9.4 プルーフ・オブ・ワーク (PoW) とプルーフ・オブ・ステーク (PoS) の違い

この記事では、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) vs プルーフ・オブ・ワーク (PoW) 」の議論について説明します。

ブロックチェーンの問題に関して言えば、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW)」は避けては通れない問題です。前の章では、これら両方のメカニズムの定義について説明しましたが、この主題についてはもう少し詳しく見ていく必要があります。

この議論がこれほど激しいのには理由があります。これからこの記事で見ていくように、双方にはどうしても和解できない強い主張と利点があり、この議論については将来、更に激しくなる可能性があります。

この記事では、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW) とは何か？」という問題を詳しく解説していきます。 具体的には、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW) 」でイーサリアムのマイニングに関して何が変わったのか、2 つのメカニズムの違いは何か、そしてその他PoSとPoWに関する質問にも合わせて答えていきます。

では、始めていきましょう！

ビデオ解説

動画解説: プルーフ・オブ・ワーク (PoW) とプルーフ・オブ・ステーク (PoS) の違い

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Proof of Work vs Proof of Stake: Which is Better? (ANIMATED)

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定義

「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW)」とは何かを理解するためには、まず次のことを理解する必要があります。それは、PoSとPoWは両方ともコンセンサスメカニズムであるということです。では、そもそもコンセンサスメカニズムとは何でしょうか？

コンセンサスメカニズムとは、ブロックチェーンがどのように機能するかを説明するルールブックのようなものです。これは、トランザクションを検証する正しい方法と、トランザクションをブロックチェーンに追加する順序を計画します。そうすることで、すべてのネットワーク参加者が同じ情報を確実に受け取ることができ、悪意のある行為、改ざん、不正行為を未然に防ぐことができます。

例えば、これは道路交通ルールと似ています。すべてのドライバーはルールに同意し、道路を運転する際に何が起こるかを事前に知っています。比較を続けると、たとえば、英国は交通に関しては異なる「合意メカニズム」に基づいて稼働していると言えるでしょう。イギリス人は全員左側通行ですが、依然として組織的なシステムが普及しています。それもすべて「コンセンサスメカニズム」のおかげです！

共有ルールのセットを遵守することは、ブロックチェーンの整合性を維持し、安全を保つため重要です。これらすべては、中央当局を必要とせずに、すべてコンセンサスメカニズムのおかげで達成されます。

異なるブロックチェーンには異なる仮想通貨があります。そして、これらのブロックチェーンが従う一連のルールは、多くの場合、異なります。 PoWとPoSは、両方とも異なるコンセンサスメカニズムであるため、簡単に言えば、これらは 2 つの異なるルールブックです。PoWとPoSの他にもたくさんのコンセンサスメカニズムがありますが、これらは最もよく知られ、広く使用されている 2 つの仮想通貨、ビットコインとイーサリアムで動作するため、数あるコンセンサスメカニズムの中でも最も有名なものとして挙げられます。

基本原則

以上が、コンセンサスメカニズム、ブロックチェーン、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW)」の議論の要約と基本的な理論でした。それでは、ここからはその核となる原理を説明していきます。そうすることで、両者の主な違いも明確に見えてくるかと思います。

では、まずはプルーフ・オブ・ワーク (略称：PoW、Proof-of-work) から始めましょう。

PoWは「計算能力」に完全に依存しています。マイナーとしても知られるPoW参加者は、ネットワークのセキュリティと機能に貢献するために、計算能力やエネルギーなどの独自のリソースを使用します。

特別なデバイスやマイニング機械に投資することで、マイナーはトランザクションの検証や新しいブロックの作成に参加できるようになります。ブロックチェーンは文字通り、これらのマイナーが提供する計算能力から作成されます。マイケル・セイラー氏のようなビットコインのアンバサダーがこのコ仮想通貨を「デジタル・エネルギー」と呼ぶのはそのためです。それは文字通り、電気がデジタル通貨に変換されたものだからです。

したがって、マイナーは、より強力なマイニングリグに投資することで互いに競争し、最終的にはより多くの計算能力を生み出すことができ、その結果、トランザクションを検証してブロックチェーンの構築を継続する機会を得られる可能性が高まります。 

そして競争に勝つと、報酬を受け取ることでインセンティブが得られます。これらの報酬は、マイナーが貢献しているチェーンにネイティブな仮想通貨で提供されます。

マイニングは、非常に複雑なオンラインマルチプレイヤーゲームと考えることができます。すべてのマイナー、この場合はゲーマーがサーバーに接続し、全員対全員の激しいゲームで競い合います。最後まで生き残った人が勝利し、報酬を獲得します。しかし、他のゲーマーは全員、ゲームに参加するために時間、エネルギー、計算能力を投資しなければなりませんでした。

