イーサリアムのキャスパー(Casper)とは何か?わかりやすく図解

暗号通貨に興味があるならば、時価総額第2位のイーサリアム(Ethereum)が採用しようとしているコンセンサスアルゴリズム「キャスパー(Casper)」を理解する必要があります。

このキャスパー(Casper)で、現在のプルーフオブワークのアルゴリズムからプルーフオブステーク(PoS:Proof of Stake)へ移行します。

プルーフオブステークは一部で中央集権化を招くと言われていますが、この記事を読めば、プルーフオブワークよりもより分散化し民主化したアルゴリズムだと理解できます。

プルーフオブワーク(PoW:Proof of Work)とは何か?

ビットコイン(bitcoin)を含むほとんどの仮想通貨はプルーフオブワークのプロセスを必要としています。

プルーフオブワークのステップを簡略化すると3つのステップから行われます。

プルーフオブワークの3ステップ
  1. マイナーは暗号パズルをといてブロックをチェーンに追加する
  2. このプロセスは膨大な作業量(電気量)を必要とします。このプロセスに参加すること自体に課税(コストを払う)ことになります。
  3. いち早く解いたマイナーが、ネットワークにブロックを提示し、51%以上の賛成で承認され報酬を得る

よりプルーフオブワークについて知りたい方は下記のリンクで詳細に解説を行なっています。

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

このアルゴリズムは非常にシンプルで美しいですが、いくつかの欠点があります。

プルーフオブワーク(Proof of Work)の問題

かなり昔からプルーフオブワークの問題点はコミュニティで議論されています。指摘されている問題は下記の通りです。

プルーフオブワークの問題
  • プルーフオブワークは膨大な電力を消費し、エネルギーコストが非常に無駄である
  • より高速でより強力なASICを提供できる人や組織はマイニング可能性が高くなる
  • この結果、ビットコインは望むほど分散されていない。下記がハッシュレートの分布グラフです。全体の65%が5つのマイニングプールが寡占しています。
    Ethereumキャスパープロトコルとは何ですか? 短期集中コース
  • 論理的に言えば、大規模プールの5つが協力すれば51%攻撃が可能になる。不正ブロックを承認してしまうリスクがあることになる。

そこでVitalik氏含むイーサリアムコミュニティは、問題解決の方法としてCasperを提案しています。

プルーフオブステーク (PoS:Proof of Stake)とは何か?

プルーフオブステークは、マイニングプロセスにおけるマイナーをバリデーター(検証者)に置き換えることです。

プルーフオブステークの仕組みは下記の通りです。

プルーフオブステークの3ステップ
  1. バリデーターは自身のコインを担保にしなくてはいけない
  2. ブロックの検証を開始する。チェーンに追加できると思うブロックに対して、掛け金を投入して検証する
  3. ブロックが追加できると、バリデーターはベットした金額に比例する報酬を受け取る
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

プルーフオブステークは効率的プロセスですが、重大な欠陥を抱えています。イーサリアム開発者は、プルーフオブステークの最大の欠陥に取り組まなくてはいけませんでした。

 

プルーフオブステークの問題:Nothing at Stake

上記のような状況を仮定します。

青いチェーンが正しいチェーンで、悪意のある者が赤い鎖を分岐したとします。プルーフオブステークアルゴリズムでは赤い鎖をストップする理由はなんでしょうか?分岐を止めることができません。

プルーフオブワーク(PoW)はこのリスクを緩和している

プルーフオブワークは、ブロックの承認にエネルギーがかかります。そのため悪意のあるマイナーがブロックを分岐させようとした場合、正しいチェーンよりも大きなエネルギーを必要とします。

マイナーが適切に分散されていた場合、リスクのあるブロックにエネルギーを割くことはありません。つまり青いブロックにエネルギー量で勝ることができず、赤いブロックにかけたエネルギーが無駄になります。

マイナーはいわばエネルギーを、賭け金としてブロックを採掘しています。この賭け金を無駄にしたくないという力が働くことで分岐を防いでいます。

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

イーサリアムのキャスパー(Casper)は?

先に述べたように、プルーフオブステークは問題点があります。

しかし、イーサリアムのキャスパー(Casper)は他のステークプロトコルとは異なり、懲罰の仕組みが入っています。

キャスパー(Casper)プロトコル
  1. バリデーターはEtherの一部をステークとして掛けます
  2. その後ブロックの検証を開始します。チェーンに追加できるブロックを発見しそのブロックに掛け金を入れます。
  3. ブロックが追加されると、バリデーターはベッドに比例した報酬を得ます
  4. (追加)バリデーターが悪意のある行動をして、「問題ないと報告」すると、すぐに叱責(Slash)され、掛け金を没収される

ご覧のようにCasperはビザンチン将軍問題を回避するよう設計されています。バリデーターは怠惰や怠慢で誤った承認を行わないように最新の注意を払うことになります。

これによってネットワークに貢献している人ほど報酬を受け取ることができるようになり、健全なシステムが維持されます。

もう一度、ブロックチェーンの図を見てみましょう。

プルーフオブワークでは、電力消費を賭け金としてチェーンを分岐していましたが、キャスパー(Casper)では、ブロックに投じた賭け金が無駄になることになります。

ブロックチェーンへの攻撃がリスクあるものとすることで改ざんを防ぎます。

二つのプロジェクト:FFGとCBC

「casper ethereum」の画像検索結果

キャスパー(Casper)は一つのプロジェクト名ではありません。イーサリアム研究プロジェクトによって行われている二つのプロジェクトの合併です。二つのプロジェクトは次の通りです。

Casperの二つのプロジェクト
  1. キャスパーフレンドリーファイナルガジェット(FFG)
  2. キャスパーフレンドリーゴースト(CBC)

