重要な側面
Proof of Work (PoW) は、デジタル決済システムでの二重支出を防ぐために作成されたコンセンサス メカニズムです。
PoW はマイニング プロセスの重要な部分であり、ブロックチェーンにトランザクションの新しいブロックを追加し、暗号通貨の新しいユニットを作成することが含まれます。
ビットコインや他の多くの暗号通貨は、ブロックチェーン ネットワークとデータを保護する方法として PoW を使用しています。
導入
Proof of Work (PoW) は、デジタル決済システムでの二重支出を回避するために作成されたメカニズムです。ビットコインや他の多くの暗号通貨は、ブロックチェーン ネットワークとデータを保護する方法として PoW を使用しています。これらのメカニズムは、複数の当事者が信頼関係を必要とせずに合意を達成する必要があるため、コンセンサス アルゴリズムまたはコンセンサス メカニズムと呼ばれることがよくあります。
Proof of Work は、最初に登場したコンセンサス アルゴリズムであり、今でも Proof of Stake (PoS) と並んで最も重要なアルゴリズムの 1 つです。 PoW は 2008 年のビットコイン ホワイトペーパーでサトシ ナカモトによって紹介されましたが、テクノロジー自体はずっと以前に考案されました。
Adam Back の HashCash は、暗号通貨が出現する前の時代における Proof of Work アルゴリズムの最初の例の 1 つです。電子メールを送信する前に送信者に最小限のコンピューティングの実行を要求することで、受信者はスパムを軽減できます。この計算は、正当な送信者には実質的に何もかかりませんが、大量の電子メールを送信する人にとってはすぐに費用がかかることになります。
二重支出とは何ですか?
同じ資金が複数回使用されると、二重支出が発生します。この用語は、ほぼ独占的にデジタルマネーの文脈で使用されます。結局のところ、同じ物理的な現金を 2 回使うのは難しいでしょう。
今日、コーヒーの代金を支払うとき、レジ係に現金を渡しますが、レジ係はそれをレジに保管していると思われます。通りの向かいにあるコーヒーショップに行って、すでに渡した同じ請求書で別のコーヒーの代金を支払うことはできません。ただし、デジタル キャッシュ システムでは、これができる可能性があります。
おそらく、コピー アンド ペースト コマンドを使用してコンピュータ ファイルを複製したことがあるでしょう。同じファイルを数十人に電子メールで送信することも簡単です。電子マネーは単なるデータであるため、二重支出、つまり同じ単位をコピーして別の場所で使うことを防ぐ必要があります。二重支出を防止できないデジタル決済システムは、短期間で崩壊するでしょう。
二重支出の詳細については、「二重支出の説明」を参照してください。
Proof of Work メカニズムはなぜ必要なのでしょうか?
ブロックチェーン技術に関する記事を読んだ方は、仮想通貨ユーザーが常にネットワークにトランザクションを送信していることをご存知でしょう。ただし、これらのトランザクションはすぐには有効とは見なされません。これは、それらが確認されてブロックチェーンに追加された場合にのみ発生します。
たとえば、ビットコイン ブロックチェーンは、すべてのユーザーが閲覧できる公開トランザクション データベース (台帳) として機能します。次のように考えてみましょう。あなたと 3 人の友人は、ビットコインの取引を追跡するためのメモ帳を持っています。どちらかが価値を移転したいときは、必ずそれを書き留めます。
アリスはボブに 5 BTC を支払います。ボブはキャロルに 2 BTC などを支払います。
ただし、トランザクションを行うたびに、資金の出所であるトランザクションを参照することになります。したがって、ボブがキャロルに 2 BTC で支払っていた場合、エントリは次のようになります。
ボブは、アリスとの以前の取引から得られたキャロル 2 BTC を支払います。
BTC単位を追跡する方法ができました。ボブがキャロルに送ったのと同じ 2 BTC で別の取引を行おうとした場合、誰もがすぐにそれを知るでしょう。これらの 2 BTC はすでに使用されているため、グループはトランザクションをノートブックに追加することを許可しません。
これは少人数のグループでうまく機能するものです。誰もがお互いのことを知っているので、どの友人がトランザクションをノートブックに追加するかについてはおそらく同意するでしょう。しかし、10,000 人の参加者がいるグループを作りたい場合はどうなるでしょうか?ノートブックのアイデアはうまく拡張できません。見知らぬ人にノートブックの管理を任せたい人はいないからです。
ここで、Proof of Work メカニズムが登場します。これにより、ユーザーは使う権利のないお金を使わないようになります。ゲーム理論と暗号技術を組み合わせた PoW アルゴリズムにより、誰でもシステムのルールに従ってブロックチェーンを更新できます。
PoWはどのように機能しますか?