当然のことながら、マイニングは投資から利益を得る唯一の方法であるため、マイナーは競争に勝ち報酬を受け取りたいと考えています。そして、PoWのアーキテクチャで設計されているため、最も高い計算能力を持つ参加者が、新しいブロックを検証するレースで「勝つ」チャンスが最も大きくなります。

したがって、PoWの中核原則の 1 つは「競争」であると結論付けることができます。これはたった 1 つの単語ですが、「PoSとPoWとは何か？」という質問を理解するのに非常に役立ちます。

一方、プルーフ・オブ・ステーク (略称：PoS、Proof-of-stake) は、要するにステーキングのみに依存しているため、「プルーフ・オブ・ステーク」の「ステーク」という言葉が使われています。

ステーキングとは、一定量の独自の仮想通貨をブロックチェーンにロックするプロセスのことです。これは、利害関係者に責任を持たせる担保として機能し、利害関係者が適切に仕事をするよう動機づけます。この「仕事」とは、PoWネットワーク上のマイナーの仕事と同じです。新しいトランザクション データを検証し、それを既存のブロックに追加し、データがいっぱいになったら新しいブロックを作成します。

したがって、PoSでは、ブロックチェーンが完全性を維持し、安全で、機能していることを確認するのはステーカーです。

PoSは、PoWほど計算能力に依存しません。このコンセンサスメカニズムでは、誰がトランザクションを検証して新しいブロックを作成するかを決定するのは計算能力ではなく、ステーカーがネットワーク上にステーキングした仮想通貨の数で決まります。

簡単な例を挙げて説明してみましょう。ジャックポットを獲得したい場合は、宝くじを自分で購入する必要があります。より多くのチケットを購入すればするほど、幸運な人になれる可能性が高くなります。したがって、賭け金が多ければ多いほど、取引を検証して報酬を受け取る機会を得る「幸運な人」になる可能性が高くなります。

そして、PoWと同様に、トランザクションの検証が成功した場合、バリデーターは報酬を受け取ります。バリデーターが悪意のある行動をとろうとした場合、賭けている資産を失う危険があり、そのような行為は罰せられるため、ネットワークの参加者全員が安心します。これは、潜在的に悪意のある攻撃者を撃退する為の効果的な方法です。

PoWがバリデーター間の競争を促進する場合、PoSはその逆を進みます。PoWは、純粋な計算能力には依存せず、むしろ偶然に依存します。そして、その「偶然」とは、ほとんどの場合、PoSバリデーターがランダム化されたプロセスを通じて選択されるという事実を意味します。システムはステーカーの中から「勝者」をランダムに選択します。

ただし、賭け金が高ければ高いほど、選ばれる確率も高くなります。これらのバリデーターがどれほど多くの計算能力を所有し、生成できるとしても、トランザクションを検証して報酬を受け取る可能性が高まるわけではありません。

したがって、PoSでは競争の代わりに「抽選」方式が適用されます。

セキュリティ

「PoSとPoWとは何か？」という疑問を真に解決するには、セキュリティの問題についても理解する必要があります。この問題に関しては、どちらのコンセンサスメカニズムにも長所と短所があります。

これを正しく理解するには、「51%攻撃」として知られる概念を理解することが重要です。

PoWでは、ネットワークはすべてのネットワーク参加者から得られる計算能力によって強化されます。しかし、誰かがネットワーク全体の計算能力の半分以上を提供できるほど強力なマイニングリグをセットアップしたらどうなるでしょうか？

仮説的に言えば、これは彼らがブロック作成の制御を引き継ぎ、本質的にどのデータを検証するかを選択できることを意味します。簡単に言えば、これにより、この攻撃者はブロックチェーンを操作できるようになります。

したがって、51%攻撃 (マジョリティ攻撃とも呼ばれます) は、一つのエンティティまたは悪意のある攻撃者のグループが総計算能力の50%以上の制御を獲得するシナリオです。これにより、そのような「攻撃者」がトランザクションを操作し、トランザクションを逆転させ、本質的にすべてを台無しにすることが可能になります。

では、PoWはそのような攻撃に対してどの程度影響を受けやすいのでしょうか?

それはネットワークの規模によって異なります。たとえば、最も重要なPoWブロックチェーンはビットコインネットワークです。そして、ビットコインネットワークに対して51%攻撃を成功させるには莫大な費用がかかります。

ネットワークを追い越す可能性のあるマイニングリグをセットアップするには、天文学的な量の計算リソース、特殊なハードウェア、電力が必要になり、このような操作を実行するコストは非常に高いため、このような攻撃は失敗する可能性が非常に高く、単純に価値がないと言えます。

これは、攻撃者が必要な装備のセットアップにその資金をすべて投資し、単に目標を達成できなかったことを意味します。したがって、ネットワークの規模が抑止力として機能します。

では、PoSについてはどうでしょうか?

