ビットコイン（BTC）のトランザクション履歴は、プルーフオブワーク（PoW）を使用して安全に順序付けられますが、大量の電力を消費し、一度に処理できるトランザクションの数は限られています。その結果、エネルギー集約度の低い方法に焦点を当てた新しいコンセンサスメカニズムが出現し、プルーフオブステーク（PoS）モデルが最も顕著なものの1つとなっています。これらのコンセンサスメカニズムにより、コンピュータネットワークは安全を維持しながら共同作業を行うことができます。
ブロックチェーンネットワークは、効果的に機能するためにいくつかの問題を解決する必要があります。たとえば、銀行やFinTechs（PayPalなど）のような中央機関が中央にない場合、分散型暗号通貨ネットワークは、ネットワーク内の当事者が同じお金を複数回使用しないようにする必要があります。さらに、コンセンサスメカニズムは、ネットワークがハードフォークを介して脱線するのを防ぎます。
ただし、銀行のような一元化された組織では、意思決定者または規制当局の取締役会がそのような活動を管理します。暗号はコミュニティに基づいているのに対し、ブロックチェーンはトランザクションとブロックを検証するためにコンセンサスに達する必要があります。
プルーフオブワークとプルーフオブステークは、暗号通貨ネットワークで暗号的にコンセンサスを取得するために分散型ファイナンス（DeFi）プロジェクトで現在使用されている2つの主要なコンセンサスメカニズムです。中本聡がビットコイン（最初の暗号通貨）を作成していたとき、彼らは第三者の関与なしに取引を検証する手段を見つける必要がありました。これを達成するために、彼らはプルーフオブワークと呼ばれるコンセンサスメカニズムを採用して、ネットワークがどのトランザクションが有効であるかについて合意できるようにしました。
それどころか、プルーフオブステーク（PoS）は、新しいDeFiプロジェクトと暗号通貨を強化する最新のコンセンサス方式です。一部のプロジェクトは、すぐにPoSで始まるか、PoWからPoSに移行しています。ただし、PoSコンセンサスネットワークをすぐに構築することは重要な技術的問題であり、PoWを使用してネットワークコンセンサスを取得するほど簡単ではありません。
プルーフオブワークは、ネットワーク上のスパムメールやサービス拒否攻撃と戦うために1993年に最初に提案されました。その後、PoWの概念は、2008年にビットコインネットワークの新しいブロックを検証するために中本聡によって普及しました。
PoWは、計算タスクが実行されたことを証明するネットワークユーザーの能力に基づいています。数式に答えるために、ノードと呼ばれる計算能力が使用され、方程式が解かれると、チェーン上の新しいブロックが検証されます。ノードとは、他のツールのネットワーク内でデータを受信、送信、または転送できるパーソナルコンピュータなどの物理デバイスです。
数学パズルに最も速く答えるソルバーは、現在のブロックと前のブロックの間に暗号リンクを作成し、新たに作成された暗号コインを獲得します。このプロセスはマイニングと呼ばれ、ソルバーはマイナーと呼ばれます。ブロックチェーンが関係するすべての関係者のために安全に保たれるのは、彼らの共同の努力を通してです。さらに、このパズル自体を解く計算タスクは、プルーフオブワークと呼ばれます。
ブロックチェーンは、ブロックチェーン順序と呼ばれるトランザクション順序に基づいて時系列に配置された一連のブロックで構成されるシステムです。ジェネシスブロック、またはブロックゼロは、ソフトウェアにハードコードされているPoWブロックチェーンの最初のブロックです。このブロックは、定義上、前のブロックを参照していません。ブロックチェーンにアップロードされた後続のブロックは、常に前のブロックを参照し、完全で更新された元帳のコピーが含まれています。
一部の参加者または鉱夫がネットワークの規制に適合する正当なブロックを提出するために計算リソースを費やすことが奨励される競争の激しいレースを通じて、PoWアルゴリズムは、新しいエントリで元帳を修正する人を選択します。元帳はすべてのトランザクションを追跡し、それらを連続するブロックに編成して、ユーザーが資金を2回使用できないようにします。改ざんを防ぐために、元帳が配布され、他のユーザーが変更されたバージョンを迅速に拒否できるようになっています。
