ハイブリッドPoW/PoSコンセンサスの解説

要点ハイブリッドPoW/PoSコンセンサスは、ブロックチェーンのセキュリティとガバナンスを改善するために、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）マイニングとプルーフ・オブ・ステーク（PoS）ステーキングを組み合わせます。
ハイブリッドシステムでは、マイナーとトークン保有者の両方がブロックの検証に関与するため、単一の主体がネットワークを支配することが難しくなります。
ハイブリッドコンセンサスの主な利点は、マイナーのガバナンス権限を制限できることです。これにより、トークン保有者はブロックを拒否したり、プロトコル変更に投票したりできます。
ハイブリッドシステムは、純粋なPoWまたは純粋なPoSネットワークと比べて複雑さを増します。そのため、採用や開発者の利用しやすさに影響する可能性があります。
はじめにブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは、「誰が新しいブロックを追加できるか」と「ネットワークが台帳の現在の状態についてどのように合意するか」を決める一連のルールです。最も確立された2つのアプローチは、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークで、それぞれ既知の強みと弱みがあります。
ハイブリッドPoW/PoSシステムは、両方のアプローチの利点を取り込もうとします。ブロック検証への参加にマイナーとトークン保有者の両方を求めることで、これらのネットワークは意思決定の権限を分散させ、特定の攻撃ベクトルを減らせます。この記事では、Decredを主要な例として用いながら、ハイブリッドコンセンサスがどのように機能するかを説明します。
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）の仕組み純粋なプルーフ・オブ・ワークのブロックチェーンでは、マイナーが数学的パズルを解くために競います。最初に有効な解を見つけた人が、次のブロックを追加する権利とブロック報酬を獲得します。ネットワークは、最も蓄積された計算作業（computational work）を持つチェーンを、正当なバージョンとして受け入れます。
この設計により、マイナーはネットワークに大きな影響力を持ちます。プロトコルのコンセンサスルールを変更するには、マジョリティのマイナー支持が必要です。ソフトフォークは、それに十分なマイニングパワーが背後にあることを保証しないと、取引が正しく処理されない可能性があります。ハードフォークではネットワークが分裂し、マイナーが実質的に「どのチェーンが生き残るか」を決めます。
純粋なPoWにおける主なセキュリティリスクは51%攻撃です。ある主体がネットワークのハッシュパワーの50%超を制御している場合、攻撃者は秘密裏に別のチェーンを採掘（マイニング）して後で公開することで、最近の取引履歴を書き換えられる可能性があります。これはビットコインのような大規模ネットワークではコストが高いものの、小規模なチェーンでは依然として懸念が残ります。
プルーフ・オブ・ステーク（PoS）の仕組みプルーフ・オブ・ステーク（PoS）コンセンサスでは、新しいブロックを追加する権利が、「参加者が『ステーク（担保として）』した、つまりロックしている」暗号資産の量によって決まります。エネルギーを大量に消費するマイニングを不要にする一方で、別のトレードオフ（選択と引き換え）を生み出します。
純粋なPoSに対するよくある懸念の一つは「ステークのないところに賭ける（nothing at stake）」問題です。フォークの状況では、PoSバリデータは複数の競合チェーンを検証しても失うものがほとんどありません。なぜなら、それがほぼコストをかけずに行えるからです。これは、ネットワークが単一の合意済み状態に到達する能力を弱める可能性があります。
もう一つの考慮点はトークン分配です。PoWマイナーは通常、報酬の一部をハードウェアや電気代のようなコストを賄うために市場で売却します。これによりコインが市場で循環し続けます。PoSバリデータはコストがはるかに低く、時間の経過とともに循環供給の増加分のより大きな割合を蓄積していくかもしれません。
ハイブリッドシステムでの組み合わせ方ハイブリッドシステムでは、プルーフ・オブ・ワークの土台の上に、プルーフ・オブ・ステークによる検証を重ねます。どちらか一方を選ぶのではなく、これらのブロックチェーンは両方の仕組みを一緒に使います。2つのアプローチの比較は、「プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステーク」の記事にあります。
Decredの設計では、PoWマイナーが計算作業によって有効なブロックを見つけますが、そのブロックはただちにチェーンに追加されません。まず、ランダムに選ばれたPoSチケット保有者の集合から承認投票を受け取る必要があります。有効と見なされるためには、ランダムに選ばれた5つのチケットから少なくとも3票を得る必要があります。
これにより、相互監視（チェック＆バランス）の構造が生まれます。マイナーは、ステーカーの同意なしに、一方的に変更を押し付けたり、取引を検閲したりすることはできません。同時に、PoW層は、チェーンの書き換えを高コストにするエネルギー支出の仕組みを維持します。
Decredの例Decredは、ハイブリッドPoW/PoSコンセンサスの中でも特に代表的な実装の一つです。PoSコンポーネントでは、参加者はDCRトークンをロックして「チケット」を購入する必要があります。チケット価格は、市場の仕組みによって、常に40,960枚の稼働中（ライブ）チケットを目標として設定されます。
