コンセンサスアルゴリズムの種類

合意アルゴリズムは、分散型ネットワークの状態や単一のデータ値の状態について参加者が合意し、ネットワーク内の未知の仲間との間に信頼を確立するために使用されるコンピュータサイエンスの手続きです。

合意アルゴリズムは、ブロックチェーンのメンバーがネットワーク上でのトランザクションの検証、ネットワークパラメータの変更、新しいブロックを処理する信頼できるノードの決定、その他の重要な機能を合意するように設計されています。

この記事の技術的な性質に惑わされないでください。私たちの周りには「合意」を見つけることが常にあります。これは非常に人間的な概念ですが、自動化可能なものに応用されています。

まず第一に、中央集権型システムでは、合意タスクは中央権限によって実行されます。

ビットコインのような分散型システムでは、数百、数千、さらには数十万のマイナーやノードで構成されたネットワークがあり、これらが集まって1つまたは複数のタスクを実行し、信頼性のある効率的なエコシステムを提供します。

この例を使って分散型合意について考えてみましょう。あなたが4人の友人のグループにいて、そのメンバーの一人、アレックスが5人目の人、ボブを紹介したとします。ボブが去ったとき、グループはおそらくボブについて話し始めるでしょう(これがプロトコルです)。彼らがボブを好きかどうかを確認するのです(その結果が「合意」となります)。

ホセ:「ボブはいい奴のようだ。」



ケビン:「ああ、いい奴だね。どうやって会ったの?」

アレックス:「彼は大学の財務学のクラスにいて、私たちは暗号取引のヒントを共有していたんだ。彼は結構面白い奴だった。」

ケビン:「いいけど、彼のミームは本当に変だった。」

ジョン:「君はミーム文化を理解していないんだ。」

ホセ:「そうだね、君はTikTokをスクロールするのにあまり時間を費やしていない—僕は結構面白いと思ったけど。」

この例では、ボブが友人グループにうまく溶け込むかどうかに関して「合意」が達成されました。具体的な約束や契約がなくても、しばしば必要な意見の合意が存在します。 一人の参加者、ケビンはボブをグループに入れることに消極的ですが、ホセ、アレックス、ジョンはボブを気に入っています。

この場合、上記の例を合意アルゴリズムにコード化すると、3つの「彼はいい奴」と1つの「彼はいい奴だけどXYZについては不確か」という結果は依然として「彼はいい奴」となります。多数決で勝つので、ケビンの意見にもかかわらず、ボブはクールな仲間たちと一緒に過ごすことができるのです。

ビットコインの例では、新しいトランザクションが有効かどうか(「クール」かどうか)を見つけるために設計されています。

ここでは、公共およびプライベートネットワークでの最も人気のある—そしてあまり人気のない—ブロックチェーン合意アルゴリズムのタイプをレビューします。

プルーフ・オブ・ワークとは?

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)は、サトシ・ナカモトによって2009年にビットコインの作成と共に登場した最も人気があり古い合意アルゴリズムです。 PoWシステムは、数学的パズルを解決するために競い合うマイナー—ネットワークノードと呼ばれる—のグローバルネットワークで構成されています。パズルを成功裏に解決したマイナーは、ブロックチェーンに新しいブロックを追加する権利を得て、新たに生成された暗号通貨で報酬を受け取ります。

プルーフ・オブ・ワークは、マイナーがネットワーク合意を達成し、各ブロックの真正性を検証するために計算能力を提供した証拠を示す方法です。さらに、各ブロック(トランザクション)は順序通りに配置され、二重支出のリスクを排除します。

これまでのところ、PoWは暗号通貨ブロックチェーンにとって最も安全な合意メカニズムです。ネットワークを変更するには、攻撃者がチェーン内のすべての既存のブロックを再マイニングする必要があります。ブロックチェーンが成長するにつれて、ネットワークの計算能力を独占するのはより困難になります。なぜなら、それには膨大なエネルギー消費と高価な装置が必要だからです。