前の例のノートブックがブロックチェーンであると想像してください。ただし、そこではトランザクションを 1 つずつ追加するのではなく、トランザクションをブロックにグループ化します。トランザクションをネットワークにアナウンスし、ブロックを作成したユーザーがそれらを候補ブロックに含めます。トランザクションは、候補ブロックが確認済みブロックになった場合、つまりブロックチェーン データベースに追加された場合にのみ有効とみなされます。
トランザクションを検証し、新しいブロックを追加するプロセスはマイニングと呼ばれます。お金もかかるし大変ですが、やりがいもあるかもしれません。ブロック報酬は、ユーザーのトランザクション手数料とプロトコルによって作成された新しいビットコインで構成されます。
Proof of Work メカニズムでは、マイナー (ブロックを作成するユーザー) は、パズルの解決策が見つかるまで、候補ブロックのデータをハッシュするために電力や計算能力などのリソースを投資する必要があります。
ブロック データのハッシュ化とは、ブロック データをハッシュ関数に渡してブロック ハッシュを生成することを意味します。ブロック ハッシュは「フィンガープリント」のように機能します。これは入力データの ID であり、ブロックごとに一意です。
言い換えれば、マイナーは保留中のトランザクションを検証して収集し、それらを候補ブロックに編成し、ブロック データをハッシュ関数に渡して有効なハッシュを作成する必要があります。候補ブロックの有効なハッシュを見つけることができた場合、それをネットワークにブロードキャストし、ブロックをブロックチェーンに追加して、マイニング報酬を収集します。
マイナーが候補ブロックとハッシュをネットワークに送信すると、他のネットワーク参加者はハッシュ プロセスを繰り返し、出力が実際に有効であることを確認します。
有効なハッシュを見つけるには無数のハッシュ試行が必要ですが、生成されたハッシュが正しいことを誰かが確認することが不可欠です。ハッシュ関数を通じて同じ入力 (ブロック データ) を送信し、出力が同じかどうかを確認するだけです。
Proof of Work では、ハッシュが特定の条件を満たすデータを提供する必要があります。ただし、それを達成する方法はわかりません。唯一のオプションは、データをハッシュ関数に渡して、条件が満たされているかどうかを確認することです。そうでない場合は、データを少し変更して別のハッシュを取得する必要があります。データ内の 1 文字を変更するだけでも、まったく異なる結果が生成されるため、出力がどのようになるかを予測する方法はありません。
その結果、ブロックを作成したい場合は、推測ゲームをしていることになります。通常、追加するすべてのトランザクションに関する情報とその他の重要なデータを取得し、それらをグループ化します。ただし、データセットは変更されないため、可変の情報を追加する必要があります。そうしないと、常に同じハッシュが出力として取得されます。この変数データは nonce と呼ばれるものです。これは試行するたびに変更される数値であるため、毎回異なるハッシュが取得されます。
つまり、マイニングとは、ブロックチェーン データを収集し、特定のハッシュが見つかるまでノンスでハッシュするプロセスです。プロトコルによって設定された条件を満たすハッシュが見つかった場合、新しいブロックをネットワークにブロードキャストする権利があります。この時点で、他のネットワーク参加者はブロックチェーンを更新して新しいブロックを含めます。
今日の主要な暗号通貨にとって、条件を満たすのは信じられないほど困難です。ネットワーク上のハッシュ レートが高くなるほど、有効なハッシュを見つけるのが難しくなります。これは、ブロックがすぐに見つからないようにするために行われます。
ご想像のとおり、大量のハッシュを推測しようとすると、コンピューターにコストがかかる可能性があります。コンピューターのサイクルと電力を無駄にしていることになります。ただし、有効なハッシュが見つかった場合、プロトコルは暗号通貨で報酬を与えます。
これまでにわかっていることをまとめてみましょう。
マイニングは難しく、コストがかかりますが、ネットワークにセキュリティを提供します。
有効なブロックを生成することに成功したマイナーには、新たに発行された暗号通貨と取引手数料が与えられます。
有効なハッシュの生成には時間がかかりますが、他のユーザーはハッシュ プロセスを繰り返すことでその有効性を簡単に検証できます。
ここまでは順調ですね。しかし、騙そうとした場合はどうなるでしょうか？大量の不正なトランザクションをブロックして有効なハッシュを生成することを妨げているものは何ですか?
