ブロックチェーンの運用過程において、コンセンサスメカニズムはネットワークの安全性と一貫性を維持するための鍵であり、PoSコンセンサスメカニズムはトークンをステーキングすることでバリデーターを選択します。本記事では、PoSコンセンサスメカニズムの動作原理を詳しく説明し、このメカニズムが高エネルギー消費の計算プロセスに依存せずに取引の安全性とブロックチェーンの安定した運用をどのように確保するかを明らかにします。
PoSとは何か？
Proof of Stake（PoS、権益証明）は、ブロックチェーンのためのコンセンサスメカニズムであり、暗号通貨をステーキングすることでバリデーターを選択します。これらのバリデーターは取引を確認し、新しいブロックを作成する責任があります。
専門金融サイトNerdwalletは、PoSは従来のProof of Work（PoW、作業証明）と比較して、大量のエネルギーを消費せずに複雑な数学的計算を行う必要がないため、ユーザーが保有するトークンの数量に基づいて投票を行うことを指摘しています。これにより、より環境に優しく、エネルギー効率が良いとされています。
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PoSコンセンサスメカニズムはどのように機能するのか？
PoSシステムでは、参加者は保有している暗号通貨をネットワークにロックすることができ、このプロセスは「ステーキング」と呼ばれます。
ステーキング者は候補のブロックバリデーターとなり、選ばれた場合には新しい取引を処理し、その合法性を検証する責任を持ち、これによりネットワークの報酬を得る機会も得ます。このメカニズムは、参加の技術的ハードルを下げ、高エネルギー消費のハードウェアへの依存を減少させるため、PoWシステムに比べて持続可能性が高いです。
図源：(暗号都市) PoSコンセンサスメカニズムの動作の概略図
スイスの世界経済フォーラムの報告によれば、PoSには完全にリスクや欠点がないわけではありません。PoSのバリデーター選択は保有しているトークンの数量に基づいているため、より大規模なトークン保有者が過剰な影響力を持つ可能性があります。また、ステーキングプロセス中に技術的なエラーやネットワーク攻撃が発生した場合、ステーキング者は損失を被る可能性があり、これが参加リスクを増加させます。
全体的に見て、PoSは低エネルギー消費で参加のハードルが低いブロックチェーンソリューションを提供しますが、同時に集中化とセキュリティリスクなどの課題にも直面しています。
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PoSとPoWの違いは何か
PoWはマイナーが複雑な数学的問題を解くことで取引を検証し、新しいブロックを生成します。このプロセスには大量の計算能力が必要であり、特にビットコインのような大規模なネットワークでは高いエネルギー消費を引き起こします。
図源：(暗号都市) PoSとPoWの違い
PoWに対して、PoSノードはステークされた暗号通貨の量に基づいてバリデーターを選択し、バリデーターはトークンをステーキングして検証に参加し、報酬を得ます。この方法はエネルギー需要を大幅に削減します。例えば、イーサリアムがPoSに移行した後、エネルギー消費は99.95%減少しました。
(暗号都市)はPoWとPoSコンセンサスメカニズムの特性についてより詳細な比較を行い、以下の表に整理しました。
特性
Proof of Work (PoW)
Proof of Stake (PoS)
検証メカニズムはマイナーが複雑な数学的問題を解くことで取引を検証し、ステークトークンのバリデーターがランダムに選ばれて取引を確認します。エネルギー消費は高く、大量の計算能力と電力が必要であり、低く、計算能力の要求を大幅に削減します。報酬メカニズムはマイナーがマイニング競争を通じてブロック報酬を得ることができ、バリデーターはステークトークンを通じてブロックを確認し、取引手数料を獲得します。分散化には集中化リスクがあり、大規模なマイニングプールが大量の計算能力を制御できます。理論的にはより分散化されていますが、トークンを多く持つユーザーがより大きな影響力を持ちます。セキュリティは50%以上の計算能力を制御する必要があり、51%攻撃を発動するには経済的インセンティブが必要で、攻撃者はステークトークンを失う可能性があり、攻撃の動機が低下します。参入のハードルは強力な計算能力とハードウェア設備が必要で、ステークトークンを持っていればバリデーターになれるため、相対的にハードルは低いです。
図源：(暗号都市) PoSとPoWコンセンサスメカニズムの特性比較
セキュリティの観点での違いに注目すべきです。PoWのセキュリティは計算能力に依存し、攻撃者が50%以上の計算能力を制御することを防ぎます。一方、PoSはトークンをステーキングすることで経済的インセンティブと罰則メカニズムを確保し、攻撃者が悪意のある操作を行った場合、彼らはステークしたトークンを失います。
