Proof of Work（PoW）とProof of Stake（PoS）

重要ポイントProof of Work（PoW）とProof of Stake（PoS）は、最も広く使われている2つのブロックチェーンのコンセンサス・アルゴリズムです。大きな違いは、それぞれが次の取引ブロックを検証する参加者をどのように選ぶかにあります。
PoWでは、マイナーが計算能力を使って暗号パズルを解くことで競い合います。PoSでは、バリデータはネットワーク上でステーク（ロック）している暗号資産の量に基づいて選ばれます。
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によって、PoWからPoSへの移行を完了しました。ビットコインは引き続きPoWを使用しています。
どちらの仕組みにもトレードオフがあります。PoWはセキュリティ面で長い実績があります。PoSはエネルギー消費を抑え、確定（ファイナリティ）も速い一方で、異なる中央集権化やセキュリティ上の考慮が必要になります。
はじめにブロックチェーンは、すべての参加者がどの取引が有効かについて合意できるようにするため、コンセンサスメカニズムに依存しています。合意に到達するための共通の方法がなければ、分散型ネットワークは詐欺や不正操作を防ぐ手段を持てません。Proof of Work（PoW）は最も古いコンセンサスメカニズムで、ビットコインが2009年から使用しています。Proof of Stake（PoS）は2011年に提案され、2012年に実装され、その後、ほとんどの新しいブロックチェーンネットワークで主流のモデルになっています。
どちらの仕組みも、同じ目的を共有しています。つまり、無効な取引や二重支払いからブロックチェーンを守ることです。達成方法、誰が参加できるか、必要となるリソースが大きく異なります。
Proof of Work（PoW）とは何か、仕組みはどうなっているか？Proof of Workは、二重支払いを防ぐためにビットコインネットワークが採用しているコンセンサス・アルゴリズムです。ビットコイン以前から存在していましたが、サトシ・ナカモトが2008年に公開したビットコインのホワイトペーパーで、適応され実装されました。
PoWネットワークでは、マイナーが有効な取引を集め、正しいブロックを生成するために競い合い、それをネットワークにブロードキャストします。フルノードは、そのブロックと取引がプロトコルのルールに従っているかを独自に検証します。正しい解を最初に見つけたマイナーは、次のブロックをブロックチェーンに追加する権利を得て、その代わりにブロック報酬を受け取ります。ブロック報酬は、新しく生成される暗号資産と取引手数料で構成されます。
ビットコインでは、ブロック報酬は現在3.125 BTCです（2024年4月のハルビング、ブロック840,000により6.25 BTCから減少）。ブロックあたりに新しく発行されるビットコインの数は、「ハルビング」と呼ばれる出来事として、約4年ごとに半減し、そして総供給上限である21,000,000 BTCに達するまで続きます。到達はおよそ2140年ごろとされています。
PoWネットワークのセキュリティは、計算（コンピュテーション）のコストから成り立っています。ブロックチェーンを書き換えるには、攻撃者がすでに行われた作業をすべてやり直す必要があり、ビットコインのような大規模ネットワークではそれが法外に高額です。
Proof of Stake（PoS）とは何か、仕組みはどうなっているか？Proof of Stakeは、Proof of Workの代替として2011年に導入されたコンセンサス・アルゴリズムです。計算能力を競い合うのではなく、バリデータと呼ばれる参加者がネットワークのネイティブ暗号資産を一定量、担保としてロック（ステーク）します。プロトコルはその後、新しいブロックを提案し、認証するバリデータを選択し、通常はステーク量に基づいて重み付けされます。
バリデータは、自分が検証したブロックから取引手数料として報酬を得ます（また一部のネットワークでは追加のトークン発行もあります）。ステークされたコインが多いほど、選ばれる確率が高くなります。PoWのマイナーと違い、バリデータは専用のハードウェアを必要としません。多くのPoSネットワークでは、PoWのマイニングよりも専門性の低いハードウェアでも検証できますが、その要件はブロックチェーンによって大きく異なります。イーサリアムのバリデータは比較的控えめなハードウェアで稼働できますが、スループットの高い一部のPoSネットワークでは、より強力なマシンが必要になる場合があります。
小規模な参加の場合、多くのネットワークではリキッド・ステーキングのプロトコルやステーキングプールが提供されています。これにより、保有者は自分でフルのバリデータノードを運用せずとも、ネットワークのセキュリティに貢献できます。
