キーポイント
Proof of Work (PoW) は、デジタル決済システムでの二重支出を防ぐために作成されたコンセンサス メカニズムです。
PoW はマイニング プロセスの基本的な部分であり、ブロックチェーンにトランザクションの新しいブロックを追加し、暗号通貨の新しいユニットを作成することが含まれます。
ビットコインやその他のいくつかの暗号通貨は、ブロックチェーン ネットワークとそのデータを保護する方法として PoW を使用しています。
導入
要約すると、Proof of Work (PoW) は、デジタル決済システムでの二重支出を防ぐために作成されたメカニズムです。ビットコインやその他のいくつかの暗号通貨は、ブロックチェーン ネットワークとそのデータを保護する方法として PoW を使用しています。これらのメカニズムは、複数の当事者が相互に信頼する必要なしに合意に達することが含まれるため、コンセンサス アルゴリズムまたはコンセンサス メカニズムと呼ばれることがよくあります。
Proof of Work は、最初に登場したコンセンサス アルゴリズムであり、今でも Proof of Stake (PoS) と並んで最も重要なものの 1 つです。 PoW は 2008 年のビットコイン ホワイトペーパーでサトシ ナカモトによって紹介されましたが、テクノロジー自体はそれよりずっと前に考案されていました。
Adam Back の HashCash は、暗号通貨の出現前の Proof of Work アルゴリズムの最初の例の 1 つです。電子メールを送信する前に送信者に簡単な計算を実行させることで、受信者はスパムの影響を軽減することができました。この計算は、正当な送信者にとってはほとんどコストがかかりませんが、大量の電子メールを送信する送信者にとってはコストはすぐに高くなります。
二重支出とは何ですか?
同じ資金が複数回使用されると、二重支出が発生します。この用語は、ほぼデジタル通貨の文脈でのみ使用されます。結局のところ、同じ物理的なお金を 2 回使うのは難しいからです。
今日、コーヒーの代金を支払うとき、おそらくレジにお金を保管している人にお金を渡します。通りの向かいにあるコーヒーショップに行って、同じ評価の別のコーヒーにお金を払うことはできません。ただし、電子マネー システムではこれが可能になる可能性があります。
おそらく、コピー アンド ペースト コマンドを使用してコンピュータ ファイルを複製したことがあるでしょう。同じファイルを数十人に電子メールで送信することも簡単です。電子マネーは単なるデータにすぎないため、人々が二重に使用すること、つまり同じ単位をコピーして別の場所で使用することを防ぐ必要があります。二重支出を防ぐことができないデジタル決済システムは、すぐに崩壊するでしょう。
二重支出についてさらに詳しく知りたい場合は、二重支出ガイドの記事をご覧ください。
なぜ作業証明が必要なのでしょうか?
ブロックチェーン技術に関する記事を読んだ方は、仮想通貨ユーザーがトランザクションを絶えずネットワークにブロードキャストしていることをご存知でしょう。ただし、これらのトランザクションはすぐには有効とはみなされません。これは、トランザクションが確認されてブロックチェーンに追加された場合にのみ発生します。
たとえば、ビットコインのブロックチェーンは、すべてのユーザーが閲覧できる公開トランザクション データベース (元帳/元帳) として機能します。次のシナリオを想像してください。あなたと 3 人の友人が、ビットコイン トランザクションを追跡するためのノートブックを持っています。どちらかが価値を移転したいときは、次のことを書き留めます。
アリスはボブに 5 BTC を支払いました。ボブはキャロルに 2 BTC などを支払いました。
しかし、取引を行うたびに、資金の出所となる取引を参照することになります。したがって、ボブがキャロルに 2 BTC で支払った場合、入力は次のようになります。
ボブは、アリスとの前回の取引から得られた金額である 2 BTC をキャロルに支払いました。
BTC単位を追跡する方法ができました。ボブがキャロルに送信したのと同じ 2 BTC を使用して別のトランザクションを実行しようとすると、誰もがすぐに知ることになります。これらの 2 BTC はすでに使用されているため、グループはトランザクションをノートブックに追加することを許可しません。
これは少人数のグループでうまく機能します。誰もがお互いを知っているため、どの友人がトランザクションをノートブックに追加できるかについて合意に達する可能性があります。しかし、10,000 人の参加者のグループが必要な場合はどうなるでしょうか?見知らぬ人に取引記録の管理を任せたくない人はいないので、メモ帳のアイデアは適切ではありません。
ここで Proof of Work が登場します。これにより、ユーザーは使う権利のないお金を使わないようになります。ゲーム理論と暗号学の組み合わせを使用することで、PoW アルゴリズムを使用すると、誰でもシステムのルールに従ってブロックチェーンを更新できます。
PoWはどのように機能しますか?
