Proof of Stake (PoS) とは?

概要

Proof of Stakeは、Proof of Workに代わりとして良く採用されるコンセンサスメカニズムです。Proof of Stakeでは、トランザクションを検証するために計算能力を必要とする代わりに、バリデーターはコインをステークする必要があります。これによって、Proof of Stakeを採用するブロックチェーンでは、Proof of Workを採用するブロックチェーンと比べて、必要となるエネルギー消費量が大幅に削減されます。Proof of Stakeは、分散性、セキュリティ、スケーラビリティも向上させます。

ただし、Proof of Stakeは仮想通貨を保有していない場合、ネットワークに参加することが難しくなる可能性があります。また、時価総額の低いブロックチェーンでは、51%攻撃が簡単に実現することができます。Proof of Stakeは非常に汎用性が高いため、さまざまなブロックチェーンやユースケースに幅広いバリエーションがあります。

はじめに

Proof of Stakeは、現在のブロックチェーンネットワークで最も人気のある選択肢です。しかし、非常に多くのバリエーションがあるため、その中核となる概念を理解するのは難しい場合があります。また、現在ではオリジナルとして構築されたProof of Stakeを見ることはまずありません。それにも関わらず、あらゆる種類のProof of Stakeは同じ重要なコアコンセプトを共有しています。これらの類似点を理解することは、使用するブロックチェーンとその運用方法についてより良い選択をするのに役立ちます。

Proof of Stakeとは?

Proof of Stakeのコンセンサスアルゴリズムは、2011年にBitcointalkフォーラムで紹介されました。そもそもProof of Stakeは、Proof of Workの問題点に対する解決策として提案されました。両者はブロックチェーンのコンセンサスに達するという同じ目標を共有していますが、両者のプロセスはかなり異なっています。Proof of Stakeでは、大量の計算を行った証拠を提供する必要はなく、参加者はコインをステークしたことを証明するだけです。

Proof of Stakeの仕組み

Proof of Stakeアルゴリズムは、疑似ランダム選択プロセスを使用して、ノードのグループからバリデーターを選択します。システムは、ステーキング期間、ランダム化の要素、ノードの資産などの要因の組み合わせを使用します。

Proof of Stakeのシステムでは、ブロックはマイニングされるのではなく「生成」されます。しかし、時々チームが「マイニング」という用語を使用しているのを見たことがあるかもしれません。大半のProof of Stakeの仮想通貨は、ノードをすぐに稼働できるように「生成済み」の供給コインを使用します。

生成プロセスに参加するユーザーは、一定量のコインをステークして、ネットワークにロックする必要があります。ステークのサイズによって、ノードが次のバリデーターとして選択される可能性が決まります。つまり、ステークしている枚数が多いほど、チャンスは大きくなります。ただし、Proof of Stakeを採用している各ブロックチェーンでは、独自のメソッドが選択プロセスに追加されているため、ネットワーク内の最も裕福なノードが必ずしも、優先されるわけではありません。最も一般的に使用される2つの方法は、ランダム化ブロック選択とコインエイジの選択です。

ランダム化ブロック選択

ランダム化ブロックの選択方法では、バリデーターは、最小ハッシュ値と最大ステークの組み合わせを持つノードを探すことによって選択されます。ステークのサイズは公開されているため、次の生成者は通常、他のノードによって予測することができます。

コインエイジ選択

コインエイジ選択の方法は、トークンがステークされた期間に基づいてノードを選択します。コインエイジは、コインがステークされた日数にステークされたコインの数を掛けることによって計算されます。

ノードがブロックを生成すると、そのコインエイジはゼロにリセットされ、別のブロックを生成できるようになるまで一定期間待たなければなりません。これによって、大きなステークノードがブロックチェーンを支配するのを防ぎます。

トランザクションの検証

Proof of Stakeアルゴリズムを使用する各仮想通貨には、ネットワークとそのユーザーにとって、可能な限り最良の組み合わせを実現するために組み合わせられた、独自のルールとメソッドのセットがあります。