マイナーがパズルを解決すると、彼はネットワークの難易度によって設定された値以下のハッシュを生成するnonce(1回使用する番号の略)を見つけます。

nonceはPoWシステムの中心的な部分です。なぜなら、マイナーがSHA-256ハッシュ関数でハッシュされたブロックヘッダーを作成することを可能にするからです。これは、チェーン内のブロックの参照番号を設定することを意味します。ブロックヘッダーにはタイムスタンプや前のブロックのハッシュも含まれています。

PoWの欠点

マイナーは、パズルを解決するためにかなりの計算能力を提供する必要があります。しかし、計算が複雑なため、単一のS9 Antminerが消費するエネルギーは、通常、14.5 TH/sのハッシュレートで1400〜1500ワット/時です。より強力なバージョンであるS19は、ハッシュレート110 TH/sで3250ワット/時を消費します。

いくつかの数学を使って、データセンターやマイニング会社が単一の場所で毎日消費するエネルギーの量を計算できます。高いエネルギー消費と環境へのダメージは、プルーフ・オブ・ワークからの主な批判です。

これを視覚化すると、イーサリアムがプルーフ・オブ・ステークに切り替える前、全世界のイーサリアムマイナーは約10 TWh/年を消費しており、これはチェコ共和国と同じです。

大きな騒音は人間の聴力にも悪影響を及ぼします—80 dBaを超えます。これが、マイニングリグが通常地下室やマイニング施設に保管される理由です。

プルーフ・オブ・ステークとは?

プルーフ・オブ・ステーク(PoS)は、2番目に人気のある合意アルゴリズムです。マイナーの代わりに、PoSブロックチェーンにはネットワークバリデーターが存在し、彼らは計算能力ではなく、自身のコイン/トークンをネットワークへのコミットメントの証拠として使用します。

ステーキングとは、ブロックチェーンプラットフォームで一定期間暗号資産を「ロック」することを意味し、その見返りにユーザーはより多くの暗号通貨を報酬として受け取ります。

PoWとPoS: 主な違い

PoSでは、ユーザーは資産の一部をパッシブインカムを生み出す目的でステーキングできます。もう1つの選択肢は、バリデーターになることです。PoWシステムとは異なり、バリデーターは新しいブロックを作成するために競争しません。なぜなら、彼らはアルゴリズムによってランダムに選ばれるからです。ユーザーがステーキングするコイン/トークンが多いほど、バリデーターになり、新しいブロックをブロックチェーンに作成するチャンスが高くなります。

PoWシステムでは、新しいブロックの生成時間はマイニングの難易度によって決まります。ネットワークに参加する参加者が増えるほど、ハッシュパワー、すなわち新しいブロックをマイニングするために必要な計算能力が大きくなります。対照的に、PoSブロックチェーンには、ブロック生成時間がスロット—ブロックを作成するのにかかる時間—とエポックに分割された固定のブロック生成時間があります。エポックはスロットの単位です。

これをより明確に説明すると、イーサリアムのスロットは12秒であり、これはネットワークがブロックを作成するのにかかる時間です。そして32スロットで1エポックが作成されます。したがって、1エポックは6.4分です。PoSブロックチェーンの各スロットには、提案されたブロックの有効性に投票する事前に決定された数のバリデーターがいます。ブロックが有効な場合、それはチェーンに追加され、ブロック提案者と証人はETHで報酬を受け取ります。

PoSブロックチェーンは、51%スタイルの攻撃でネットワークを攻撃する悪意のある行為者を罰します。これをスラッシングと呼び、正直なバリデーターが悪意のあるバリデーターをネットワークから排除し、彼らの残高を排出します。これにより、ステーキングされた資金の必要数がかなり高いため、悪意のある行為者がネットワークを攻撃することが抑制されます。イーサリアムの場合、32 ETHです。

PoSの利点:

  • PoWに比べてエネルギー消費が少ない
  • PoWよりもレイヤー2ソリューションと連携するのに適している
  • ブロックが通過する前に合意が確立されるため、高いスループットを実現できる
  • 新しいブロックを生成するためにエリートハードウェアを必要としないため、PoWブロックチェーンよりもコストが低い

PoSの欠点

  • 大量のステーキングトークンを持つバリデーターがネットワークに影響を与える可能性があるため、PoSシステムは依然として中央集権化の影響を受ける。
  • PoWブロックチェーンに比べてセキュリティの観点での実績が少ない。

プルーフ・オブ・ヒストリーとは?