Casper FFG(キャスパーフレンドリーファイナルガジェット)

Casper FFG(キャスパーFFG)は、別名「Vitalikのキャスパー」とも呼ばれている「ハイブリットPOW / POSコンセンサスアルゴリズム」です。

これは最初に実装が予定されているCasperのバージョンです。これはプルーフオブステークへの移行を簡単に行う目的で作られています。

ブロックはまだ、プルーフオブワーク(PoW)を介して行われますが、50ブロックごとにチェックポイントが設けられ検証はプルーフオブステークで行われます。つまり最終的なチェックは、バリデーターによって行われるようになります。

Casper CBC(キャスパーフレンドリーゴースト)

キャスパーCBC、別名Vlad’s CasperはCBC(correct-by-construction)プロトコルを使用しています。このCBCはイーサリアムプラットフォーム上のプロトコル設計を規定するようなアップデートとなっています。

ご覧のように、Ethereum開発チームは、この2つのCasperプロジェクトと連携して仕事をしています。

これは明らかに最終版にはなりませんが、それがどんなものであろうと、Vlad’sとVitalik’s Caspersの両方に大きな影響を受けます。

なぜ我々はキャスパー(Casper)が必要なのか?

プルーフオブステークを実装するには下記のような利点があります。

プルーフオブステークの利点
  1. 権力分散の支援
  2. エネルギー効率が高い
  3. 経済的な安全を保障する
  4. スケーリング
  5. PoSへの移行

1. 権力分散の支援

上で見たように、POWプロトコルはもはや分散化されていません。ビットコインのハッシュレート分布をもう一度見て見ましょう。

Ethereumキャスパープロトコルとは何ですか? 短期集中コース

イーサリアムのマイニングプールのハッシュレート分布は次の通りです。

Ethereumキャスパープロトコルとは何ですか? 短期集中コース

ご覧のようにハッシュレートの分布は、大規模な特定のプールに集中しています。大規模プールは大きな収益を上げることができるので、より高価なコンピューターを導入することができます。リッチなプールはよりリッチになっていくのです。

一般的には、「規模の経済」と呼ばれ、より大きく巨大な組織にしていけばいくほど、固定費のコストが下がり収益性が上がっていきます。つまり、多くの収益を上げるマイニングプールがより豊かになっていくと言う意味では非常に中央集権的です。

2. エネルギー効率

プルーフオブワークの最大の欠点は膨大なエネルギーの消費です。下の図はビットコインのエネルギーの消費量の増加を表したグラフです。

Ethereumキャスパープロトコルとは何ですか? 短期集中コース

ビットコインの年間グローバル鉱業コストは1,423,794,674ドルです。

ビットコイン年間28.48TWh相当の電力を消費します。エクアドルは年間約21 TWhを国全体で消費していますが、それを凌駕しています。この非効率なプロセスはイーサリアムにおいては見直されるべきです。

3. 経済的安全

POS、特にキャスパーが持つ最大の利点は、経済的なセキュリティです。

これについて考えてみましょう。あなたがバリデーターであり、あなた自身のお金がネットワークのステークとして保管されているとします。

ネットワークの最大の利益のために行動することは、あなた自身の利益になります。なぜあなたは、賭け金を失うリスクを背負ってネットワークに攻撃するのでしょうか?

またネットワークを攻撃することは、あなたが保有するETH自体の価値も毀損する事になります。

4. スケーリング

プルーフオブステークに移行する最大のメリットは、シャーディングを可能にする事です。

シャーディングとは簡単に言うと、ブロックを同時並行で処理していく事です。例えばブロックA、ブロックB、ブロックCがあった場合、グループを3つに分けて承認していくことが可能です

ブロックA → グループA
ブロックB → グループB
ブロックC → グループC

この際に、素早く適切にマイナーを分割しなくてはいけません。プルーフオブワークではハッシュパワーを均等に分ける必要がありますが、理論上それは不可能です。またハッシュパワーの低下によってセキュリティが低下します。

プルーフオブステークであれば、マイナーの分割も最適化可能です。

プルーフオブワークは中央集権ではない

プルーフオブステークの、反論として中央集権となり「豊かな人がより豊かになる」と言う理論です。多くのステークを掛ける事ができる人が、より多くの報酬を得る事ができるからです。

しかし、この意見に対してJon Choiは次のように反論しています。

「プルーフオブステークが、ビットコインのプルーフオブワークよりも、より平等な(すなわち、より多くの資本を有することへのメリットが少ない)ものでなければなりません。

この背後にある理由は、上にも述べたように「規模の経済」です。プルーフオブワークのプロトコルは、より収益を上げているマイニングプールがより豊かになっていき寡占化していきます。

イーサリアムのプルーフオブワークは、規模が拡大すればするほど有利になっていくような仕組みではありません。つまり、巨大な組織が1万Etherをプールすることと、1万人が1Etherをプールする事が等価値だと言う事です。

キャスパー(Casper)の未来

Vitalik Buterinによると、Casperは最初のテストネットが近づいてきたようです。

キャスパーがうまく実装されれば、他の暗号化通貨も追従して移行するかもしれません。現在は、プルーフオブワークコインが多いのは、うまく動いている事が確認できているのがPoWのみだからだと考えています。

ビットコインはPoWの究極的な社会実験としてプロジェクトが始まり成功を収めていますが、多くの通貨は過去の成功事例を採用するのが最適だと判断してしまいます。まだ検証されていないPoSと言うリスクのある手法を採用する事がありません。

イーサリアムには、是非ともビットコインの次の成功事例としてキャスパーを成功してほしいと思います。

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