ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは何ですか？

要点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すべての参加者が取引履歴の単一のバージョンに合意できるようにするルールの集合です。
プルーフ・オブ・ワーク（ビットコインで使用）とプルーフ・オブ・ステーク（イーサリアムで使用）は、現在最も広く採用されている2つのコンセンサスアルゴリズムです。
それぞれの仕組みは、不正な行動を抑止するために異なる種類のステークを使います。プルーフ・オブ・ワークでは計算能力と電力、プルーフ・オブ・ステークではロックされた暗号資産です。
コンセンサスアルゴリズムの選択は、ネットワークのセキュリティ、エネルギー使用量、分散化、そしてスケールする能力に影響します。
はじめにコンセンサスアルゴリズムとは、分散環境においてユーザーやマシンが連携（協調）できるようにする仕組みです。たとえ一部の参加者が失敗したり、不正を働いたりしても、システム内のすべてのエージェントが単一の「真実の情報源」に合意できることを保証する必要があります。この性質は、時に「ビザンチン耐故障性（Byzantine Fault Tolerance）」とも呼ばれます。
中央集権的な仕組みでは、単一の主体がシステムに対する権限を持ち、必要に応じて変更を加えられます。しかし分散型の仕組みでは、課題は別です。多くの独立した参加者が共有データベースを維持する場合、どの項目が追加されるのかについて合意する方法が必要になります。
見知らぬ相手同士が互いを信頼できない環境で、この課題を克服することは、ブロックチェーンを作り出すうえで重要な進展でした。この記事では、コンセンサスアルゴリズムがどのように機能するのか、そしてそれが暗号資産ネットワークの機能にとってなぜ不可欠なのかを説明します。
コンセンサスアルゴリズムと暗号資産暗号資産では、ユーザーの残高はブロックチェーンと呼ばれる共有データベースに記録されます。ネットワーク内のすべてのノードが、そのデータベースの完全に同一なコピーを維持することが不可欠です。コピーが異なれば、矛盾する情報が生じ、ネットワークの目的が損なわれます。
公開鍵暗号方式によって、ユーザーは互いの資金を支払うことができなくなります。しかしそれでも、ネットワーク参加者が「資金がすでに支払われたかどうか」を確認するために依拠する、単一の真実の情報源が必要です。
ビットコインの創設者であるサトシ・ナカモトは、参加者を調整するためのプルーフ・オブ・ワーク（PoW）方式を提案しました。これはコンセンサスアルゴリズムの一種です。ただし掘り下げる前に、ほとんどのコンセンサスアルゴリズムに共通する特徴を見ていきましょう。
ステーク（出資/担保）バリデータはステークを提供する必要があります。これは、不正な振る舞いを抑止する価値のあるものです。もしだまそうとした場合、ステークを失います。ステークは計算能力でもよく、暗号資産でもよく、評判でもあり得ます。
報酬また、バリデータは誠実に参加した場合の報酬も受け取ります。通常、それは取引手数料や新たに作られるコインで構成されます。
透明性最後に、システムは透明でなければなりません。誰でも、バリデータが正しく振る舞っているかどうかを検証できるようにする必要があります。
コンセンサスアルゴリズムの種類プルーフ・オブ・ワーク（PoW）プルーフ・オブ・ワークは、最初にビットコインで実装されました。PoW方式では、バリデータ（マイナーと呼ばれます）が、ネットワークの条件を満たす結果を生み出すまで、データを繰り返しハッシュします。ハッシュ関数は、どんな入力でも受け取り、固定長の出力を生成します。同じ入力からは常に同じ出力が得られますが、たった1文字でも変更すると、結果はまったく別のものになります。
ネットワークは目標（ターゲット）を設定します。例えば、ブロックのハッシュは一定数のゼロで始まっていなければならない、というようなものです。マイナーは、その条件を満たすハッシュを生む入力を見つけるために、数兆通りもの異なる入力を試す必要があります。これは、大量の専門的なハードウェアと電力を要します。
PoWでは、あなたのステークはそのハードウェアと電力のコストです。マイニング向けに設計されたASICマシンは暗号資産ネットワーク以外では使い道がないため、マイナーはルールに従って行動する強いインセンティブを持ちます。ほかの誰かが、マイナーが有効なブロックを作ったかを確認するには、必要なのはたった1回のハッシュ計算だけです。
プルーフ・オブ・ワークは、ビットコインのコンセンサスメカニズムとして残っており、計算コストの高さによって高いセキュリティを提供します。
