用しているかどうかを確認する。

     • 認証とアクセス制御:

       通信の双方が適切に認証され、アクセス制御が実施されているかを確認する。これには、適切な認証プロトコルやトークンベースのアクセス制御が含まれる。

     • 中間者攻撃のテスト:

       中間者攻撃に対する耐性をテストする。通信経路において中間者がデータを傍受、改ざん、または挿入できるかどうかを確認する。

     • データ完全性の検証:

       送信されたデータが途中で改ざんされていないかどうかを確認する。これにはデジタル署名やハッシュ関数を使用してデータ完全性を検証するプロセスが含まれる。

     • セッションハイジャックのテスト:

       セッションハイジャック攻撃に対する耐性をテストする。不正な手段でセッションを奪取されないかどうかを確認する。

     • 不正アクセスのシミュレーション:

       不正アクセスを試み、不正なデータアクセスやコマンド実行などに対する耐性をテストする。

     • セキュリティプロトコルの評価:

       使用されているセキュリティプロトコル（例: OAuth、OpenID Connectなど）が最新であり、適切に構成されているかどうかを確認する。

     • 脆弱性スキャン:

       フェデレーションメンバーのシステムやネットワークに対して脆弱性スキャンを実施し、既知のセキュリティ脆弱性が存在しないかを確認する。

     • 適切なログの設定:

       適切なログが収集されているかどうかを確認する。ログはセキュリティインシデントの検知や調査に重要である。
        

   • セキュリティパッチの管理:

     • 使用しているブロックチェーンプロトコルや関連ソフトウェアに対して、最新のセキュリティパッチが適用されているか確認し、必要に応じてアップデートを行う。

     • アップデートの確認:

       ブロックチェーンプロトコルや使用しているソフトウェアの提供元や公式ウェブサイトで、最新のバージョンやセキュリティパッチが公開されているかを確認する。

     • セキュリティアナウンスの確認:

       プロトコルやソフトウェアの提供元が公表したセキュリティアナウンスを確認する。これには修正されたセキュリティの脆弱性やバグに関する情報が含まれる。

     • 適用可能なパッチの選定:

       最新のセキュリティパッチが複数提供されている場合、システムに適用可能なものを選定する。アップデートには互換性の検証も含まれる。

     • アップデートの実行:

       選定したセキュリティパッチや最新のバージョンをシステムに適用する。これには、ソフトウェアのアップデートツールやプロセスを使用する。

     • 動作確認とテスト:

       アップデートが正常に適用されたことを確認するため、システムの動作確認とテストを行う。これにより、アップデートによって予期せぬ問題が発生していないかを確認する。

     • 監視とログの確認:

       アップデート後もシステムの監視を継続し、異常がないかを確認する。また、ログを確認してアップデートに関連する情報を収集する。

     • ドキュメンテーションの更新:

       アップデートの実施に関するドキュメンテーションを更新し、将来の参照のために保管する。
        

   • 検証可能性の確保:

     • システムの透明性や検証可能性を確保し、適切な監査が可能な状態を維持する。これにはトランザクションのトレーサビリティやオープンな監査ログの確保が含まれる。

4. コード品質と保守性

5. 法的および規制遵守

6. 分散型性の検証

7. ネットワーク互換性

8. 適切なブロックチェーンプラットフォームの選択

については、次回以降で記載したい。

いかがであろうか、これらの注意点を考慮することで、ブロックチェーンSNSのシステム評価をより効果的かつ包括的に行うことが可能となる。システム評価における効率性を追求していくと、あまりにも膨大な項目を考慮していかねばならず、労力がかかる。