導入
- Proof of Work (しばしば「PoW」と略される) は、二重支出問題の防止メカニズムです。ほとんどの暗号通貨はこのコンセンサス アルゴリズム メカニズムを使用しています。私たちはこのアプローチを暗号的に安全な台帳と呼んでいます。
導入
簡単に言うと、Proof of Work (PoW) は、デジタル決済システムにおける二重支払いの問題を防ぐメカニズムです。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ために、プルーフ オブ ワーク メカニズムを使用しています。この仕組みは、複数の当事者が互いに信頼することなく合意に達することを意味し、「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、現在でも Proof of Stake (PoS) と並んで主流となっています。サトシ・ナカモトは 2008 年のビットコイン白書でプルーフ・オブ・ワークの概念を提案しましたが、テクノロジー自体はそれ以前に考案されていました。
暗号通貨が存在する前に、アダム バックの HashCash はプルーフ オブ ワーク アルゴリズムの初期の例でした。 HashCash は、電子メールの送信前に送信者に少量の計算の実行を要求することで、受信者を悩ませるスパム問題を軽減します。このような計算は、通常の送信者にとってはほとんど困難ではありませんが、大量の電子メールを送信する人にとっては負担がすぐに増大します。
二重支出問題とは何ですか?
同じ資金が複数回使用されると、二重支出が発生します。この用語は基本的にデジタル通貨の世界に限定されており、結局のところ、現実の生活では同じ金額の現金を 2 回支払うことはできません。
たとえば、レジでコーヒーの代金を支払った後、コーヒーはレジにロックされます。顧客が同じ金額で通りの向かいのカフェでもう一杯のコーヒーを買うことは不可能です。ただし、電子マネー システムが使用されている場合、これが発生する可能性があります。
私たちは皆、間違いなく、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ー ファイルをコピーし、同じ文書を何十人もの人に簡単に送信したことがあります。デジタル通貨は本質的にデータであるため、他の人が二重支出の問題、つまり同じ通貨をコピーして他の場所で使用する問題を引き起こさないように注意する必要があります。二重支払いを防止できなければ、デジタル決済システムはすぐに崩壊するでしょう。
二重支払い問題について詳しく知りたい方は「二重支払い問題を詳しく解説」をご覧ください。
なぜ就労証明書が必要なのでしょうか?
私たちのブロックチェーン技術に関する記事を読んだことがある方なら、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投稿していることをご存知でしょうが、これらのトランザクションはすぐには有効になりません。トランザクションは、確認されてブロックチェーンに追加された後にのみ有効になります。
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パブリック トランザクション データベース (台帳) です。誰かが他の 3 人の友人とメモ帳を共有して、ビットコインの取引を記録していると想像してください。どちらかが価値の移転を行うときは、必ず次のことを書き留めてください。
アリスはボブに 5 BTC を支払い、ボブはキャロルに 2 BTC を支払います。
ただし、各取引には資金源を示す必要があります。したがって、ボブがキャロル 2 BTC を支払う場合、レコード エントリは次のようになります。
ボブは、ボブとアリスとの以前の取引から得られた 2 BTC をキャロルに支払います。
このようにして、上記の BTC 量を追跡する方法が得られます。ボブが以前にキャロルに支払った 2 BTC を使用して別の取引を行おうとすると、すぐに誰もがそれを知ることになります。以前に 2 BTC が使用されたため、共有グループのメンバーはこのトランザクションをメモ帳に記録することを許可しません。
小規模なグループの場合、このアプローチは非常にうまく機能します。誰もがお互いのことを知っており、どの友人が取引をメモ帳に記録するかについて合意に達することができます。参加者が 10,000 人のグループだったらどうなるでしょうか?現時点では、メモ帳を効果的に拡張することはできません。結局のところ、見知らぬ人が台帳を担当することを誰も信頼しないでしょう。
ここで仕事の証明が必要になります。 Proof-of-Work により、ユーザーはアクセス権のない資金を使用することができなくなります。ワークロード証明アルゴリズムはゲーム理論と暗号化を組み合わせたもので、誰もがシステム ルールに従ってブロックチェーンを更新できるようにします。
作業証明はどのように機能しますか?