プルーフ・オブ・ステーク（PoS）プルーフ・オブ・ステークは、プルーフ・オブ・ワークの代替として提案されました。計算資源を投入する代わりに、バリデータは担保として暗号資産をロックします。専門のハードウェアは不要で、標準的なコンピュータでも参加できます。
バリデータは次のブロックを提案または投票します。ブロックが受理されると、バリデータは取引手数料の一部を得ます。不正な取引を提案してだまそうとすると、ロックしているステークの一部または全部を失います。この仕組みは「スラッシング」と呼ばれ、プルーフ・オブ・ワークのエネルギーコストを、直接的な金銭的ペナルティで置き換えます。
イーサリアムは2022年9月に、The Merge（ザ・マージ）として知られるアップグレードを通じて、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへ移行しました。これにより、イーサリアムはプルーフ・オブ・ステークを稼働させる最大級のネットワークの1つとなり、エネルギー消費を大幅に削減しました。多くの主要なブロックチェーンでも、同様のプルーフ・オブ・ステークの派生方式が使われるようになっています。
プルーフ・オブ・ステークによって可能になった開発の1つがリキッド・ステーキングです。これは、ロックした資金に対して代表トークンを受け取り、それを分散型金融（DeFi）などの場で他に活用できる仕組みです。これにより、フルのバリデーターノードを運用するための最低条件を満たせる人たちに限らず、ステーキングへの参加が広がりました。
委任型プルーフ・オブ・ステーク（DPoS）委任型プルーフ・オブ・ステークでは、トークン保有者が、取引の検証を担当する一群のデリゲート（委任先）に投票します。アクティブなデリゲートの数は通常少ないため、標準的なプルーフ・オブ・ステーク方式よりもブロック生成が速くなります。
トークン保有者は、自分でバリデーターノードを運用するのではなく、投票権を委任します。不正な行動をするデリゲートは、コミュニティによって投票で外され得るため、経済的なステークに加えて、評判面での説明責任の一種が生まれます。DPoSは複数のブロックチェーンで使われており、最大限の分散化よりもスループット（処理能力）を優先します。
よくある質問（FAQ）ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは何ですか？ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは、分散ネットワークのすべての参加者が台帳（レジャー）の状態について合意できるようにする一連のルールです。中央の権限がそれらを調整する必要がなくても、各ノードが同じ取引履歴を維持できることを保証します。
プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークの違いは何ですか？プルーフ・オブ・ワークでは、バリデータが有効なブロックを作るために計算能力と電力を消費する必要があります。プルーフ・オブ・ステークでは、バリデータが暗号資産を担保としてロックする必要があります。どちらのアプローチも誠実な振る舞いに対する経済的インセンティブを生みますが、プルーフ・オブ・ステークははるかに少ないエネルギーで済みます。
イーサリアムは今もプルーフ・オブ・ワークを使っていますか？いいえ。イーサリアムは2022年9月に、The Merge（ザ・マージ）というアップグレードを通じてプルーフ・オブ・ステークへ移行しました。ビットコインは引き続きプルーフ・オブ・ワークを使っています。
プルーフ・オブ・ステークのネットワークは攻撃できますか？プルーフ・オブ・ステークのネットワークは、全ステークの大きな割合を支配する主体によって、潜在的に攻撃され得ます。そのような攻撃が非常に高コストになるように設計されているのがスラッシングの仕組みで、攻撃者が台帳を操作しようとして捕まった場合、ステークした資金の相当部分を失うことになります。
なぜ異なるブロックチェーンは異なるコンセンサスアルゴリズムを使うのですか？異なるコンセンサスメカニズムには、セキュリティ、分散化、エネルギー使用量、取引速度の間のトレードオフがあります。プルーフ・オブ・ワークは非常に安全だと考えられていますが、エネルギー集約的です。プルーフ・オブ・ステークはよりエネルギー効率が高い一方で、異なるバリデータの経済設計が導入されます。プロジェクトは、これらの要因に関する優先度に基づいて仕組みを選びます。
最後にコンセンサスアルゴリズムは、分散型ブロックチェーンを可能にする土台です。お互いを知らない、あるいは信頼していない参加者同士が、中央の権限なしで共有された取引履歴に合意できるようにします。コンセンサスがどのように機能するかを理解することは、ブロックチェーンがどのように動き、そして安全であり続けるかを理解するうえで基本です。
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