ブロックチェーンの仕組み 5つのコンセンサスアルゴリズムと対応の暗号資産紹介

ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは

ブロックチェーンは各ノードが同じデータを同じ量だけお互いに持ち合いそのデータの正当性を担保している仕組みを取っております。

そこで重要なのは、「どのようにしてお互いのデータが正しいと担保しているのか」です。 この仕組みを「コンセンサスアルゴリズム」と呼ばれおり、コンセンサスの取り方は仮想通貨それぞれによって異なります。

5つのコンセンサスアルゴリズム

PoW(Proof Of Work)

暗号資産の代表銘柄

ビットコイン

アルゴリズムの概要

プルーフ・オブ・ワーク（Proof of Work、PoW）は、ブロックチェーンネットワークにおける合意形成アルゴリズムの一種です。管理者がいないP2Pネットワークにおいて、ブロックチェーン上に正しくトランザクションが記録されるようにする作業のことです。

分散型元帳上で稼働する大半の暗号資産(仮想通貨)のシステムはブロックチェーンと呼ばれ、Proof of Workは初めて使用されたコンセンサスアルゴリズムです。

PoWはBitcoinプロトコルのコアコンポーネントとして実装され、マイニングプロセスを通じて、ネットワークを安全に維持する役割を果たしています。

Bitcoinは中央集権で、非効率的な既存のグローバル金融システムの代替として提案されました。PoWは中央集権的な機関なしで金銭の移転を可能とする実行可能なコンセンサスプロトコルを導入しました。PoWはリアルタイムの分散型決済とP2Pエコノミックネットワークを提供し、仲介人を不要都市、取引の全体的なコストを削減しました。

他の種類のノードとともに、Proof of Workシステムはマイニングノードのネットワークによって維持されています。マイニングノードは、特殊なハードウェア（ASIC）を利用して複雑な計算問題を解決しようとします。平均的に、新しいブロックは10分毎に発行されます。そのブロックのための解を見つけたときにのみ、そのマイナーはブロックチェーンに新しいブロックを追加できます。言い換えると、マイナーはProof of Workを完了した後にしかブロックを追加できず、追加できた場合は新しく発行されたコインとそのブロックの取引手数料全てが報酬としてマイナーに与えられます。それにも関わらず、大量の電力が必要で、ブロックを発行できない場合もあるためコストが膨大になります。さらに、ASICハードウェアはかなり高額です。

PoWシステムがどこまで適用できるのかと言う問題があります。特に、TPSがかなり制限されているため、スケーラビリティが問題となっています。しかしながら、PoWブロックチェーンは最も安全で、信頼できると考えられており、フォールトトレラントなソリューションのスタンダードであり続けます。

PoWベースの暗号資産(仮想通貨)には、セキュリティを維持するために大量の電気代を消費します。マイニングの中央集権化と企業支配傾向の増加、マイニングに莫大な初期投資が必要といったデメリットがあります。

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通貨紹介

暗号資産(仮想通貨)の技術ブロックチェーンの仕組み分散型台帳とは

ブロックチェーンとは何か具体的にどういったものなのか説明しているホームページ見てもよくわからないという人向けにわかりやすく解説しています。

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PoS(Proof Of Stake)

暗号資産の代表銘柄

イーサリアム

アルゴリズムの概要

Proof of Stake（PoS）は、PoWの電力問題やマイナーの寡占化といった問題を克服しようと考案されたメカニズムです。様々な仕様が提案されていますが、ネットワークのネイティブ通貨の保有量に応じて、ブロック生成者が確率的に選ばれるという仕組みを基本としています。また、PoWと同様に、PoSにおいてもブロック生成者は報酬としてコインを獲得可能です。

PoSは、ブロックを生成するために必要な計算リソースがPoWより大幅に削減されました。そのため消費電力も少ない点がPoWと比較したとき大きな利点となります。PoWのように膨大な計算リソースに依存することが無く、コインの保有量に基づいて確率的にブロック生成者が選ばれます。

2020年1月現在、PoS系のブロックチェーンは増えており、PoWを採用しているイーサリアムも将来的にはPoSへと移行する予定です。PoSの研究開発が進められており、PoSはPoWに代わる仕組みとして期待されています。

しかし、PoWほど稼働実績がないため、どちらのメカニズムの方が高いセキュリティを低コストで享受できるかは定かではありません。ただ、51％攻撃を行うには、（理論的には）ネットワーク上の過半数のコインを保持する必要があるため、時価総額の大きなコインであれば攻撃コストは高くなるでしょう。

PoSを採用すれば、たしかにPoWよりも電力消費を抑えられます。しかし、コインのステーキングによってブロック生成確率が上がる仕組みであるがゆえに、ネットワーク上に流通するコインの総量が減り、流動性が下がるのではないかという懸念もあります。さらに、コインの大量保有者ほど、ブロック生成報酬を獲得できるため、構造的に経済格差が拡大する仕組みだという批判もあります。