Proof of WorkとProof of Stakeの違い同じ目的でブロックチェーンを守ることを目指しているにもかかわらず、PoWとPoSにはいくつか重要な違いがあります：
ブロックを検証するのは誰か：PoWでは、ブロックをマイニングできる確率は、マイナーが保有する総ネットワーク計算能力に占める割合に比例します。PoSでは、出資（ステーク）されたコインの割合に比例します。
装置：PoWのマイナーは通常、プロ向けのASICまたはGPUハードウェアが必要です。PoSのバリデータは、信頼できるインターネット接続付きの一般的なコンピュータに加えて、必要なステーク（出資額）が必要です。
エネルギー使用量：PoWは設計上、エネルギーを大量に消費します。競争には継続的な計算努力が必要だからです。PoSはこれを資本のロック（拘束）に置き換え、エネルギーの一部を使う形になります。
報酬：PoWの報酬は、パズルを最初に解いたマイナーに与えられます。PoSでは、検証するよう選ばれたブロックから得られる取引手数料の一部がバリデータに支払われます。
セキュリティモデル：PoWネットワークは、ハードウェアと電力のコストによって守られます。PoSネットワークは、ステークされた資本を失うリスクによって守られます。
ステーキング（Proof of Stake）は、Proof of Workより優れているのか？PoSの支持者は、主要な点でPoWを改善していると主張します。具体的には、消費エネルギーの低下、取引の確定の高速化、そして個々のバリデータが参加するための障壁の低さです。一方で、特にビットコイン支持者は、PoWには長い実績があり、検証済みのセキュリティモデルがあるのに対して、新しいPoS実装は同等の時間スケールでまだそれに匹敵していないと指摘します。
どちらの仕組みも、普遍的に「より良い」とは限りません。各ネットワークは設計上の優先事項に基づいて、異なるトレードオフを評価してきました。
イーサリアムのProof of Stakeへの切り替え暗号史で最も大きなPoWからPoSへの移行は、イーサリアムの「The Merge（ザ・マージ）」でした。2022年9月15日に完了しています。イーサリアムは、PoWからPoSへ、元々の実行レイヤーを、2020年12月から並行して稼働していたPoS調整レイヤーであるビーコンチェーンに統合することで切り替えました。このアップグレードにより、イーサリアムのエネルギー消費は約99.95%減少しました。ETH保有者やバリデータへの影響をさらに詳しく知りたい場合は、Proof-of-Stakeに関するイーサリアムのアカデミーガイドをご覧ください。
マージ後のマイルストーンには、2023年4月のShanghaiアップグレードがあります。これによりステークされたETHの引き出しが可能になり、またバリデータの着実な増加も進みました。2026年初頭には、イーサリアムのPoSコンセンサスに参加しているアクティブ・バリデータは約100万人で、ステークされているETHは約3,700万ETHでした。ソロ・バリデータノードを運用するための最低要件は32 ETHのままですが、ステーキングプールを使えば、より少ない金額でも参加できます。
PoWとPoSにおける中央集権化リスクどちらのコンセンサスモデルにも中央集権化のリスクがありますが、その現れ方は異なります。
PoWでは、競争的なマイニングにかかるコストがマイニングプールの形成を後押ししてきました。プールは多数の参加者からハッシュパワーを集約し、規模の小さいマイナーでも安定した支払い（報酬）を受け取れるようにします。しかし少数の大規模プールが、歴史的にビットコインの総ハッシュレートの相当な割合を支配してきました。ビットコインへの51%攻撃に必要な過半数を単一主体が制御することはありませんが、プールの集中は分散化にとって継続的な懸念事項です。
PoSでは、資産の集中が同様の力学を生みます。より多くのステーク・コインを持つバリデータほど、ブロックの検証に選ばれ、さらに報酬を積み上げやすくなります。これは「ステークするほど稼げる」という状況を生み、裕福な参加者がネットワークに対して不釣り合いな影響力を得ることへの懸念につながります。ステーキングプールは参加のしやすさを高める一方で、プール運営者の手に投票権を集中させることにもなり得ます。
セキュリティリスク51%攻撃は、単一の主体がネットワークの検証（バリデーション）能力の半分超を獲得し、それによって取引履歴を書き換えたり、二重支払いを行ったり、取引を検閲したりできる状態を指します。この攻撃の性質はPoWとPoSで異なります。
PoWでは、51%攻撃にはネットワークのハッシュレートの半分超の制御が必要で、ハードウェアと電力に対する途方もない継続費用が求められます。そのため、ビットコインのような大規模PoWネットワークへの攻撃は、実質的に非常に高すぎて実行困難です。
