プルーフオブステーク(PoS)の仕組み。プルーフオブワークとの違い

イーサリアム(Ethereum)のアップデートセレニティで導入予定のプルーフオブステーク(Proof of Stake:PoS)の仕組みを解説します。前提知識はなるべく必要のないように解説したいと思います。

クリトピさん

プルーフオブワークの欠点を補うためにプルフオブステークが開発されました。セレニティについても解説します。

プルーフオブステーク(Proof of Stake:PoS)とは

プルーフオブステーク(Proof of Stake:PoS)は、簡単に説明すると「持ち分証明」と言います。

コインの持ち分が多ければ多いほど、ブロックを作成できる確率が上昇するアルゴリズムです。

プルーフオブステークの一般式は下記の通りです。

つまり簡単言うと、コインの持ち分が多いと数値が大きくなり、難易度が上がると数値が小さくなることを表した式です。持ち分が多ければ多いほど左辺が大きくなるのでハッシュ値を探しやすくなります。

コインの持ち分CoinAgeと言う、古いコインほど評価を下げる仕組みを採用する場合もあります。

プルーフオブステークはコンセンサスアルゴリズム

プルーフオブステークは、ブロックチェーンにおけるコンセンサスアルゴリズム(承認アルゴリズム)の一つです。

コンセンサスアルゴリズムとは、取引を正しいと証明する方法です。
銀行などで、お金を送金する場合は、中央の管理者が取引の不正が起こらないように絶えず監視しています。仮想通貨は、中央管理者が不在なため、取引を正しいと証明する仕組みが模索されています。

プルーフオブワーク(Proof of Work)とは

プルーフオブステーク(PoS)の利点を理解するためには、まずビットコインで用いられている一般的なアルゴリズムであるプルーフオブワーク(Proof of Work:以下PoW)を理解する必要があります。PoWについて理解されている方は読み飛ばしてしまって問題ありません)

PoWは直訳すると「仕事量による証明」です。つまり多くの仕事をした人を正しいとするアルゴリズムです。
ブロックの承認(コンセンサス)は以下の手順で行われます。

  • STEP.1
    ブロック作成
    複数の取引を一つにまとめた取引群のブロックを作る
  • STEP.2
    ハッシュ値検索
    マイナーたちは、すでに承認されているブロックに、1.で作成した未承認のブロックをチェーンで繋げるためにハッシュ値を検索する。ハッシュ値の検索は、例えるなら「暗証番号を連打して解読するようなもの」なので大量のマシンパワー(電力)を消費して行う。
  • STEP.3
    ネットワークノード提示
    マイナーの中で、いち早く暗号を解いた人が未承認ブロックをネットワークノードに提示する
  • STEP.4
    投票
    提示されたブロックが正しいかどうかを、ぶつけたハッシュ量(暗証番号の連打量)を投票券として投票する
  • STEP.5
    承認
    51%以上の承認が得られれば正式なブロックとして承認される
  • STEP.7
    報酬獲得
    承認を得たマイナーは25BTCの報酬を得る

ここで注目していただきたいのは、大量のマシンパワーを消費すると言う点です。電力消費の問題からプルーフオブワークを改善する仕組みが模索されており、その方法がプルーフオブステークです。

プルーフオブワークに関して詳しく知りたい方は下記のリンクで解説しています。

【図解】誰でもわかるプルーフ・オブ・ワーク(proof of work)の仕組み

PoWは低確率でチェーンが分岐する

PoWのアルゴリズムでは、マイナーAとマイナーBがほぼ同時に、暗号を解読した場合、双方が承認されてしまう場合があります。
そのようなことが起きた場合、その両方を正しいチェーンとして承認し分岐して進行します。そして最終的に分岐したチェーンの長い方を正しいチェーンとして、もう一方のチェーンを破棄します。

分岐が起きた場合、マイナーはどちらか一方のチェーンのみをマイニングすることになります。
なぜなら分岐した両方をマイニングすると、ハッシュパワーが分散しマイニングが成功しにくくなるためです。つまりマイナーは、承認が早そうな(破棄されないと予想される)チェーンに、命運をかけてマイニングを行うわけです。

プルーフオブステーク(PoS)の利点

PoWの仕組みと比較してPoSは下記の二つの利点があります。

【利点1】消費電力が少ない

PoWと比較して消費電力が圧倒的に少ないです。PoSはコイン保有量が多ければマイニングの難易度が低下するため消費電力をその分抑えることができます。

【利点251%攻撃が難しい

PoWでは51%以上の投票でブロックが承認されます。そのためハッシュパワーの51%をマイナーが保有すれば取引を改ざんすることが可能です。(これを51%攻撃と言います)

しかしPoSでは、51%攻撃を行うにはコインの過半数以上の獲得を行わなくてならず、非常にコストがかかります。また攻撃を実際に仕掛けると、攻撃者が過半数以上を保持しているコイン価格が暴落し、資産が減るため攻撃するインセンティブがありません。そのため51%攻撃が起こりにくいとされています。

プルーフオブステーク(PoS)の欠点

プルーフオブステークには一方で欠点もあります。いいことばかりではありません。大きく3つの欠点があります。

【欠点1】 コインの溜め込み

持ち分が多い方が有利なので、コインが溜め込まれ使われない傾向にあります。貨幣は使われてこそ価値があるものです。使わなければお金もただの紙切れ。流動性を失いやすく価格が安定しにくいリスクがあります。

その対策としてProof of Stake Velocityと言うアルゴリズムが存在します。これは古いコインの持ち分評価を下げる(Coin Age)を用いています。ReddcoinはCoinAgeを用いた承認アルゴリズムを使用しています。

【欠点2】Nothing at stake

  • 短期的問題
    チェインが分岐した際に、分岐したチェイン両方をマイニングすることが可能です。PoWの場合、ハッシュパワーが分散するため片方しかマイニングができませんが、PoSでは片方だけマイニングするインセンティブがなく、チェーンが分岐し続ける恐れがあります。
  • 長期的問題
    ブロック承認コストが低いため、最初に作成されたブロックから全て作り直して偽造することが理論上可能となっています。

【欠点3】低コスト51%攻撃

51%攻撃が難しいのがPoSと説明しましたが、下記の手順を行うと非常に低コストで51%攻撃が可能です。

  1. コインの51%を購入すると宣言する(そのための資金を持っていることも示す)
  2. システムの維持が不可能だと予期した人々が、コインを売り価格が急落する
  3. 急落したらコインを買い占める
  4. 低コストで51%のコインを獲得する

イーサリアムで採用予定

イーサリアムでは、次期アップデートでプルーフオブステーク を採用予定です。
イーサリアムでは、プルーフオブステーク の弱点を補うために、シャーディングとレイヤー2という二つの方法を組み合わせて、プルーフオブステークに切り替えようとしています。

今後のアップデートに注目したいです。

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クリトピさん

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