プルーフ・オブ・ヒストリー(PoH)は、ソラナブロックチェーンによって提示された合意アルゴリズムで、ネットワーク上のすべてのイベントにタイムスタンプを付けることで、それらが特定の時間に発生したことを証明します。 PoHは、トランザクションを順序通りに確認する暗号的な時計として説明できます。

ソラナはそのPoHアプローチをPoSと組み合わせています。したがって、ネットワークの参加者は、バリデーターになるためにSOLをステーキングし、新しいブロックを処理し、PoHメカニズムがリアルタイムで行われるトランザクションの有効性を検証します。言い換えれば、PoHはセキュリティを維持し、PoSはタイムスタンプを確認し、トランザクションを確認できるバリデーターのネットワークを提供します。

しかし、ソラナは、超高速のトランザクションスループットを提供するために分散化を犠牲にしています。ブロックチェーンは、単一のノードがリーダーとして選ばれ、PoH時計という単一の時間ソースを実装する半中央集権的なアーキテクチャに依存しています。そして、他のすべてのノードは、それに応じて時間のシーケンスに従わなければなりません。リーダーは定期的にPoS選挙を通じて選出されます。

ソラナは業界で最も速いブロックチェーンの1つですが、定期的にダウンタイムを経験します。2020年のローンチ以降、ネットワークは約10回のダウンタイムを経験しており、そのうち5回は2022年に発生しました。これらのダウンタイムの主な原因は「不適切に設定されたノード」です。

委任プルーフ・オブ・ステークとは?

委任プルーフ・オブ・ステーク(DPoS)は、コミュニティが中心的な役割を果たすPoSのバリエーションです。

DPoSブロックチェーンでは、コミュニティメンバーが自分の暗号通貨をステーキングして、ブロック生産のための次の証人や代理人に投票します。これを行うために、ユーザーはトークンをブロックチェーンのステーキングプールにプールし、その後、資金を指定された代理人にリンクさせる必要があります。

DPoSは、元EOS CTOのダン・ラリマーによって開発され、2015年にBitSharesに実装されました。ラリマーと他のDPoS支持者は、DPoSが次のバリデーターを選ぶのはコミュニティであるため、民主的な範囲を広げると述べています。現在、TRONやCardanoのようなブロックチェーンがDPoSを使用しています。

しかし、DPoSへの批判は、その方法論が裕福なユーザーに有利であるということです。多くのトークンを持つ人々はネットワークにおいてより大きな影響を持つことができます。ビタリック・ブテリンはDPoSの最初の批判者の一人であり、この合意アルゴリズムが証人にカルテルを形成させ、支持のために投票者を賄賂することを奨励するとブログ投稿で主張しました。

プルーフ・オブ・オーソリティとは?

プルーフ・オブ・オーソリティ(PoA)は、許可されたメンバーのみがブロックチェーンと対話し、トランザクションを実行し、ネットワークパラメータの変更を行ったり提案したりし、トランザクション履歴をレビューしたりすることができる合意アルゴリズムです。

この用語は、イーサリアム、ポルカドット、クサマネットワークの共同創設者であるブロックチェーン開発者ギャビン・ウッドによって造られました。

PoAブロックチェーンでは、すべてがレピュテーションに関するものであり、ネットワーク参加者はコインの代わりに自分のアイデンティティをステーキングしています。 限られた数のバリデーターに依存するため、より高いスケーラビリティとスループットを提供します。これが非常に中央集権的なモデルであると考えるかもしれませんが、PoAブロックチェーンは通常プライベートであり、企業や組織がビジネスや運営システムを強化するためにブロックチェーン技術を使用するのに適しています。

経過時間の証明とは?