実際には、ユーザーはハッシュを使用して改ざんを識別します。ハッシュは、プルーフオブワークとして機能する長い数字の文字列です。ハッシュ関数は一方向性関数です。つまり、ハッシュを生成したデータが元のデータと一致することを確認するためにのみ使用できます。
その後、ノードはトランザクションを検証し、二重支払いを防ぎ、提案されたブロックをチェーンに追加するかどうかを決定します。それらの資金の受取人を欺くために同じ通貨で2回支払いを行う行為は、二重支払いとして知られています。二重支払いはネットワークに大混乱をもたらし、その最も価値のある機能の1つである不変性、分散化、信頼性の欠如を排除します。
プルーフオブワークは、ブロックチェーンの一部を変更すると後続のすべてのブロックを再マイニングする必要があるため、二重支払いを非常に困難にします。ハッシュ関数を実行するために必要な機械と能力は高価であるため、ユーザーがネットワークの処理能力を独占することは不可能です。
さらに、コンセンサスを生成し、ブロックチェーンに記録されたトランザクションの正当性を確保するために、PoWプロトコルは計算能力と暗号化を組み合わせています。
マイナーは、新しいブロックを生成するためのハッシュプロセス中に、数学の問題に対する正しい答えを開発するために競争します。マイナーは、疑似乱数の文字列であるハッシュを推測することでこれを実現します。暗号化ハッシュ（SHA-256など）は、テキストまたはデータファイルの署名の一種です。テキストの場合、SHA-256はほぼ一意の256ビット（32バイト）の署名を提供します。
ブロック内のデータと結合され、ハッシュ関数を介して処理される場合、ハッシュはプロトコルの規定された要件を満たす結果を生成する必要があります。
ハッシュを獲得したマイナーは、ハッシュをネットワークにブロードキャストし、他のマイナーが答えが正しいかどうかを確認できるようにします。答えが正しければ、ブロックはブロックチェーンに追加され、マイナーはブロック報酬を受け取ります。たとえば、ビットコインマイニングの現在のブロック報酬は6.25ビットコインです。
PoWでは、鉱夫は複雑な数学的パズルを解き、ネットワーク上のブロックを処理するために、電気に多額のお金を払わなければなりません。電力は、マイニングと呼ばれるトランザクションの検証プロセスを通じてデジタル資産を生成するマシンに電力を供給するために使用されます。さらに、エネルギー消費は、トランザクションの正確な記録を保持し、指定された信頼できる金融政策を順守することを可能にするため、ネットワークのセキュリティにとって重要です。
さらに、チェーンを詐取するには悪意のある攻撃者がネットワークのコンピューティング能力の51％を引き継ぐ必要があるため、ネットワークは安全に保たれます。ブロックチェーンがプルーフオブワークシステムでフォークされた場合、マイナーは新しいフォークされたブロックチェーンネットワークに移動するか、元のブロックチェーンのサポートを継続するかを選択する必要があります。
マイナーは、両方のブロックチェーンをサポートするために、計算リソースをフォークの両側に分割する必要があります。その結果、経済的インセンティブを通じて、プルーフオブワークシステムは自然に絶え間ない分岐を防ぎ、鉱山労働者にネットワークに害を与えたくない側を選ぶように促します。一方、51％の攻撃に対して脆弱である場合、または互換性のあるハッシュアルゴリズムの最も重要なコインホルダーを使用していない場合、より大きなコインを使用している個人は、ハードウェアをあなたに向けてあなたを連れ出す可能性があります。インセンティブを獲得できなくなります。
これらの特性は、鉱山労働者が投資収益を最適化するために戦略的に行動しなければならないゲーム理論に役立ちます。限定合理性の状態のように、人々は常に最も単純な解決策を選択します。新しいチェーンに移行すると、事態はさらに困難になります。したがって、ゲーム理論は寡占が内部の腐敗を回避し、論理的な決定を下すのに役立ちます。
