ブロックチェーンコンセンサスアルゴリズムの比較ガイド: PoW と PoS

ブロックチェーン技術の分散分散ネットワークは、破損のないシステムを作成し、より高いセキュリティ、透明性、不変性を提供します。それはすでにご存知でしょう。しかし、中央機関のないシステムがどのように管理されているのか、またはトランザクションに関する決定がどのように検証されているのかを自問したことがありますか?

ブロックチェーン技術の最も重要な約束の 1 つは、トランザクションが本物かどうかの検証をコミュニティが支援するトラストレスなピアツーピア システムです。しかし、それがどのようにして起こるのか、正確に考えたことはありますか?そうですね、ブロックチェーンごとに、ブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムと呼ばれるさまざまな方法が使用されます。

コンセンサス プロトコルとも呼ばれるこれらのアルゴリズムは、ネットワークが動作するための一連のルールです。それが興味深いと思われる場合は、ブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムとは何か、その目的、仕組み、および現在使用されている 2 つの最も人気のあるアルゴリズムの違いを理解するための包括的なガイドを読んでください。

ブロックチェーンの仕組み

ブロックチェーンは、改ざんやハッキングができない情報を記録するシステムです。分散台帳技術 (DLT) とも呼ばれるブロックチェーンは、分散型暗号化ハッシュを使用して、デジタル資産の安全かつ透明性のある履歴を作成します。

ブロックチェーンはより複雑なシステム上で実行されますが、ブロックチェーンがどのように機能するかを最も簡単に示す例としては、Google ドキュメントが挙げられます。 Google ドキュメントで作成したドキュメントは、コピーして転送する代わりに、チーム内で共有して配布できます。

Google ドキュメントは分散型配布チェーンを使用しており、チーム メンバー全員が同時にドキュメントにアクセスできます。ドキュメント上で行われたすべての変更はリアルタイムで記録され、ロックアウトされるメンバーがないため透過的です。

ブロックのチェーン上の各ブロックには複数のトランザクションが含まれます。ユーザーがブロックチェーンに新しいトランザクションを追加するたびに、トランザクション記録がすべての参加者の台帳に追加されます。

同様に、ユーザーがチェーン内の 1 つのブロックを変更するたびに、参加しているすべてのコンピューターに変更が行われたことが明らかになります。システムを破壊しようとするハッカーは、チェーンのすべての分散バージョンにわたってチェーン内のすべてのブロックを変更する必要があります。

ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムとは何ですか?

コンセンサスメカニズムは、優れた中央当局のない人々のグループが意思決定に達し、合意の遵守を確保するための公式です。ブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムとは、ブロックチェーン ネットワーク内のユーザーまたはピアが、ブロックチェーンのリアルタイム状態に関する共通の合意またはコンセンサスに達するプロセスを指します。

コンセンサス プロトコルにより、ブロックチェーン ネットワークは分散台帳内のセキュリティを保証するだけでなく、信頼性を実現し、異なるノート間で信頼を生み出すことができます。コンセンサス アルゴリズムは、ブロックチェーン内のすべてのブロックチェーン アプリまたは DApps プロジェクトに不可欠な部分になります。

ブロックチェーンのコンセンサス メカニズムは通常、次の 3 つのことを担当します。

• これらは、チェーン内の次のブロックが真実の唯一の正しいバージョンであることを保証します。
• これらは、悪意のある攻撃者が 51% のハッシュ パワーに達してシステムを乗っ取り、チェーンのフォークに成功することを防ぎます。
• これらは、複数のノードを含むネットワークの信頼性を保証します。これは、ネットワークの完全性を確認するための最も重要な側面の 1 つです。コンセンサスメカニズムの最も重要な要素は、ユーザーが同じ暗号通貨を 2 回使用しないようにすること (二重支出) を保証することです。

クレジットカード会社やデビットカード会社などの他の金融サービスプロバイダーは、ブロックチェーン企業とは異なり、企業がネットワークを管理しているため、コンセンサスメカニズムを運用していません。ユーザーがクレジット カードを使用するたびに、システムは情報を中央データベースに送信します。クレジット カード ユーザーは、企業が取引中のデータとそれぞれの注文のプロセスの両方を保護できると信じています。

クレジット カード会社のみがそのネットワーク全体を管理しているため、あらゆる取引を取り消したり検閲したりする権利を留保します。検閲を受ける権利と紛争を解決できないことに加えて、ほとんどの集中型データベースはハッキングや破損のリスクに非常に敏感です。

ブロックチェーンと暗号通貨の時代に入ります。分散型ネットワーク内で信頼性、不変性、追跡可能なピアツーピア トランザクションを実行できるようになりました。このようなネットワーク内には、確立されたルールの遵守を強制する中央または上位の権限がないため、さまざまな種類のブロックチェーンコンセンサスアルゴリズムにより、ネットワーク内のすべての参加者がルールに同意し、ルールに従ってプレイすることが保証されます。

ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムの目標

ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムの主な目標は次のとおりです。

#1. 統一協定

統一的な合意を達成することは、コンセンサスメカニズムの主な目的の 1 つです。ブロックチェーンの分散ネットワーク内に組み込まれたプロトコルにより、プロセス中に入力されたすべてのデータが真実かつ正確であること、および台帳のステータスが最新の状態に保たれることが保証されます。その結果、ユーザーは必ずしもピアとの信頼関係を構築しなくても取引を行うことができます。

#2. 共通の経済的インセンティブを生み出す

ブロックチェーンはそれ自体を規制するトラストレスシステムであるため、すべての参加者の利益が一致する必要があります。このような状況では、ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムは、経済的インセンティブを規制しながら、ラインを守る者に報酬を与え、悪者を罰します。

#3. 公平性と公平性

コンセンサス プロトコルにより、関心のあるすべてのユーザーが同じ基本を使用してネットワーク内に参加できるようになります。結果として、ブロックチェーン システムの分散化とオープンソースの側面が正当化されます。

#4. 障害の除去

また、コンセンサス メカニズム方式により、ブロックチェーンの一貫性、信頼性、障害がないことが保証されます。これは、障害や脅威が発生した場合でも、システムが常に独立して動作できることを意味します。

ブロックチェーンコンセンサスアルゴリズムの種類: プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステーク

ブロックチェーンエコシステム内には多数のコンセンサスアルゴリズムがあり、さらに多くのアルゴリズムが現在も開発中です。したがって、すべてのユーザーや起業家は、さまざまなコンセンサス メカニズムの特徴を理解し、不十分なものを特定する方法を知っている必要があります。ブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムの基本を学習した後は、最も一般的な 2 つのコンセンサス手法の長所と短所を発見します。

Proof of Work (PoW) と Proof of Stake (PoS) は、 最も広く使用されているブロックチェーンのコンセンサス手法です。どちらも、中央機関を介さずにピアツーピアトランザクションが検証され、ブロックチェーンの公開分散台帳に追加されるプロセスを規制します。 PoW と PoS の違いを理解すると、ポートフォリオ内の暗号を簡単に評価できます。

プルーフ・オブ・ワーク (PoW) とは何ですか?

Proof of Work コンセンサス方式は、電子メール スパムに対処するために 1990 年代初頭に登場しました。その背後にある考え方は、コンピューターは電子メールを送信する前に少量の作業を実行する必要があるというものでした。この作業は、正規の電子メールを 1 ～ 2 通送信する人にとっては簡単な作業であるはずでしたが、大量の電子メールを送信しようとする人にとっては、膨大なリソースと計算能力が必要でした。ビットコインの創設者サトシ・ナカモトは、ビットコインのホワイトペーパーでデジタルマネー技術を初めて適用した人物です。

ａ．ブロックチェーンの注文

ブロックチェーンが時系列に並んだトランザクションのグループを表す一連のブロックで構成されていることはすでにご存知でしょう。プルーフ・オブ・ワークベースのブロックチェーンの最初のブロックはソフトウェアにハードコードされており、ブロック 0 またはジェネシス ブロックと呼ばれます。最初のブロックは前のブロックを参照しませんが、ブロックチェーンに入る他のすべてのブロックは前のブロックを参照する必要があります。それぞれが更新された台帳のコピーを運びます。

b.エネルギーの使用

Proof of Work アルゴリズムでは、参加者 (仮想通貨マイナー) のうち誰が台帳を調整できるかを決定する競争を使用します。マイナーは、ネットワークのルールに従って有効なブロックを提案する資格を得るために、計算エネルギーを使用する必要があります。

ノードとして知られるビットコイン ソフトウェアを実行するコンピューターは、トランザクションを検証し、二重支払いを防止し、提案されたブロックがチェーンに参加すべきかどうかを決定します。ビットコインマイナーは、ハッシュと呼ばれるプロセスを通じて複雑な数学的合計を解くことにより、新しいブロックを作成する機会を得るために互いに競争します。数学的問題を解決するのは難しいですが、ネットワークは正しい解決策を簡単に検証できます。

c.参加

PoW コンセンサス手法は、計算能力と暗号化を組み合わせてコンセンサスを構築し、ブロックチェーンに記録されたトランザクションを検証します。ハッシュプロセスに参加するマイナーは、チェーンに新しいブロックを追加する資格を得るために、数学的問題に対する正しい答えを生成する必要があります。

参加するマイナーは、一連の擬似乱数を推測します。この擬似乱数は、ブロック内の情報と結合され、ハッシュ関数コンピューターに渡されると、アルゴリズムによって事前に設定された条件と一致する解を提供する必要があります。

答えが得られると、システムは勝ったハッシュをネットワークにブロードキャストして、他のマイナーがその有効性を検証できるようにします。他のマイナーがハッシュを検証すると、ブロックがブロックチェーンに追加され、成功したマイナーはブロック報酬を通じて報酬を受け取ります。

d.報酬の配布

ネットワーク内で有効であると認められたブロックをマイニングした人は、ブロック報酬 (通常は新しい暗号通貨) を受け取ります。ビットコインのような暗号通貨の場合、ブロックチェーンは、資金の総量を有限かつデフレ状態に保つために、指定された数のブロックが作成された後、ブロック報酬額を体系的に削減します。

プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とは何ですか?

