イーサリアムブロックチェーンの仕組み PoSが解決すること

目次

    この2回の連載記事では、仮想通貨イーサリアムやビットコインブロックチェーンの基本的な仕組みと、その核となる考え方 ”コンセンサスアルゴリズム”  について簡単に解説します。

    前回の記事ではブロックチェーンの仕組みと、コンセンサスアルゴリズムであるPoW、そしてその問題点について触れました。

    2回目の本記事ではPoWが持つ、51%攻撃、マイニングコスト、スケーラビリティなどの問題を解決する可能性を持つコンセンサスアルゴリズム、Proof of Stake (PoS) について解説します。

    Proof of Stake(PoS)の仕組み

    PoSを直訳すると、”所持金額による証明” となります。PoSを採用している仮想通貨では、ブロックチェーンに新しいブロックを追加する際、よりその通貨を所有している金額が高い人ほど、ブロックをチェーンに繋ぎやすくなる仕組みです。

    PoWとの違い

    前回の記事で書いた通りビットコインが採用しているPoWでは、より多くの計算を行った人が計算問題の答えを見つけて、ブロックを繋いで報酬を得ることができました。対してPoSでは、計算能力によってではなく、元々持っている通貨の量によって計算の成功率が変わってきます。前回同様に数独を例にすると、PoSでは持っている通貨の量に応じて最初に与えられる問題の難しさが違う、つまり既に埋まっている数字の数が違うことになります。


    上図を見ると、右の問題の方が簡単に解けそうな事は一目瞭然です。

    またPoSアルゴリズムではどんな人でもある時間のうちに行える計算の回数が決まっています。そのため、PoWの様に計算が難しい分を高性能な計算機を用意して太刀打ちするということはできず、計算を成功させる可能性を上げるには純粋にその通貨の保有量を増やす必要があります。

    PoSのメリット

    PoWに対して、PoSは直感的に分かりにくいと感じた人も多いのではないでしょうか。なぜ保有量に応じて問題の難易度を変える必要があるのでしょうか?ここからは、PoSの仕組みを利用するメリットの側面からこの疑問に答えます。

    51%攻撃を行う目的を無くす

    PoWでは、ネットワーク全体の計算力の50%以上を持つことによって不正な取引情報をブロックに追加することが可能です。これを「51%攻撃」と呼びます。PoSでは、保有する通貨の量でマイニングの可能性が決まるので、同じように全体の通貨の50%以上を保有することによって「51%攻撃」を仕掛けることは依然可能です。しかしPoSでは51%攻撃ができる立場の人がそれを踏みとどまるような仕組みが確立されています。

    もしある通貨の50%以上を持つ人が、51%攻撃によって不正な取引情報が入ったブロックを誰よりも早くブロックチェーンに繋げたとしましょう。その時確かに、攻撃を仕掛けた人はその取引によって不正にそのブロック内の通貨を得ることができます。しかし攻撃を仕掛けた直後には、攻撃された側がその不正を暴いてしまい、その事実を世界中に発信するでしょう。

    この攻撃の事実が知れ渡ると通貨の信用は大幅に下がってしまい、これは通貨自体の価値(価格)の暴落を招きます。

    結果として攻撃を仕掛けた人は、不正なブロックによって多少の通貨を得られても、自分が元々保有していた50%以上の通貨の価値が暴落してしまうため、結局はトータルで損をします。

    この様にPoSでは51%攻撃ができる人は攻撃をするメリットが無く、51%攻撃は起こらないとされています。また資金的に考えても、ある通貨の50%以上を保有する事は容易ではありません。

    莫大な電気代・専用装置を必要としないマイニング

    PoSでは、計算できる量に制限があることから、PoWの様に膨大な計算を行うコンピューターを必要としません。よって、マイニングに大量の電力を消費するといった事も起こらなくなります。

    実際のPoSでのマイニングは非常にシンプルで、一般的に使用されているコンピューターにPoSを行うソフトウェアをインストールして、常時起動しているだけです。

    前回の記事で、PoWでは莫大な電気代がかかる為に電気代の安い中国でマイニングが集中している問題を書きましたが、PoWでは通貨を保有さえしていれば良いので電気代などの地理的な条件でマイニングが集中することも無くなります。