理論的にはPoSが分散化を促進することができる一方で、大規模なトークン保有者が依然として大きな権力を握る可能性があり、権力の過度な集中を避ける方法が依然として課題です。
PoSはどのように51%攻撃を減少させるのか
PoWシステムでは、攻撃者が50%以上の計算能力を制御できれば、いわゆる「51%攻撃」を発動し、ブロックチェーンの記録を操作し、暗号通貨を二重に支出することができます。
しかし、PoSにおいてはこの攻撃のコストは非常に高いです。NerdWalletは、PoSメカニズムの攻撃者は大部分のステークトークンを制御するために大量のトークンを保有する必要があると説明しています。そして、攻撃が失敗した場合、彼らはステークトークンの喪失に直面することになります。つまり、PoSは経済的構造設計を通じて攻撃のコストを大幅に引き上げるのです。
さらに、イーサリアムなどのPoSに基づくブロックチェーンは、ネットワークのスケーラビリティと安全性を向上させるためにシャーディング技術（Sharding）の導入を計画しています。シャーディング技術は、ブロックチェーンネットワークを複数の小さな部分（「シャード」と呼ばれる）に分割し、各シャードは独自のバリデーターを持ちます。このアプローチにより、攻撃者がネットワーク全体を制御しようとしても、同時に複数のシャードを攻撃する必要があり、攻撃の難易度とコストが大幅に増加します。
PoSブロックチェーンメカニズムを使用している主要な暗号通貨は何ですか？
現在、複数の主要なブロックチェーンがProof of Stake (PoS)コンセンサスメカニズムを採用しており、これらの暗号通貨はPoWに比べてエネルギー効率が高く、分散化の可能性があるためPoSを選択しています。
以下は、PoSを採用している主要な暗号通貨のいくつかです：
イーサリアム（Ethereum, $ETH）
イーサリアムは、PoSを採用している最も有名な暗号通貨の一つです。2022年の「マージ（The Merge）」アップグレード以降、イーサリアムは正式にPoWからPoSに移行し、そのエネルギー消費を著しく削減しました。
カルダノ（Cardano, $ADA）
カルダノは、科学研究と学術研究に基づくブロックチェーンプラットフォームで、最初からPoSメカニズムを採用し、その設計はスケーラビリティ、安全性、エネルギー効率を重視しています。
ポルカドット（Polkadot, $DOT）
ポルカドットは異なるブロックチェーンを接続し、データとリソースのクロスチェーン転送を実現するために設計されたクロスチェーンプロトコルです。取引を検証し、ネットワークの安全性を確保するためにPoSメカニズムを使用しています。
テゾス（Tezos, $XTZ）
PoSメカニズムを利用してネットワークガバナンスとコンセンサス決定を促進し、トークン保有者が検証に参加し報酬を得ることを許可します。
アルゴランド（$ALGO）
アルゴランドは速度と分散化に焦点を当てたブロックチェーンで、純粋なPoSメカニズムを採用し、ネットワークの分散化を保証し、バリデーターが迅速に取引を処理できるようにしています。
PoSコンセンサスメカニズムには欠点がありますか？無視できない3つのPoSの潜在的リスク
PoSコンセンサスはエネルギー効率や分散化などの点で多くの利点を持っていますが、同時にいくつかの潜在的な欠点や課題もあります。(暗号都市)はPoSメカニズムの3つの主要な欠点を整理しました。
権力集中リスク
51%攻撃の経済的リスク
長期トークンロック
PoSシステムのバリデーターは、保有しているトークンの量に基づいて決定され、より多くのトークンを持つユーザーはバリデーターになる可能性が高く、より多くのブロック報酬を得ることができます。これにより、富がますます富を生む状況が生じる可能性があり、大量のトークンを保有する参加者がより多くの利益を得て、彼らの影響力をさらに強化し、ネットワークの分散化を弱めることになります。
スイスの世界経済フォーラムは、PoSがより広範な参加を促進するメカニズムと見なされているにもかかわらず、現実にはステーキングの経済的要件により、多くの一般ユーザーが独立してバリデーターになることが難しく、これが専門機関や大規模なステーキングプールの台頭を招いていると指摘しています。
一方、PoSはステークトークンの経済的罰則メカニズムにより、51%攻撃の可能性を効果的に減少させることができます。しかし、攻撃者が十分な資本を持って50%以上のステークトークンを制御している場合、彼らはネットワークを操作することができます。このような攻撃のコストは非常に高いですが、トークンの分布が不均等な場合には依然として可能です。
最後に、PoSシステム内のトークンはステーキング期間中にロックされ、自由に転送または使用できなくなります。ネットワークに重大な変動や価格の変動が発生した場合、バリデーターは資産をタイムリーに売却または移転できない可能性があり、これが参加者のリスクを増加させ、投資家の柔軟性に影響を与えることになります。
