プルーフオブワークを理解する: ビットコインとブロックチェーンのセキュリティの基盤

なぜデジタルマネーをコピーできないのか？

デジタル通貨の根本的な問題は、物理的な現金とは異なり、デジタルデータは無限に複製できるということです。もしビットコインのファイルをコピー＆ペーストできれば、同じコインを複数の人に送ることができるでしょう。これはダブルスペンド攻撃として知られるシナリオです。これにより、どんなデジタル決済システムも瞬時に崩壊するでしょう。

現金にはこの問題はありません。$20 の紙幣をレジ係に渡すと、物理的にそれを手放します。デジタル取引については同じことは言えません。堅牢なセキュリティメカニズムがなければ、誰かが理論的に同じデジタル資産を二つの異なる場所で同時に二回使うことができる可能性があります。

これはまさに、Proof of Work (PoW)が解決するために設計された問題です。

プルーフ・オブ・ワークとは具体的に何ですか？

プルーフ・オブ・ワークは、中央集権的な権威を信頼することなく、独立した参加者のネットワークが共有元帳の状態に合意することを可能にするコンセンサスメカニズムです。銀行や政府に不正な取引を防ぐことを依存する代わりに、ネットワークは計算パズルとゲーム理論を使用して、不正行為を非常に高価にします。

ビットコインは2008年に暗号通貨の世界にPoWを導入しましたが、この概念は暗号通貨よりも前から存在していました。アダム・バックのHashCashアルゴリズムは1990年代に作成され、メールスパムに対抗するために類似の計算証明の概念を使用しました。その原則は同じままです：価値のあるものを受け入れる前に作業の証明を要求します。

メカニズム: マイニングが実際にどのように機能するか

ネットワーク内の全員が維持する共有台帳を想像してみてください。取引が発生すると、それらはネットワークにブロードキャストされ、ブロックにまとめられます。しかし、これらのブロックがブロックチェーンに追加される前に、マイニングを通じて検証されなければなりません。

マイナーは保留中のトランザクションを収集し、それらを候補ブロックにまとめます。次に計算作業が行われます：彼らはブロックのデータを暗号ハッシュ関数に繰り返し通し、各試行でナンスと呼ばれる変数の数を変更し、ネットワークの難易度要件を満たすハッシュを生成するまで続けます。

これは計算資源を多く消費します。マイナーは、数兆回のハッシュ計算を実行し、大量の電力と処理能力を消費しなければなりません。しかし、彼らが最終的に有効なハッシュを発見すると、それをネットワークにブロードキャストし、報酬を得ます—新たに作成された暗号通貨とトランザクション手数料です。

エレガントな部分？ ハッシュの検証は簡単です。他のネットワーク参加者は、勝利したブロックを取得し、同じハッシュ関数を通して解決策を確認します。出力が一致すれば、そのブロックは有効です。この非対称性—生成するのは高コスト、検証するのは低コスト—はPoWのセキュリティの中心です。

なぜこのデザインは不正行為を無意味にするのか

マイナーがブロックに不正な取引を含めようとすると、2つの問題がすぐに発生します:

まず、公開鍵暗号がこれを防ぎます。ユーザーはプライベートキーで取引に署名し、ネットワークは公開鍵に対して署名を検証します。他の参加者が資金を所有していない、または保有している以上の金額を支出しようとすると、取引は即座に拒否されます。

第二に、マイナーが何らかの方法で暗号学的チェックを回避したとしても、有効なハッシュを見つけるための計算コストは膨大です。マイナーはこの作業に対してリアルなリソース—電力やハードウェア—を投資しています。不正行為はこれらのリソースを無駄にし、報酬ゼロとなるため、経済的に非合理的です。

結果：不正は誠実よりも高くつく。 合理的なマイナーは、誠実に行動することで利益を得るため、ネットワークのセキュリティと自らの利益を一致させる。

マイニング難易度はネットワークの状況に応じて調整されます

マイナーがネットワークに参加し、計算能力が増加するにつれて、PoWの難易度は自動的に調整されます。このプロトコルは、ブロックが一貫した速度で発見されることを保証します。ビットコインは(おおよそ10分ごとに発見されます。総ネットワークハッシュレートに関係なく、ハッシュレートが上昇すると、パズルの難易度が増加します。ハッシュレートが低下すると、難易度が減少します。この動的調整により、ブロックがあまりにも早くまたは遅く見つかることなく、セキュリティが維持されます。

トレードオフ：セキュリティ対エネルギー消費

プルーフ・オブ・ワークのセキュリティはコストがかかる—電力消費。ビットコインのマイニング作業は世界的に大量のエネルギーを消費し、環境への懸念を引き起こしています。これが代替のコンセンサスメカニズムが登場した理由です。

プルーフ・オブ・ステーク：代替アプローチ

プルーフ・オブ・ステーク )PoS(は、マイナーの代わりにバリデーターを使用します。計算パズルを解く代わりに、バリデーターは担保としてロックアップした暗号通貨に基づいてブロックを提案するためにランダムに選ばれます)「ステーク」と呼ばれる(。彼らが不正行為を行った場合、彼らはステークを失います—これは計算作業の代わりとなる経済的なインセンティブです。

PoSは、マイニングファームが必要ないため、PoWのエネルギーの一部しか消費しません。イーサリアムは2022年にPoSに移行し、大規模なブロックチェーンネットワークがこのように運営できることを示しました。

しかし、PoWには1つの重要な利点があります。それは、実績です。ビットコインのPoWは、15年以上にわたり成功した攻撃なしで数兆ドルの取引を保護してきました。PoSは期待が持てるものの、同じ数十年にわたる実世界でのテストを受けておらず、その長期的なセキュリティ保証について疑問が残ります。

ボトムライン

プルーフ・オブ・ワークは、暗号通貨において最も実績のあるコンセンサス・メカニズムです。ブロックを追加するために substantial な計算投資を必要とし、検証を容易にすることで、正直な行動が利益をもたらし、詐欺行為が経済的に非合理的なシステムを作り出します。

ビットコインや他の多くのネットワークにとって、この巧妙な暗号学、ゲーム理論、経済的インセンティブの組み合わせは、代替手段よりも耐久性があることが証明されています。PoSが最終的に同等のセキュリティレベルを達成できるかどうかは、ブロックチェーン技術の最も重要な未解決の問題の一つです。