マイニングとプルーフ・オブ・ステーク

ブロックチェーンは、何千台もの独立したコンピューターが保持する共有の記録です。どのコンピューターも管理者ではありませんが、どのトランザクションがどの順番で起きたのかについて、全員が合意しなければなりません。この合意を可能にするルールの集まりをコンセンサスアルゴリズムと呼びます。最も広く使われているのは、マイニングにもとづくプルーフ・オブ・ワーク（PoW）と、コインをロックするバリデーターにもとづくプルーフ・オブ・ステーク（PoS）の二つです。

なぜコンセンサスが必要なのか

誰でも好きなときにブロックを追加できるとしたらどうなるでしょうか。二人がそれぞれ矛盾する履歴を公開するかもしれませんし、誰かが同じコインを二回使おうとするかもしれません。コンセンサスアルゴリズムは、ブロックの提案にコストがかかるようにし、どのチェーンが正当なのかを判断する明確なルールを全員に与えることで、この問題を解決します。このコストこそが不正を割に合わないものにしています。履歴を書き換えるには、攻撃者は莫大なリソースを費やさなければならないからです。

プルーフ・オブ・ワーク：マイニング

プルーフ・オブ・ワークはビットコインによって導入され、ビットコインは今もこの方式を使っています。

マイニングの仕組み

マイナーは未処理のトランザクションを集めて、ブロックの候補を作ります。それをチェーンに追加するには、ブロックのデータと組み合わせてハッシュ関数にかけたときに、一定の目標値を下回る結果になる数値を見つけなければなりません。近道はなく、そうした数値を見つける唯一の方法は膨大な回数の試行です。専用のハードウェアが、これを毎秒何十億回も繰り返します。

最初に有効な答えを見つけたマイナーが、そのブロックをネットワークに送信します。答えを見つけるのは大変でも、ほかのノードはその答えを一瞬で検証できます。勝ったマイナーは、新たに発行されたコインと取引手数料からなるブロック報酬を受け取ります。

難易度

マイナーが増えれば、ブロックが見つかるペースは速くなってしまいます。それを防ぐため、ネットワークはパズルの難易度を調整します。ビットコインではおよそ2,016ブロックごとに調整が行われ、平均ブロック生成時間が10分前後に保たれます。

PoWの長所と批判

長所：長い運用実績があり、セキュリティモデルが単純で十分に研究されていること。また、偽装しにくい現実世界のリソースにセキュリティが結びついていること。
批判：電力消費が大きいこと。マイニングは機材や電力が安い地域に集中しやすいこと。さらに、大規模なマイニングプールが多くの参加者の作業を束ねていること。

プルーフ・オブ・ステーク：バリデーター

プルーフ・オブ・ステークは、計算能力を経済的なコミットメントに置き換えます。マシンを買って電気代を払う代わりに、参加者はそのネットワーク自身のコインをステークとしてロックします。

検証の仕組み

コインをステークした参加者はバリデーターになります。プロトコルが新しいブロックを提案するバリデーターを選び、ほかのバリデーターがそれを確認して投票します。イーサリアムではこの投票をアテステーション（attestation）と呼びます。選出はランダムですが、ステーク量に応じて重み付けされます。ルールを守るバリデーターは、プロトコルと手数料から報酬を受け取ります。

スラッシング

プルーフ・オブ・ステークの安全性の鍵は、不正行為が罰せられることです。バリデーターが、たとえば矛盾する二つのブロックに署名するなどの不正を試みると、プロトコルはそのステークの一部を没収できます。これをスラッシングと呼びます。単にオフラインになっているだけのバリデーターも、少額を失うことがあります。つまり攻撃者は、ステークされているコイン全体の非常に大きな割合を手に入れる必要があるうえ、それを失うリスクも負うことになります。

代表例としてのイーサリアム

イーサリアムは2015年にプルーフ・オブ・ワークで稼働を始めました。2022年9月には**The Merge（マージ）**と呼ばれるアップグレードで、プルーフ・オブ・ステークに移行しました。単独でバリデーターを運用するには、32 ETHをステークする必要があります。それより少ない資金しかない人や、サーバーを運用したくない人は、ステーキングサービスやプールを利用することが多くあります。ただしその場合は第三者を信頼する必要があり、独自のリスクも加わります。

PoSの長所と批判

長所：エネルギー消費がはるかに少ないこと。専用のハードウェアが不要なこと。ペナルティが攻撃者の資金を直接狙い撃ちにすること。
批判：コインを多く持つ人ほど影響力が大きいこと。大手のステーキング事業者に支配力が集中するおそれがあること。設計がプルーフ・オブ・ワークより複雑で、歴史も浅いこと。

二つの方式の比較

費やすリソース：PoWは電力とハードウェア、PoSはロックされたコイン
ブロックを作る人：PoWはマイナー、PoSはバリデーター
ペナルティ：PoWでは競争に負けたマイナーのエネルギーが無駄になる、PoSではステークがスラッシングされる
代表例：PoWはビットコイン、PoSはイーサリアム

報酬についての注意

マイニングにもステーキングにも報酬がありますが、どちらも利益を保証するものではありません。マイニングの収入は、ハードウェア、電気代、競争の状況によって変わります。ステーキング報酬はネットワークの状況によって変動し、ステークしたコインの価値が下がったり、スラッシングされたりすることもあります。また、第三者を通じてステーキングする場合は、そのサービスに資産を預けて信頼することになります。

まとめ

コンセンサスアルゴリズムによって、独立したコンピューター同士が一つの共有された履歴に合意できます。
プルーフ・オブ・ワークは計算能力でチェーンを守ります。ビットコインが採用しています。
プルーフ・オブ・ステークはロックされたコインとペナルティでチェーンを守ります。イーサリアムは2022年のThe Merge以降、この方式を使っています。
どちらの方式にも、エネルギー、分散性、複雑さの面でそれぞれトレードオフがあります。