その他にも、PoSチェーンでは、計算コストをあまり掛けずにブロックを生成できてしまうため、ブロックチェーンがフォークした際に、すべてのブロックに対して容易にマイニング可能です。これは「Nothing at stake問題」と呼ばれており、対策としては、採用されなかった（正史とならなかった）ブロックをマイニングした場合にペナルティを課すなどの提案が行われています。

また、PoS系コインをいかに公平に分配するかという点もセキュリティの観点から検討課題となっています。

DPoS(Delegated Proof Of Stake)

暗号資産の代表銘柄

テゾス、Lisk

アルゴリズムの概要

Delegated Proof of Stake（DPoS）は、ネットワークからの投票によって選出されたブロック生成者が新しいブロックの生成・検証を行う仕組みです。投票権があるのは、ネイティブ通貨を保有しているノードであり、ブロック生成者に対してブロック生成を委任（Delegate）しています。DPoSは、PoSよりもさらに民主的な仕組みです。

ブロック承認速度の上昇が期待できるが、ブロック生成者による不正リスクがあります。

DPoSは、選出された少数のノードがブロックを承認するため、PoWやPoSよりもスループット（単位時間あたりの処理能力）が高くなります。また、PoWのように膨大な計算が必要な訳でも無いので、電力消費も少なくて済みます。

ただ、ブロック生成者が結託して、不正を働くリスクが他のメカニズムよりも高くなってしまう点がデメリットです。このリスクに対しては、不正を働いたブロック生成者を追放する仕組みなどが提案されています。DPoSもPoSと同様に、時間をかけて検証されている最中です。

PoC(Proof Of Consensus)

暗号資産の代表銘柄

リップル(XRP)

アルゴリズムの概要

ブロックチェーンの種類でXRP Ledgerでのみ稼働する仕組みです。リップル(XRP)飲みに対応しているコンセンサスアルゴリズムです。PoCでは予めブロックを承認するノードが定められていて、変更出来ない仕組みとなってます。バリデーターと呼ばれる取引の承認作業を行う特別なノードが存在します。バリデーターと言われる承認者の80%以上が承認すれば取引が成立する仕組みです。

メリットは承認者が予め定められ、その承認者の80%以上が承認すれば良いため送金スピードが速く、最速4秒を計測しました。また、電気代も非常に安く新たな国際送金インフラとして期待されています。

デメリットはバリデーターが存在しているため中央集権的なイメージを持たれております。また、バリデーターが結託して情報操作などが行われるリスクがあり、プライベートチェーンという意味合いでは仕組み自体は活用できるかもしれませんが、それ以外では少し活用する際にリスクがあります。

PoI(Proof Of Importance)

暗号資産の代表銘柄

ネム(XEM)

アルゴリズムの概要

PoIは、NEMの目的・思想つまりシステム内での経済活動の貢献度に基づいて開発されたアルゴリズムです。

PoIは、PoW（Proof of Work：プルーフ・オブ・ワーク）やPoS（Proof of Stake：プルーフ・オブ・ステーク）などのマイニングによってもたらされる富の遍在化を妨ぐ目的で誕生しました。

PoWは大規模なマイニングシステムを構築できる一部の人間に富が偏在するという問題を抱えていました。PoSはこうしたPoWの問題を解決するため、通貨保有量に応じてマイニングの成功率が上がるよう設計されましたが、PoW同様に一部の人間に富が偏在する可能性が指摘されています。

PoIでは、NEMコミュニティへの貢献度（NEM保有量や取引量）に応じて「重要度」が設定され、重要度の高いユーザーが報酬を得ることができる仕組みが導入されました。NEMの「保有量」「保有期間」「利用量」などから得られるスコアを1日ごとに加算していき、スコアが一定の数値を超えた時点で報酬を得ることができる仕組みとなっています。

ブロックチェーンにおける合意形成のアルゴリズムには、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）やプルーフ・オブ・ステーク（PoS）があるが、それらで問題視されていた、マイニングに伴う富の偏りを防ぐことに主眼を置いて開発されたアルゴリズムが、プルーフ・オブ・インポータンス（Proof of Importance、PoI）である。PoIでは「システム内での経済活動の貢献度」が重視され、そのおかげで平等な分散型プラットフォームが実現される。PoIは、NEMで独自導入された。

まとめ

コンセンサスアルゴリズムはブロックチェーン技術の根幹でもあるので非常に重要な知識です。

コンセンサスアルゴリズムを理解できればブロックチェーンの仕組みは大まかに見えてきます。学ぶ上で実際に投資は必要です。少額から投資ができるので暗号資産の投資から始めてみてはいかがでしょうか