ノードが次のブロックを生成するように選択した場合、ブロック内のトランザクションが有効かどうかがチェックされます。次にブロックに署名をして、ブロックチェーンに追加します。報酬として、ノードはブロックからトランザクション手数料を受け取り、一部のブロックチェーンではコイン報酬を受け取ることができます。

ノードがバリデーターをやめたい場合、そのステークと獲得した報酬は一定期間後にリリースされ、ノードによってブロックチェーンに不正なブロックが追加されていないことを確認する時間がネットワークに与えられます。

Proof of Stakeを使用しているブロックチェーンとは?

Ethereum後のほとんどのブロックチェーンは、Proof of Stakeコンセンサスメカニズムを使用しています。通常、それぞれがネットワークのニーズに合わせて変更されます。これらのバリエーションについては、この記事の後半で説明します。Ethereum自体は、現在Ethereum2.0によってProof of Stakeに移行する過程にあります。

Proof of Stakeまたはその形式を使用するブロックチェーンネットワークには、次のものが含まれます。

1. BNB Chain

2. BNB Smart Chain

3. Solana

4. Avalanche

5. Polkadot

Proof of Stakeのメリット

Proof of Stakeには、Proof of Workよりも多くの明確な利点があります。このため、新しいブロックチェーンはほとんどの場合、Proof of Stakeを使用します。そのメリットをここからは詳しく見ていきましょう。

適応性

ユーザーのニーズとブロックチェーンが変化するにつれて、Proof of Stakeも変化します。現在、利用可能な様々な実装例を見ても、Proof of Stakeのこのメリットは明白です。このメカニズムは汎用性が高く、ほとんどのブロックチェーンのユースケースに簡単に適合できます。

分散性

適応性が高いことで、より多くのユーザーがノードを実行できるようになっています。このインセンティブとランダム化プロセスにより、ネットワークはより分散化されます。ステーキングプールは存在しますが、個人がProof of Stakeでブロックを正常に生成することができる可能性はProof of Workと比べて、はるかに高くなっています。全体として、これに伴いステーキングプールの必要性は下がります。

エネルギー効率

Proof of Stakeは、Proof of Workと比較して非常にエネルギー効率が良いです。参加コストは、パズルを解くための計算コストではなく、コインをステークする経済的コストに依存しています。このメカニズムによって、コンセンサスメカニズムを実行するために必要な電力量を大幅に削減することができます。

スケーラビリティ

Proof of Stakeはコンセンサスを生成するために物理マシンに依存しないため、よりスケーラブルです。巨大なマイニングファームや大規模なエネルギー供給を調達する必要はありません。ネットワークにバリデーターを追加すると、安価でシンプルになり、アクセスしやすくなります。

セキュリティ

ステーキングは、バリデーターが不正な取引を処理しないようにするための金銭的動機として機能します。ネットワークが不正な取引を検出した場合、バリデーターはそのステークの一部と将来参加する権利を失います。したがって、ステークしている金額が報酬よりも高い限り、バリデーターは詐欺行為で得るよりも多くの資産を失うことになります。

ネットワークを効果的に制御し、不正な取引を承認するには、ノードがネットワークのハッシュパワーの過半数を所有する必要があり、これが51%攻撃とも呼ばれています。仮想通貨の価値によっては、循環供給の51%を取得する必要があるため、ネットワークの制御を得ることはほとんど不可能です。

ただし、これは以下で説明する短所にもなります。

Proof of Stakeのデメリット

Proof of StakeにはProof of Workと比較して多くの利点がありますが、まだいくつかの弱点があります。

フォーク

標準的なProof of Stakeメカニズムにより、フォークしたチェーンの両方でマイニングを行うことへの阻害要因はありません。Proof of Workの下では、両方のチェーンでのマイニングはエネルギーの浪費につながります。Proof of Stakeでは、コストははるかに低く、フォークの際に両方のチェーンで「ステーク」することができます。