上記の利点にもかかわらず、PoWは、リソースの使用に関して非常にコストがかかり、非効率的である可能性があります。鉱山労働者は、すぐに消耗する最新の機器を含むさまざまな費用に対処する必要があります。鉱山労働者は、鉱山労働者の場所によっては、大量の熱を発生する傾向があり、法外な電力を消費する可能性があります。さらに、ネットワークが過負荷になると、システムの取引手数料が高騰します。
2011年、Bitcointalkフォーラムで、PoWコンセンサスメカニズムの非効率性に対処し、ブロックチェーンネットワークの実行に必要な計算リソースの量を減らすための新しいアプローチが提案されました。この概念は、具体的な作業を実行するのではなく、エコシステムに検証可能なステークが存在することに基づいています。
言い換えると、暗号ネットワーク上のトランザクションを検証するには、ユーザーは、ブロックチェーンにネイティブな特定の量の暗号通貨トークンを所有していることを示すだけで済みます。分散コンセンサスを達成するためにブロックチェーンネットワークによって使用されるこのタイプのコンセンサスメカニズムは、プルーフオブステークコンセンサスメカニズムと呼ばれます。
たとえば、鉱夫Aは30コイン、鉱夫Bは50コイン、鉱夫Cは75コイン、鉱夫Dは15コインを賭けます。この場合、マイナーCは、次のブロックの書き込みと検証を優先します。プルーフオブワークのブロック報酬とは対照的に、マイナーCは取引手数料、つまりネットワーク手数料を徴収します。
ジェネシスブロックは、プログラムにハードコードされているPoSブロックチェーンの最初のブロックです。ブロックチェーンにアップロードされた後続のブロックは、常に前のブロックを参照し、完全で更新された元帳のコピーが含まれています。
PoSネットワークでは、鉱夫はブロックを追加する権利をめぐって競争しません。ブロックは、採掘されるのではなく、「造られた」または「鍛造された」と呼ばれることがよくあります。
PoSブロックチェーンは、PoWブロックチェーンとは異なり、エネルギー使用量に基づいてブロックを提案できるユーザーを制限しません。 PoWブロックチェーンの高いエネルギー要件にもかかわらず、プルーフオブステークのような新しいコンセンサスメカニズムにより、マイニングの必要性がなくなります。
プルーフオブステークシステムには、マイニングブロックが多くのエネルギーを使用しないため、エネルギー効率が向上するなど、プルーフオブワークスキームに比べていくつかの利点があります。さらに、新しいブロックを作成するために最先端のテクノロジーは必要ありません。プルーフオブステークにより、ネットワークのノード数が増加します。
ネットワーク内のノードが増えると、集中化に対するより強力な耐性を提供するガバナンス規範の開発に役立ちます。 PoSシステムでは、これはハードウェアの高度な独立性によって可能になります。その結果、プルーフオブステークは、ネットワークの集中化につながる可能性が最も低いコンセンサスアルゴリズムと見なされることがよくあります。
PoSブロックチェーンにブロックを追加するプロセスに含めることを検討したいユーザーは、一意の契約で特定の量のネットワークの暗号通貨を賭けるか、ロックする必要があります。次のブロックプロデューサーとして選ばれる確率は、彼らが賭けた暗号資産の量によって決まります。ユーザーが悪意を持って行動した場合、その行動の結果として賭け金を失う可能性があります。
PoSには、ノードがお金を賭けた時間の長さや純粋なランダム化など、最も裕福なノードに常に利益をもたらすとは限らない他の決定要素が含まれる場合があります。 PoSのブロック報酬とは、PoWメカニズムと同様に、有効なブロックを送信した人にブロックチェーンによって付与されるネットワーク料金を指します。
PoSでは、ブロックの選択はコインの所有権に基づいています。したがって、ステーキングサービスは取引所によって提供され、ユーザーはより一貫した報酬と引き換えに自分に代わって暗号を賭けることができます。複数の利害関係者がステーキングプールに参加して、コンピューティングリソースをプールし、報酬を得るチャンスを最大化できます。別の言い方をすれば、彼らは新しいブロックの検証と妥当性確認の際にステーキングパワーをプールして、ブロック報酬を受け取る可能性を最大化します。