PoSでは同等の攻撃はしばしば51%攻撃と呼ばれますが、正確な閾値はPoSの設計によって異なり、ステークされた供給量の半分超を入手する必要がある場合もあります。イーサリアムのようなネットワークでは、必要額は数十億ドル規模（ETH換算）になるでしょう。さらに、イーサリアムのようなPoSネットワークには「スラッシング（stashing/罰金）」メカニズムがあります。不正行為を行ったバリデータは、プロトコルによってステークされていたETHの一部が焼却される可能性があります。これは攻撃そのもののコストに加えて、不正のための直接的な経済的ペナルティを生みます。
市場規模（時価総額）の小さいPoSネットワークは、より脆弱です。ネットワークを支配するのに十分なステーク（出資）を獲得するコストが、より低い可能性があり、その結果、攻撃が現実的になります。
Proof of Stake（PoS）の欠点PoSはエネルギー効率の面でPoWより改善だと広く見なされていますが、独自の課題もあります。報酬構造は多くのコインを持つバリデータに有利になり、一部の批評家はこれを「金持ちをより金持ちにする（richを豊かにする）」と表現します。より大きなステーカーはより早く報酬を積み上げられ、その報酬を再ステークしてさらに稼ぐことができます。この力学はネットワークのガバナンスにも影響し得ます。というのも、多くのPoSブロックチェーンでは、バリデータにステークに比例した投票権が付与されるためです。
また、総時価総額が小さいPoSネットワークは、狙い撃ちの攻撃にもよりさらされます。攻撃者は、徐々に十分なコインを集めて支配的なバリデータになり、積み上げた報酬を使って時間をかけながら自分の地位を強化できる可能性があります。
よくある質問（FAQ）イーサリアムはまだプルーフ・オブ・ワーク（PoW）を使っていますか？いいえ。イーサリアムは2022年9月15日に、The Mergeとして知られるアップグレードで、Proof of WorkからProof of Stakeへ移行を完了しました。その日以降、イーサリアムは完全にPoSのネットワークです。ビットコインは引き続きProof of Workを使っており、変更する計画は発表されていません。
Proof of WorkとProof of Stakeの主な違いは何ですか？核心となる違いは、次のブロックを検証する相手をそれぞれがどう決めるかです。Proof of Workでは、その権利は最初に計算パズルを解いたマイナーに与えられ、大きなハードウェアと電力が必要です。Proof of Stakeでは、バリデータはステークしている暗号資産の量に基づいて選ばれ、計算能力ではなく資本が必要になります。
プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、プルーフ・オブ・ワークより環境に優しいですか？大まかに言えば、はい。Proof of Workは、マイナーが常にパズルを解くために競争する必要があるため、継続的なエネルギー支出が必要です。Proof of Stakeはこれを資本のロックに置き換えます。2022年にイーサリアムがPoWからPoSへ切り替えたことで、エネルギー消費は約99.95%減少しました。ビットコインのPoWネットワークは、引き続き大量の電力を消費しています。
PoSネットワークは、PoWネットワークのように攻撃され得ますか？はい。ただし攻撃モデルは異なります。PoWの51%攻撃は、マイニングパワーの過半数を制御する必要があります。PoSの同等の攻撃には、ステークされたコインの過半数を入手する必要があります。イーサリアムのような大規模ネットワークでは、どちらの形の攻撃も非常に高コストです。PoSには追加の抑止策もあります。それがスラッシングで、不正行為が検知されれば攻撃者のステークした担保の一部が破壊されます。
PoWとPoSでは、どちらのほうが分散化されていますか？どちらにも中央集権化のリスクがあります。PoWは、ハードウェアと電力のコストのためにマイニングプールの集中へ向かいやすいです。PoSは、より裕福なバリデータによるステークの集中へ向かいやすいです。どちらのモデルも完全な分散化を保証しません。分散化の度合いは、特定のネットワーク、その規模、そして実際に参加がどのように分配されているかに大きく依存します。
最後にProof of Work（PoW）とProof of Stake（PoS）は、同じ課題を解くための2つの異なるアプローチです。つまり、単一の参加者を信頼することなく、分散型ネットワークで合意に到達する方法です。PoWは実績が長く、ビットコインのセキュリティモデルの土台であり続けています。PoSは新しいネットワークでは主流の選択肢になっており、2022年のイーサリアムの成功した移行が、大規模で成熟したブロックチェーンでも切り替えが可能であることを示しました。
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