経過時間の証明(PoET)は、プライベートブロックチェーンで最も効果的に機能する別の合意アルゴリズムです。

PoETアルゴリズムは、インテルのソフトウェア開発者によって最初に提示され、Hyperledger Sawtoothに実装され、プライベートブロックチェーンや機関を対象としています。

このアルゴリズムは、適切に定義されていなかったため、他のブロックチェーンほど人気がないかもしれません。しかし、アイデアは、プライベートブロックチェーンが次のブロックプロデューサーを選択できるようにする、ナカモトスタイルのエンジンを提供することでした。そして、彼らはどのように異なるのでしょうか? その答えは、アルゴリズムが各ネットワークノードに「ランダム待機時間」を生成し、その間にノードは「スリープ」しなければならないということです。最短の待機期間を持つノードが最初に目を覚まし、チェーン内でブロックを生成する権利を獲得します。

したがって、主な違いは、PoETのマイナーが24時間稼働しておらず、エネルギーをあまり消費しないことです。さらに、PoWネットワークでは、マイナーは次のブロックヘッダーのハッシュを競い合いますが、PoETではよりランダムな選択システムです。

合意アルゴリズムFAQ:

イーサリアムはPoSに移行したことで速くなりますか?

一般的な誤解は、イーサリアムが自動的にスケールするということです。ですが、この移行はイーサリアムを向上させるために行われました:

  • エネルギー消費を減少させる
  • ハードウェア要件を排除して参入障壁を低くする
  • ノードの不正行為に対する経済的ペナルティを許可する
  • トークンの排出のための新しいモデルを導入する
  • そして、イーサリアムレイヤー2ソリューションに対応するためのより良いインフラを提供します。

許可なしと許可されたブロックチェーンとは何ですか?

許可なしブロックチェーンは、誰でもトランザクションを行い、トランザクション履歴をレビューし、コインをステーキングし、バリデーターになることができる公共ブロックチェーンを指します。一方、許可された(プライベート)ブロックチェーンでは、許可を持つメンバーのみがネットワークにアクセスしてトランザクションを行い、ネットワークノードと対話し、オンチェーン活動を追跡できます。

PoWは最も安全な合意アルゴリズムですか? PoWにはそれなりの欠点がありますが、これまでのところ、ブロックチェーンのネットワークの合意とセキュリティを維持するための最も実績のある信頼できる方法です。

最終的な考え: 合意アルゴリズムの説明

ブロックチェーンは、銀行や金融だけでなく、さまざまな業界における多くの課題や痛点を解決できる技術です。しかし、それには自らの一連の欠点もあります。そのため、開発者は中央集権化、スケーラビリティの欠如、低スループットなどの一般的な問題に対処するために、さまざまな種類やバージョンの合意アルゴリズムを作成しました。

しかし、ブロックチェーンアルゴリズムの未来について語るのは難しいです。なぜなら、一つの課題があるからです。それは「ブロックチェーントライレマ」です。ビタリック・ブテリンによって最初に示されたもので、ブロックチェーンネットワークが3つの利点のうち2つを提供できないことを示しています。それは分散化、セキュリティ、スケーラビリティです。ファントムやソラナのようないくつかのブロックチェーンプラットフォームは、ブロックチェーントライレマを解決しようとするために独自のハイブリッドバージョンの合意アルゴリズムを実装していますが、これまでのところ、実際に成功したものはありません。

ブロックチェーンの特性を向上させるために他の技術的アプローチも行われており、その中で最も人気があるのはレイヤー2で、これはレイヤー1に接続されたチェーンです。例えば、アービトラムとイーサリアム、そしてシャーディングは、全体のブロックチェーンを多数の小さなネットワークに分割します。ブテリンは、シャーディングが完璧なブロックチェーンの3つの特性を提供するための最良のアプローチだと考えています。

原文表示
このページには第三者のコンテンツが含まれている場合があり、情報提供のみを目的としております(表明・保証をするものではありません)。Gateによる見解の支持や、金融・専門的な助言とみなされるべきものではありません。詳細については免責事項をご覧ください。
  • 報酬
  • コメント
  • リポスト
  • 共有
コメント
コメントを追加
コメントを追加
コメントなし
  • 人気の Gate Fun

    もっと見る
  • 時価総額:$2.26K保有者数:1
    0.00%
  • 時価総額:$2.26K保有者数:1
    0.00%
  • 時価総額:$2.26K保有者数:1
    0.00%
  • 時価総額:$2.35K保有者数:3
    0.52%
  • 時価総額:$2.32K保有者数:2
    0.45%
  • ピン