PoSでは、大量のエネルギー資源の浪費の問題に対処しています。さらに、PoSベースのシステムはPoWベースのシステムよりもはるかにスケーラブルであり、トランザクションははるかに迅速に承認されます。スケーラビリティとは、システムのパラメータを変更したり、コンセンサスメカニズムを変更したりすることで、システムが特定の現在のシステムよりも高い1秒あたりのトランザクション数（TPS）を達成することを意味します。
PoSネットワークは、ブロックが構築される前にコンセンサスを確立することでスケーラビリティを実現します。これにより、ミリ秒未満の遅延スパイクで1秒あたり数千のリクエストを処理できます。
一方、プルーフオブステークには独自の問題があります。たとえば、ネットワークは依然として最も重要なトークン所有者による支配の対象となっています。これにより、アーリーアダプターや最もお金のある人々により多くの力がもたらされます。
概念はまだ比較的新しいため、暗号コミュニティにはまだ明らかではない欠点がある可能性があります。このパラダイムは、プルーフオブワークとは異なり、パフォーマンスの実績がありません。さらに、フォークは、プルーフオブテイクシステムによって自動的に阻止されることはありません。バリデーターは、ブロックチェーンが分割されたときに、新しくフォークされたブロックチェーンでステークの複製コピーを受け取ります
バリデーターがフォークの両側でサインオフすると、「何も問題がない」というジレンマが発生し、コインを二重に使用して、収益として2倍の取引手数料を徴収できるようになります。
前述の説明から、両方のコンセンサスメカニズムには長所と短所があることが明らかです。それらはすべて上記のものと同じ本質的な目的を持っていますが、それを達成するために異なる方法を使用しています。
さまざまなコンセンサスメカニズムの重要な違いは、トランザクションの検証をどのように委任して報酬を与えるかです。その他の違いは、以下の表で説明されています。
コンセンサスメカニズムは、トランザクションの検証を担当するエンティティの集中化を減らすため、ブロックチェーンネットワークの分散設計にとって非常に重要です。ブロックチェーンネットワークの不変で信頼できない分散特性を維持するには、完全に機能するコンセンサスメカニズムが必要です。
必要なコンセンサスの種類は、ネットワークのニーズによって異なります。たとえば、ネットワークでの不正防止、セキュリティ、信頼構築には、プルーフオブワークが必要です。 PoWによって保護されているため、マイナー（または独立したデータプロセッサ）がトランザクションについて誤解することはありません。プルーフオブワークは、暗号資産のトランザクション履歴を保護すると同時に、時間の経過とともにデータを変更することの難しさを増す方法です。
作業が完了して送信されたことを示す参加ノードの要件により、ブロックチェーンに新しいトランザクションを追加して、悪意のあるアクティビティを保護することができます。
ネットワーク上にブロックチェーンのコピーが多数ある場合、PoWは最も正当なコピーを特定するのに役立ちます。最後に、一貫した稼働率を維持しながら、鉱夫がネットワークに自由に出入りできる分散型クロックを構築するには、プルーフオブワークが不可欠です。
同様に、ネットワークのパフォーマンスとセキュリティは、PoSベースのメカニズムを使用した場合の重要な結果です。 PoSは、1秒あたりのオンチェーントランザクションと実際のネットワーク転送決済に高いトランザクション速度が必要な場合に使用されます。さらに、バリデーターはかなりの量のネットワークトークンを所有している可能性が高く、チェーンを安全に保つために金銭的なインセンティブを与えます。
ただし、脅威に対するPoSおよびPoWのセキュリティの強さについては疑問があります。したがって、トランザクションを安全に検証するために、スペースの証明、または（Chiaプロジェクト）と呼ばれる検証メカニズムが作成されます。 Chiaは、プルーフオブスペースとプルーフオブタイムのコンセンサスメカニズムを使用して、PoWおよびPoSブロックチェーンを悩ませている集中化の問題のいくつかを解決します。