プルーフ オブ ステーク (PoS) コンセンサス方式は、2012 年にデビューした PoW の修正版です。正しいハッシュを作成するために相互に競合するコンピュータだけに依存するのではなく、PoS コンセンサス プロトコルの目的は、所有権を通じて参加できるようにすることです。特定の暗号通貨の。その目的は主に、ブロックチェーンの順序を決定するためのPoWの高いエネルギー消費に対処することでした。

PoS アルゴリズムは、事前に決定された一連の要素を使用して、コイン所有者の中からノードを擬似ランダムに選択し、ブロックチェーンに次のブロックを提案します。検証のためにブロックに署名してブロックチェーンに提案することに加えて、ブロック内のトランザクションの有効性を検証するのは、選択されたノードの役割です。

ａ．ブロックチェーンの注文

PoW メカニズムと同様に、PoS コンセンサス手法は、時系列に並べられた一連のブロックで構成されます。 PoS ベースのブロックチェーン内の最初のブロックも、ジェネシス ブロック ソフトウェアにハードコードされています。ブロックチェーンに追加される後続のすべてのブロックは、前のブロックを参照し、更新された台帳のコピー全体を保持する必要があります。ただし、PoS 方式とは異なり、参加ノードはブロックを追加するために選択されるために競合しません。その結果、新しいブロックは通常、採掘されるのではなく、鍛造または鋳造されます。

b.エネルギーの使用

PoS ベースのブロックチェーンは、エネルギー効率の高いシステムを使用して新しいブロックを提案できる人を決定し、高いエネルギー消費やコンピューティング能力に依存しないことで有名です。 PoS コンセンサスメカニズムの支持者は、これを、個々のノードが互いに競合するのではなく、新しいブロックを作成する業務を割り当てられる、環境に優しいメカニズムであると主張しています。

PoW マイニングと PoS ミントは両方ともエネルギー消費を必要とするため、マイニング ノードとミント ノードは可能な限り安価な形式の電力を使用するように動機付けられており、ほとんどの場合、石炭などの温室効果ガス発生源ではなく、水力発電、風力、太陽光などの再生可能資源から電力を供給します。

PoS マイナーは、少量のエネルギーを必要とするアクティブなインターネット ソースのみを必要としますが、一方、PoW マイナーは、ブロックを生成するチャンスを得るために、専用のハードウェア (GPU)、マイニング機器、その他の高価なデバイスを入手する必要があります。

c.参加

PoS コンセンサス方式に参加し、チェーンにブロックを追加するために選ばれるチャンスを得るには、ユーザーは特定のスマート コントラクトに特定量のブロックチェーン トークンをステークまたはロックする必要があります。参加者に選ばれる可能性は、ステークする暗号通貨の量によって決まります。

ユーザーが悪意を持って行動したり、定められたルールに違反したりすると、罰として賭け金を失う可能性があります。 PoS アルゴリズムは、最も裕福なノードだけが優先されることを避けるために、他のいくつかの決定要素を採​​用しています。そのいくつかには、純粋なランダム化やノードがコインをステーキングした回数などがあります。

d.報酬の配布

PoW コンセンサス メカニズムと同様に、有効なブロックの提案に成功したユーザーは、ブロックチェーンの暗号通貨を参照してブロック報酬を受け取ります。それにもかかわらず、コインの所有権が選択を決定するため、一部の暗号通貨取引所は、定期的な支払いと引き換えにユーザーに代わってステークを置くことでステークサービスを提供しています。

PoW 対 PoS: 未来はどこに属するのか?

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークのブロックチェーンコンセンサスアルゴリズムに関する私たちの評決は、どちらも同じ目的を達成するために異なる働きをするということです。ただし、プルーフ・オブ・ステークは市場ではまだ比較的新しいため、どちらが完全な勝者であるかについて判断を下すのは不公平である可能性があります。

PoW は、ビットコインやイーサリアムなどのほとんどの独自のブロックチェーンにおける伝統的なコンセンサス メカニズムです。ただし、イーサリアムは、新たなコンセンサス手法の可能性を示すために、新しい PoS プロトコルの採用を進めています。

PoW コンセンサス メカニズムは時の試練に耐え、ブロックチェーンを保護する方法として機能することが証明されています。ただし、ネットワークのスケーラビリティに悪影響を及ぼし、トランザクションに悪影響を及ぼしました。最近では、膨大なコンピューティング能力を持つ大規模な集中マイニング組織がマイニングを引き継ぎ、関連コストが持続不可能になったため、個人がマイニングする機会がめったにありません。

一方、PoS アルゴリズムはエネルギー効率が高く、その下のネットワークはより高いスケーラビリティとより効率的なトランザクションを享受できます。ただし、このメカニズムでは、参加者がステークした暗号通貨のセキュリティは低くなります。

結論

PoS は、PoW メカニズムに固有の欠陥に対処するために登場しましたが、もちろんエネルギー効率の面で成功を収めました。ただし、イーサリアムが PoS に引き寄せられている一方で、ビットコインが PoW に固執していることを考慮すると、両方のブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムが近い将来に存在する可能性があります。

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