上の例のメモ帳がブロックチェーンであると仮定します。トランザクションを 1 つずつ追加するのではなく、ブロックにパッケージ化するようになりました。トランザクションをネットワーク上に公開すると、ブロックを作成したユーザーがそのトランザクションを候補ブロックにカウントします。候補ブロックが確定ブロックになった場合にのみ、トランザクションが有効になります。つまり、トランザクションがブロックチェーン データベースに追加されます。
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。マイニングは費用がかかり、困難ですが、見返りも大きいです。ブロック報酬は、ユーザーの取引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 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コンピューティング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 データのハッシュ演算とは、データをハッシュ関数に組み込み、ブロック ハッシュ値を生成することを指します。ブロック ハッシュは、入力データの識別である「フィンガープリント」のように機能し、各ブロックに固有です。
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、これらのトランザクションを候補ブロックに編成し、ブロックのデータをハッシュ関数に取り込んで有効なハッシュ値を生成する必要があります。マイナーは候補ブロックの有効なハッシュを見つけることに成功すると、それをネットワークに公開し、ブロックをブロックチェーンに追加して、マイニング報酬を受け取ります。
マイナーが候補ブロックとハッシュ値をネットワークに公開した後、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。
有効なハッシュ値を計算するには無数にハッシュ化する必要がありますが、生成されたハッシュ値が正しいことは誰でも簡単に確認できます。同じ入力 (ブロック データ) がハッシュ関数に送信される限り、出力が一貫していることを検証できます。
Proof of Workに提供されるデータは、ハッシュ値が一定の条件を満たしている必要があります。しかし、ユーザーはそれを行う方法を知りません。彼らができる唯一のことは、データをハッシュ関数に渡して、基準を満たしていることを確認することです。一致しない場合は、データを少し変更して、別のハッシュ値を取得します。データ内の 1 文字でも変更すると、大きく異なる結果が生成される可能性があるため、出力はまったく予測できません。
したがって、ブロックの作成は推測ゲームです。一般に、ユーザーはすべてのトランザクション情報と追加されるその他の重要なデータを集約し、それらを同時にハッシュする必要があります。データセットは変更されないため、変数情報を追加する必要があります。それ以外の場合、出力ハッシュ値は常に一貫したものになります。この可変データを「乱数」と呼びます。 nonce を変更しようとするたびに、異なるハッシュ値が取得されます。
全体として、マイニングとは、ブロックチェーン データを収集し、特定のハッシュ値が見つかるまで乱数を使用してハッシュするプロセスです。結果のハッシュ値がプロトコルで設定された条件を満たしている場合、新しいブロックをネットワーク上に公開できます。同時に、他のネットワーク参加者は自分のブロックチェーンを更新して新しいブロックを含めることができます。
今日の主流の仮想通貨にとって、条件を満たすのは非常に困難です。ネットワークのハッシュ 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。これはブロックの生成速度を遅くするためです。
パソコンを使って大量のハッシュ値を推測するコストが膨大になることは想像できるでしょう。これは、多くの計算時間と電力を消費します。ただし、有効なハッシュが見つかった限り、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確認してみましょう。
マイニングは難しく、コストがかかりますが、ネットワークの安全性は保たれます。
マイナーが有効なブロックの生成に成功すると、新しく発行された暗号通貨と取引手数料で構成される報酬が得られます。
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ハッシュの有効性を簡単に検証できます。
ここまではすべて正常です。しかし、誰かが不正行為をしようとした場合はどうなるでしょうか?有効なハッシュを生成するために大量の不正なトランザクションをブロックに入力するのを防ぐにはどうすればよいでしょうか?
公開鍵暗号が登場しました。この記事では詳しく説明しませんので、「公開鍵暗号とは何ですか?」を参照してください。 》総合的な理解のために。簡単に言えば、公開キー暗号化は、特定の準拠した暗号化技術を使用して、誰かが一定の金額にアクセスする権限を持っているかどうかを検証します。
ユーザーはトランザクションを作成するときに、トランザクションに署名します。ネットワーク上の他のユーザーは、署名を署名ユーザーの公開鍵と比較して、一致することを確認します。同時に、他のユーザーは、その人に資金を使用する権利があるかどうか、投入額の合計が産出額の合計より大きいかどうか、つまり支出が保有額を超えてはいけないかを確認することもできます。
ネットワークは、無効なトランザクションを含むブロックを自動的に拒否します。不正行為を試みるコストは非常に高くなります。それはリソースの無駄であるだけでなく、報酬も得られません。
ここで、proof-of-work の謎が浮かび上がります。つまり、不正行為にはコストがかかりますが、誠実な運営は非常に収益性が高くなります。賢明な採掘者は投資収益率を追求するため、利益を確保するために慎重に作業を進めます。
プルーフ・オブ・ワーク (PoW) とプルーフ・オブ・ステーク (PoS)
プルーフ・オブ・ワークに加えて、多くのコンセンサス・アルゴリズムがあり、プルーフ・オブ・ステーク (PoS) が最も人気があります。この概念は 2011 年に遡り、イーサリアムやその他の多数のプロトコルに実装されてきました。
プルーフ・オブ・ステーク システムでは、マイナーは「バリデーター」に置き換えられ、マイニングとハッシュの推測に競合は存在しません。代わりに、ランダムに選択されたユーザーがブロックを提案または「ミント」する必要があります。ブロックが有効な場合、ユーザーはブロック取引手数料からなる報酬を受け取ります。
もちろん、選考プロセスには基準があり、契約ではさまざまな要素を考慮してユーザーを選出します。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の金額であるステークをロックインする必要があります。誓約書は保釈保証金と同じように機能します。たとえば、被告が裁判を回避できないようにするには、多額の保釈金を支払う必要があり、検証者は不正行為を防ぐために「誓約書」を固定する必要があります。不正行為があった場合、質権の全部または一部は没収されます。
プルーフ・オブ・ワークと比較すると、プルーフ・オブ・ステークには一定の利点があります。最も明白なのは二酸化炭素排出量の削減です。プルーフ・オブ・ステークでは高出力のマイニング・ファームが必要なく、消費電力もプルーフ・オブ・ワークのほんの一部に過ぎないためです。
それでも、プルーフ・オブ・ステークの人気はプルーフ・オブ・ワークよりもはるかに低いです。マイニングはリソースの無駄だと考えられていますが、10 年以上にわたって信頼できると認められている唯一のコンセンサス アルゴリズムです。ビットコインのプルーフ・オブ・ワークが導入されると、数兆ドル相当の取引が保護されました。プルーフ・オブ・ステークのセキュリティがプルーフ・オブ・ワークの安全性に匹敵するかどうかを知るには、ステーキングは長期にわたる実際の検証を受ける必要があります。
結論
Proof-of-Work は二重支出問題に対する最初の解決策であり、その信頼性と安全性は証明されています。ビットコインは、同じお金が二度使われないようにするために中央集権的な組織に依存する必要がないことを証明しています。分散環境の参加者は、暗号化、ハッシュ関数、ゲーム理論を巧みに使用して、金融データベースの状態を協調的に追跡できます。
さらに読む
暗号通貨マイニングとは何ですか?またその仕組みは何ですか?
公開鍵暗号とは何ですか?
ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムとは何ですか?
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