アクセシビリティ

ステーキングを開始するには、ブロックチェーンのネイティブトークンの供給が必要です。このためには、交換またはその他の方法でトークンを入手する必要があります。必要な金額によっては、効果的にステーキングを開始するために多額の投資が必要になる場合があります。

Proof of Workを使用すると、安価なマイニング設備を購入したり、レンタルしたりすることもできます。これにより、プールに参加して、検証と報酬の獲得をすぐにはじめることができます。

51%攻撃

Proof of Workも51%の攻撃を受けやすいですが、Proof of Stakeではこの攻撃ははるかに簡単に実施することができます。トークンの価格が暴落した場合やブロックチェーンの時価総額が低い場合、理論的にはトークンの50%以上を購入することで、安価にネットワークを制御できます。

Proof of Work vs. Proof of Stake

2つのコンセンサスメカニズムを比較すると、いくつかの重要な違いがあります。

	Proof of Work (PoW)	Proof of Stake (PoS)
要件	マイニング機器	最低金額、もしくはなし
電力消費量	多い	少ない
傾向	中央集権化	分散性
検証方法	計算証明	コインのステーキング

しかし、ブロックチェーンには様々なProof of Stakeメカニズムがあります。それらの多くの違いは、使用されるメカニズムの細かい仕組みです。

Proof of Stakeベースの他のコンセンサスメカニズム

Proof of Stakeは非常に柔軟性が高いです。開発者は、ブロックチェーンの特定のユースケースに合わせて、メカニズムの細部を変更できます。以下では、そういったメカニズムの中で有名なものの一部を紹介します。

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Delegated Proof of Stakeでは、ユーザーはバリデーターにならずにコインをステークすることができます。この場合、デリゲーターはブロック報酬を共有するために支持するバリデーターに対してステーキングします。より多くのデリゲーターからの支持を集めたバリデーターは、ブロックの検証に選ばれる可能性が高くなります。バリデーターは通常、デリゲーターと共有される金額をインセンティブとして変更できます。バリデーターの評判もデリゲーターにとって重要な要素です。

Nominated Proof of Stake (NPoS)

Nominated Proof of Stakeは、Polkadotが開発したコンセンサスモデルです。Delegated Proof of Stakeと多くの類似点がありますが、1つだけ大きな違いがあります。それは、ノミネーター (デリゲーター) が悪意のあるバリデーターを支持してステークした場合、ステークしているコインを失う可能性があることです。

ノミネーターは、最大16個のバリデーターを選択して、ステークすることができます。その後、ネットワークは選択したバリデーターに均等にステークを分配します。Polkadotはまた、ゲーム理論と選挙理論でいくつかのアプローチを使用して、誰が新しいブロックを生成するかを決定します。

Proof of Staked Authority (PoSA)

BNB Smart Chainは、ネットワークコンセンサスを生成するためにProof of Staked Authorityを使用しています。このコンセンサスメカニズムは、Proof of AuthorityとProof of Stakeを組み合わせて、バリデーターが交代でブロックを鋳生成できるようにします。21人のアクティブなバリデーターのグループが参加する資格があり、彼らがステークしたBNBの枚数、もしくはどれだけデリゲーターからの支持を得たかによって選択されます。このセットは毎日決定され、BNB Smart Chainはこの選択を保存します。

まとめ

トランザクションのブロックをネットワークに追加する方法は、Bitcoin以降大幅に変更されました。私たちはもはやブロックチェーンネットワークにおけるコンセンサスを生成するために、計算能力に頼る必要はありません。Proof of Stakeシステムには多くの利点があり、これまでの歴史はProof of Stakeが機能することを示してきました。時間が経つにつれて、Proof of Workを採用しているネットワークはBitcoinなどの僅かなネットワークだけになるでしょう。今のところ、Proof of Stakeは今後もどんどん普及が進んでいくでしょう。