上の例のノートブックはブロックチェーンですが、トランザクションを 1 つずつ追加するのではなく、トランザクションをブロックにグループ化すると想像してください。私たちはトランザクションをネットワークに報告し、ブロックを作成するユーザーは候補ブロックにトランザクションを含めます。トランザクションは、候補ブロックが確認済みブロックになった場合にのみ有効とみなされます。これは、トランザクションがブロックチェーン データベースに追加されたことを意味します。
トランザクションを検証し、新しいブロックを追加するプロセスはマイニングと呼ばれます。マイニングは費用がかかり、困難ですが、やりがいも得られます。ブロック報酬は、ユーザーの取引手数料とプロトコルによって作成された新しいビットコインから得られます。
Proof of Work メカニズムでは、マイナー (ブロックを作成するユーザー) は、パズルの解決策が見つかるまで候補ブロックのデータ ハッシュを処理するために電力や計算能力などのリソースを投資する必要があります。
ブロック データのハッシュとは、ハッシュ関数を実行してブロックの ID (ハッシュ) を生成することを意味します。これは入力データの「フィンガープリント」のように機能し、各ブロックに固有です。
言い換えれば、マイナーは保留中のトランザクションを検証して収集し、それらを候補ブロックに編成し、ブロック データをハッシュ関数に渡して有効なハッシュを作成する必要があります。候補ブロックの有効なハッシュを見つけることができた場合、それをネットワークにブロードキャストし、ブロックをブロックチェーンに追加して、マイニング報酬を収集します。
マイナーが候補ブロックとハッシュをネットワークに送信すると、他のネットワーク参加者はハッシュ プロセスを繰り返し、出力が実際に有効であることを確認します。
有効なハッシュを見つけるには何度もハッシュを試行する必要がありますが、生成されたハッシュが正しいことを確認するのは簡単です。同じ入力 (ブロック データ) をハッシュ関数を通じて送信し、出力が同じかどうかを確認するだけです。
Proof of Work では、ハッシュが特定の条件を満たすデータを提供する必要がありますが、その方法がわかりません。唯一のオプションは、ハッシュ関数を通じてデータを送信し、条件を満たしているかどうかを確認することです。それ以外の場合は、データを少し変更して別のハッシュを取得する必要があります。データ内の 1 文字を変更すると、まったく異なる結果になるため、結果を予測する方法はありません。
したがって、ブロックを作成したい場合は、推測ゲームをプレイすることになります。通常は、追加するすべてのトランザクションに関する情報とその他の重要なデータを取得し、それをすべてまとめます。ただし、データセットは変更されないため、可変の情報を追加する必要があります。そうしないと、結果として常に同じハッシュが得られます。この変数データは nonce と呼ばれるものです。これは試行するたびに変更される数値なので、毎回異なるハッシュが得られます。
つまり、マイニングとは、ブロックチェーンからデータを収集し、結果として特定のハッシュが見つかるまで、ノンスを使用してハッシュするプロセスです。プロトコルによって設定された条件を満たすハッシュが見つかった場合、新しいブロックをネットワークにブロードキャストする権利があります。これが完了すると、ネットワーク内の他の参加者は、作成された新しいブロックを含めるようにブロックチェーンを更新します。
今日のトップ仮想通貨にとって、条件を満たすのは非常に困難です。ネットワーク上のハッシュ レートが高くなるほど、有効なハッシュを見つけるのが難しくなります。これは、ブロックがすぐに見つからないようにするために行われます。
ご想像のとおり、大量のハッシュを推測しようとすると、コンピューターに負荷がかかる可能性があります。計算サイクルと電力を無駄にしていますが、有効なハッシュが見つかった場合、プロトコルは暗号通貨で報酬を与えます。
これまで見てきたことを要約してみましょう。
マイニングは難しくコストがかかりますが、ネットワークのセキュリティを提供します。
有効なブロックを生成することに成功したマイナーには、新たに発行された暗号通貨と取引手数料が与えられます。
有効なハッシュの生成には時間がかかりますが、他のユーザーはハッシュ プロセスを繰り返すことでその有効性を簡単に検証できます。
ここまでは順調ですね。しかし、誰かが不正行為をしようとした場合はどうなるでしょうか?ユーザーが偽のトランザクションをブロックに挿入して有効なハッシュを生成することを妨げるものは何でしょうか?