PoSに関して言えば、世界最大の仮想通貨マイニングファームを所有しても、ネットワークの計算能力の大部分を手に入れる可能性が高まるわけではありません。更に、危険は別の形でやって来ます。

このコンセンサスメカニズムでは、攻撃者はネットワーク全体の最大の利害関係者になる必要があります。そして最大とは、攻撃者がブロックチェーンに賭けられている仮想通貨の総量の50%以上を取得する必要があるということです。彼らは、残りのステーカーの合計よりも多くのステークをする必要があります。

しかし、そのリスクを軽減するためのメカニズムが導入されています。

まず第一に、莫大な費用がかかります。ステーカーの数が多ければ多いほど、仮想的な攻撃者がステーキングされた仮想通貨全体の50%以上を蓄積する仮想通貨は高くなります。

そして、仮に攻撃者がそれだけの数の仮想通貨を取得できたとしても、依然として失敗のリスクに直面することになります。このような場合、PoSの悪意のある活動の抑止力が作動し、攻撃者からすべての仮想通貨が没収されます。

そして最後に、それでも攻撃者が攻撃を成功させた場合、そのような出来事に関するニュースは仮想通貨のイメージを破壊し、人々は売りに走り、その結果その価値が減少するでしょう。攻撃者は、このようなミッションを成功させるために投資しなければならない資金よりもはるかに少ない資金しか手元に残らないことになります。

ここまでのことを簡単に要約すると、理論的にはPoWネットワークとPoSネットワークの両方が51%攻撃に対して脆弱ですが、実際に攻撃が行われる可能性は低いということです。それはネットワークの規模に依存するため、主要な仮想通貨について言えば、51%攻撃を目撃する可能性は非常に低いと言えます。

批判

最後に、これら両方のコンセンサスメカニズムに対する主な批判点とは何なのかを取り上げたいと思います。まずはPoWについて見ていきましょう。

上で述べたように、PoWは競争によって促進されます。そして、この競争は、仮想通貨業界だけでなく世界全体に関わるいくつかの客観的な問題を引き起こします。

PoWではマイナーが誰が最初にトランザクションを検証し、新しいブロックを作成する権利を獲得するかを競う必要があるため、世界のエネルギー消費レベルが大幅に増加します。消費される電力は、多くの場合、化石燃料の燃焼によって生成されま、もちろん、これは仮想通貨業界が地球上に残す二酸化炭素排出量を増加させます。批評家はこれが持続不可能で有害なものであると強調しています。

気候変動の文脈では、地方当局と世界当局の両方がそのような問題に対してますます厳しくなろうとしていることに驚くべきではありません。したがって、PoWブロックチェーンは長期的には規制上の問題に直面する可能性があり、これは、このメカニズムに依存する仮想通貨にとって有害で​​す。

一方、PoSは必要なエネルギー量がほぼ比較にならないほど少ないため、環境への影響に関してこのPR危機をなんとか回避していますが、PoS は別の理由で批判にさらされています。批評家は、PoSはPoWよりも中央集権化の問題の影響をはるかに受けやすいと主張しています。

PoSでは、ネットワーク参加者が大量の仮想通貨を入手する方法がPoWよりも多くあります。たとえば、ブロックチェーンの開始時に初期仮想通貨配布が行われ、ブロックチェーンの貢献者、支援者、投資家は約束された仮想通貨のシェアを受け取ります。

これにより、ブロックチェーンに対する影響力が自動的に増大し、他のネットワーク参加者との不均衡な関係に置かれます。したがって、そのような攻撃者は暗号資産を蓄積し続ける可能性があり、それはさらに少数のネットワーク参加者の手に権力が集中することにつながるでしょう。

これらの参加者は必ずしも個人であるとは限りません。場合によっては、企業や仮想通貨取引所などの場合もあります。したがって、彼らの富をさらに増大させる勢い、したがってブロックチェーンに対する影響力は常に高いままです。

これが、PoSが分散化の原則を無視し、すべてのネットワーク参加者を不公平な方法で扱う傾向がはるかに高く、これはP2P (ピア・ツー・ピア) ネットワークシステムの当初の考え方に矛盾すると批評家が主張する理由です。

まとめ

ご覧のとおり、「プルーフ・オブ・ステーク (PoS) とプルーフ・オブ・ワーク (PoW) とは何か？」という議論はとても現実的な問題です。これには、最適なブロックチェーンがどのように機能するかについての 2 つのまったく異なるアプローチがカプセル化されています。そして、この議論はすぐには終わらないでしょう。対立する側は、目標、価値観、完璧なブロックチェーンプロジェクトの全体的なビジョンに関して異なります。

もちろん、世の中にはさらに多くのコンセンサスメカニズムが存在し、これから将来さらに多くのコンセンサスメカニズムが導入されるでしょう。しかし、場合によっては、これらのソリューションによって、これまでに見たことのない新しい問題が発生することがあります。したがって、どのコンセンサスメカニズムが最良であるかという大きな議論はまだ終わっていないというのが今現在の結論と言えます。