プルーフオブステーク(Proof of Stake/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(Proof of Stake / POS)は、ビットコインに採用されているプルーフオブワーク(Proof of Work / POW)に代わる「コンセンサスアルゴリズム」として開発されています。

プルーフオブステークを採用しようとしている代表的な通貨として「イーサリアム(ETH)」が挙げられます。イーサリアムは、現在はプルーフオブワークが採用されていますが、最終アップデート「セレニティ」でプルーフオブステークへの移行が予定されています。

この記事では、イーサリアムが採用予定の「プルーフオブステーク(POS)」の仕組みを詳細に解説していきます。

なおイーサリアムの仕組みを知りたい方は下記のリンクで詳しく解説しています。

イーサリアム(ETH)の特徴と仕組み – スマートコントラクトを徹底解剖

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。「コインの持ち分」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。

誰でもわかるビットコインのマイニングの仕組み。プルーフオブワーク(PoW)がなぜ改ざんが難しいのか?徹底図解

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)のメリット/利点

プルーフオブワーク(POW)の仕組みと比較して、プルーフオブステーク(PoS)は下記の二つの利点があります。

  1. 消費電力が少ない
  2. 51%攻撃が難しい

順番に解説していきます。

【利点❶】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❷51%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)のデメリット/欠点

プルーフオブステーク(POS)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。

  1. コインの溜め込み
  2. Nothing at stake
  3. 低コスト51%攻撃

順番に解説していきます。

【欠点❶】 コインの溜め込み

「コイン持ち分」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❷】Nothing at Stake

Nothing at Stakeは、「短期的問題」と「長期的問題」が存在します。

  • 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❸】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

イーサリアムの最終アップデート「セレニティ」で採用予定

イーサリアムでは、最終アップデート「セレニティ」でプルーフオブステーク(POS) を採用予定です。

セレニティで実装されるプルーフオブステークは、「キャスパー(Casper)」と呼ばれ、前述の欠点を克服したアルゴリズムとして実装提案がされています。

今後のアップデートに注目したいです。

イーサリアムの最終形セレニティで何が変わるのか?価格への影響 イーサリアムのセレニティはいつ実行?キャスパー・シャーディングの予定

イーサリアムのPOS「キャスパー(Casper)」とは?

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。

下記リンクで詳しく解説しています。

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

イーサリアム(ETH)購入にオススメの取引所は?

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