PoWマイナーが有効なブロックを生成すると、そのブロックを投票するために5つのチケットがランダムに選ばれます。5票のうち少なくとも3票が承認すれば、そのブロックはチェーンに追加されます。多数が拒否した場合、ブロック内の通常の取引はメンプールに戻されます。重要なのは、PoSの投票者は自分の報酬を失うことなく、マイナーのブロック報酬を削ることができる点です。これにより、マイナーがネットワークの利益に反する行動を取りにくくなります。
2023年6月、Decredのステークホルダーはオンチェーン投票プロセスを通じて、2つの重要な合意（コンセンサス）変更を承認しました。DCP-0011は、PoWのハッシュアルゴリズムをBLAKE-256からBLAKE3へ更新し、ASERT難易度調整アルゴリズムを導入しました。DCP-0012はブロック報酬の配分を調整し、1%をPoWマイナー、89%をPoSの投票者、10%をトレジャリーに割り当てるようにしました。
これは、元の60/30/10の配分からの大きな転換であり、コミュニティがより強いPoS主導のガバナンスモデルを望んでいることを反映しています。
Decredのガバナンスは、ブロック検証の範囲を超えています。ステークホルダーはオンチェーンの承認（レーティフィケーション）プロセスを通じてプロトコルのアップグレードに投票します。変更は、4週間の期間において投票チケットの少なくとも75%が承認している場合にのみ有効化されます。プロジェクト単位の支出の意思決定は、トレジャリー配分の10%によって資金提供されるPoliteia提案システムを使用します。
ハイブリッドコンセンサスのセキュリティ上の利点ハイブリッドモデルは、過半数攻撃のコストを大幅に引き上げます。純粋なPoWネットワークでは、攻撃者はハッシュパワーの50%超を制御する必要があります。ハイブリッドシステムでは、攻撃者は大量の稼働中（ライブ）のステーキングチケットも制御しなければなりません。
Decredの場合、PoS投票を一貫して覆すのに十分なチケットを獲得するのは困難です。チケットはブロックごとに限られた数量しか購入できず、大量に購入するとチケット価格が上昇します。購入後は、そのチケットで使用した資金は、チケットが投票されるか期限切れになるまでロックされます。このため、失敗に終わる攻撃によって生じるDCRの下落（価値の毀損）に対して攻撃者がさらされることになります。
もう一つのセキュリティ上の利点は透明性です。各ブロックはランダムに選ばれたチケット保有者によってブロードキャストされ、投票されなければならないため、マイナーは秘密裏にチェーンを構築できません。これは、PoWの二重支払い攻撃の中核となる「個別に採掘して後で公開する（mine in private, release later）」可能性を排除します。
制限と考慮事項ハイブリッドシステムはアーキテクチャ上の複雑さを追加します。ハイブリッドPoW/PoSチェーンの上で開発する、または統合する開発者は、追加される検証レイヤーを考慮する必要があり、それが開発を遅らせたり、利用可能なツールや知見のプールを減らしたりする可能性があります。
2要素（ツーファクター）要件は遅延も生み得ます。ブロックは確定する前にチケット投票を待つ必要があり、同等の純粋なPoWチェーンよりも確認（コンファーム）時間がわずかに長くなる可能性があります。
さらに、設計カテゴリとしてのハイブリッドコンセンサスは、幅広い実装を含みます。たとえばマスターノードネットワークでは、特別なノードに対するステーキングのような役割とPoWマイニングを組み合わせますが、Decredのアプローチとは動作が異なります。すべてのハイブリッドシステムが同じガバナンス特性やセキュリティ保証を提供するわけではありません。
FAQハイブリッドPoW/PoSコンセンサスとは何ですか？ハイブリッドPoW/PoSコンセンサスとは、ブロック検証への参加に、マイナー（計算作業）とステーカー（トークンを担保としてロックすること）を両方必要とするブロックチェーン設計です。目的は、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）のセキュリティ特性と、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）のガバナンス上の利点を組み合わせることにあります。
どのブロックチェーンがハイブリッドPoW/PoSコンセンサスを使っていますか？Decredが最もよく知られた例です。Decredの設計では、PoWマイナーが有効なブロックを見つけ、PoSチケット保有者が、それらがチェーンに追加される前に投票します。2023年にDecredのステークホルダーは、ブロック報酬を1%のPoW、89%のPoS、10%のトレジャリーへ移行することを投票で決めました。
ハイブリッドコンセンサスはセキュリティをどのように改善しますか？有効なブロックを追加するにはマイニング能力とステーキングチケットの両方が必要になるため、ハイブリッドシステムは過半数攻撃のコストを引き上げます。攻撃者は、両方のリソースを同時に相当量制御する必要があり、片方だけを制御するよりもはるかにコストがかかります。
委任型プルーフ・オブ・ステーク（Delegated proof-of-stake）は、トークン保有者によって固定のブロック検証者セットを選出するもので、マイニング要素はありません。ハイブリッドPoW/PoSは、エネルギーを多く消費するマイニング層を維持し、その上にPoS投票を追加して、ステークホルダーにマイナーへ拒否権を与えます。2つのアプローチでは、ガバナンス構造やセキュリティの前提が異なります。
まとめの所感ハイブリッドなプルーフ・オブ・ワーク／プルーフ・オブ・ステーク（PoW/PoS）コンセンサスは、ブロックチェーンのガバナンスにおいてマイナーとステークホルダーの力のバランスを取るための一つのアプローチです。両方の仕組みを組み合わせることで、特定の攻撃タイプに対するより強い耐性や、純粋なPoWチェーンより民主的なアップグレードプロセスを提供できる可能性があります。
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