そこで登場するのが公開鍵暗号です。この記事では詳しく説明しませんが、「公開キー暗号化とは何ですか?」を確認してください。包括的な分析のために。一言で言えば、どんなユーザーでも、使おうとしている資金を移動する権利があるかどうかを確認できる暗号トリックがいくつかあります。
トランザクションを作成するときは、トランザクションに署名します。ネットワーク上の誰もがあなたの署名と公開鍵を比較し、それらが一致するかどうかを確認できます。また、実際に資金を使えるかどうか、また、流入額の合計が流出額の合計より大きいかどうか（つまり、資金を超えて支出していないか）もチェックされます。
無効なトランザクションを含むブロックはネットワークによって自動的に拒否されます。不正行為をしようとすると費用がかかります。報酬も得られずにリソースを無駄にしてしまいます。
そこに Proof of Work の利点があります。不正行為には費用がかかりますが、正直に行動する人にとっては利益が得られます。合理的なマイナーは投資からの利益を追求するため、収益をもたらす可能性がより高い方法で行動することが期待されます。
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）
PoW 以外にもいくつかのコンセンサス アルゴリズムがあり、最も人気のあるアルゴリズムの 1 つは Proof of Stake (PoS) です。この概念は 2011 年に生まれ、イーサリアムや他のいくつかのプロトコルに実装されました。
Proof of Stake システムでは、マイナーはバリデーターに置き換えられます。マイニングは含まれておらず、ハッシュを推測するためのレースもありません。代わりに、ユーザーはランダムに選択されます。選択された場合、ブロックを提案 (または「偽造」) する必要があります。ブロックが有効な場合、全員がブロックの取引手数料からなる報酬を受け取ります。
どのユーザーでも選択できるわけではありません。プロトコルはいくつかの要素に基づいてユーザーを選択します。参加資格を得るには、参加者はブロックチェーンのネイティブ通貨の所定量であるステークをロックする必要があります。ステーキングは保釈金と同様に機能します。バリデーターが不正行為を阻止するためにステーキングをブロックするのと同様に、多額の金銭は被告の裁判回避を思いとどまらせることを目的としています。彼らが不正行為をした場合、賭け金（またはその一部）が取られます。
Proof of Stake には、Proof of Work に比べていくつかの利点があります。最も注目すべき点は、二酸化炭素排出量が少ないことです。PoS では高出力のマイニング ファームが必要ないため、消費される電力は PoW で消費される電力のほんの一部にすぎません。
とはいえ、PoS には PoW ほどの実績はありません。無駄だと思われるかもしれませんが、マイニングは 10 年以上にわたってテストされてきた唯一のコンセンサス アルゴリズムです。開始以来、Bitcoin PoW は数兆ドルの取引を確保してきました。 PoS が同じレベルのセキュリティを達成できると確信を持って言うには、ステーキングを長期にわたって適切にテストする必要があります。
最終的な考慮事項
Proof of Work は二重支出問題に対する独自の解決策であり、信頼性と安全性が証明されています。ビットコインは、同じ資金が二度使われることを防ぐために中央集権的な組織が必要ないことを証明しました。暗号化、ハッシュ関数、ゲーム理論を巧みに使用することで、分散環境の参加者は金融データベースの状態について合意することができます。
参考文献
暗号通貨マイニングとは何ですか?またその仕組みは何ですか?
公開鍵暗号とは何ですか?
ブロックチェーンコンセンサスアルゴリズムとは何ですか?
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