    その一方で、例えばイーサリアムの様な市場規模が非常に大きな通貨の場合、ある程度の量の通貨を保有できる人は大口の投資家、大企業、又は初期段階で大量にその通貨を購入して保有し続けた人(多くの場合はこれも大口投資家や開発者達)と限られてきます。そのため、やはり一部の人たちが殆どのマイニング報酬を寡占してしまう問題が指摘されています。

    スケーラビリティへの対応

    ビットコインでは利用者が多すぎる為に、リクエストされた取引をシステムが処理しきれない”詰まり”問題が発生しています。これはPoWシステムの弱点と言えます。詳細はこちらの記事に解説がありますが、PoSを採用することによってサイドチェーンやシャーディングといったスケーラビリティ問題を解決するアルゴリズムをシステムに組み込むことが可能になります。

    PoSが持つ問題点

    Nothing at Stake

    Nothing at Stakeを直訳すると”掛け金がない” という状態です。PoWでは不正なブロックを作るのにも、ある程度のコンピューターで時間をかけたマイニング作業が必要です。特に既にブロックチェーンに書き込まれた情報を書き換えようとすると、それ以降のブロック全ての計算を解き直す必要があるため、そのようなハッキングはかかる手間を考えると現実的ではありませんでした。

    しかしPoSでは、もしある程度の通貨を保有していれば簡単に、手間を要さずにブロックを作る事が可能になります。これは彼らにとって、なんのリスクもなくハッキングが可能になることになります。これをNothing at Stake問題と呼びます。

    Long-range攻撃

    PoSアルゴリズムが持つ別の問題としてLong-range攻撃があります。もしあるPoSアルゴリズムを採用する通貨で、初めの頃のブロックに記録されている通貨を全体の1%程度の少量でも持っていれば、そこから不正なブロックチェーンをNothing at Stakeな状態で長く繋いでいくことができ、簡単に本物のチェーンと同じ長さのものを作ってしまう可能性があるという問題です。この問題の仕組についてはイーサリアムの生みの親Vitalik氏によって解説されています。

    A version of this attack also exists for naively implemented proof of stake algorithms. In a naively implemented proof of stake, suppose that there is an attacker with 1% of all coins at or shortly after the genesis block. That attacker then starts their own chain, and starts mining it. Although the attacker will find themselves selected for producing a block only 1% of the time, they can easily produce 100 times as many blocks, and simply create a longer blockchain in that way.

    (引用:https://blog.ethereum.org/2014/05/15/long-range-attacks-the-serious-problem-with-adaptive-proof-of-work/

    イーサリアムのPoS移行

    イーサリアムでは、ホワイトペーパーに則ってFrontier, Homestead, Metropolis, Serenityの4段階に分けて主要なアップデートが予定されています。現在は、2017年10月にMetropolisの中のByzantiumへのアップデートが完了し、次期constantinopleへのアップデートを待っている状態ですが、その次のSerenityへのメジャーアップデートではコンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSへと変更する予定です。

    イーサリアムのMetropolisや全体のロードマップについてはこちらの記事で詳細に解説しています。

    イーサリアムでは、基本的なPoSアルゴリズムに独自の要素を加えたCasperと呼ばれるPoSアルゴリズムの開発が進んでいます。このCasperアルゴリズムでは基本的なPoSの流れを汲むことで、スケーラビリティへの対策を打ちつつ、Nothing at Stake, Long-rangeといった問題への解決策が組み込まれています。既にCasperのテスト版は稼働しており、PoSへの移行への準備が着々と進んでいると考えられます。

    Casperのαテスト版は2017年12月31日から稼働しており、Karl Floersch氏のTwitterで稼働中の様子が報告されています。

    まとめ

    如何でしたでしょうか、簡潔ではありますが本連載でブロックチェーンの基本的な仕組みから始めて、核となる考え方であるコンセンサスアルゴリズムについて主要な方式であるPoWとPoSの基本やその特徴について解説しました。

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