そこで登場するのが公開鍵暗号です。この記事ではこれについては詳しく説明しませんが、「公開キー暗号化とは何ですか?」を参照してください。トピックの包括的なビューを取得します。つまり、ユーザーが使おうとしている資金を移動する権利があるかどうかを誰でも確認できる暗号トリックがいくつかあります。
トランザクションを作成するときは、トランザクションに署名します。ネットワーク上の誰もがあなたの署名と公開鍵を比較し、それらが一致するかどうかを確認できます。また、本当に資金を使えるかどうか、またインプットの合計がアウトプットの合計より大きいかどうか（つまり、持っている以上にお金を使っていないか）もチェックします。
無効なトランザクションを含むブロックは、ネットワークによって自動的に拒否されます。不正行為を試みてもコストがかかります。何の報酬も得られずに、自分自身のリソースを失うことになります。
これが Proof of Work メカニズムの利点です。騙すにはコストがかかりますが、正直に行動すると利益が得られます。合理的なマイナーであれば誰でも、投資からの利益を追求するため、より収入を生み出す可能性が高い方法で行動することが期待できます。
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）
PoW 以外にも多くのコンセンサス アルゴリズムがありますが、最も人気のあるアルゴリズムの 1 つは Proof of Stake (PoS) です。このコンセプトは 2011 年に遡り、イーサリアムやその他のいくつかのプロトコルに実装されています。
Proof of Stake システムでは、マイナーはバリデーターに置き換えられます。マイニングやハッシュを推測する競争はありません。代わりに、ユーザーはランダムに選択されます。ユーザーが選ばれた場合、ブロックを提案 (または「偽造」) する必要があります。ブロックが有効な場合、ブロックトランザクションからの手数料で構成される報酬を受け取ります。
ただし、どのユーザーでも選択できるわけではありません。プロトコルはさまざまな要素に基づいてユーザーを選択します。参加資格を得るには、参加者はブロックチェーンのネイティブ通貨の所定量であるステークをロックする必要があります。ステーキングは保釈金と同じように機能します。被告が裁判を回避するために多額のお金を支払うのと同じように、バリデーターは欺瞞を阻止するためにステーキングをブロックします。彼らが不正行為をした場合、彼らの賭け金（またはその一部）が取り上げられます。
Proof of Stake メカニズムには、Proof of Work に比べていくつかの利点があります。最も注目すべき点は、二酸化炭素排出量が低いことです。PoS では高出力のマイニング ファームが必要ないため、消費される電力は PoW で消費される電力のほんの一部にすぎません。
そうは言っても、PoS には PoW と同じ歴史があるわけではありません。リソースの無駄だと思われるかもしれませんが、マイニングは 10 年以上にわたって厳しいテストが行われてきた唯一のコンセンサス アルゴリズムです。ビットコインのPoWメカニズムは、その発足以来、数兆ドル相当の取引を確保してきました。 PoS が PoW のセキュリティに匹敵するかどうかを確実に言うには、ステーキングを長期にわたって適切にテストする必要があります。
結論
Proof of Work は二重支出問題に対する独自の解決策であり、信頼性と安全性が証明されています。ビットコインは、同じ資金が二度使われないようにするための中央集権的な組織は必要ないことを証明しました。暗号化、ハッシュ関数、ゲーム理論を巧みに使用することで、分散環境の参加者は金融データベースの状態について合意することができます。
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