ブロックチェーンにおける主流のコンセンサスアルゴリズムの簡単な分析

プルーフ・オブ・ワーク

最も一般的なブロックチェーンのコンセンサス アルゴリズムは、ビットコインのプルーフ オブ ワーク メカニズムです。このメカニズムには、2 つの主な機能があります。1 つは、ブロックチェーンの次のブロックが唯一の正しいブロックであることを保証すること、もう 1 つは、強力な敵がブロックチェーン システムに干渉してブロックチェーンのフォークを引き起こすのを防ぐことです。

プルーフ オブ ワークでは、マイナーは暗号パズルを解いて次のブロックを追加し、ブロックチェーンを拡張するために競います。図 1 は、ビットコインのプルーフ オブ ワークを簡略化した図です。マイニングに参加するマイナーは、前のブロックのハッシュとランダムなビット文字列を組み合わせてハッシュ値を計算することを競います。出力ハッシュ値が最初の数ビットが 0 を満たす場合、パズルは解かれます。パズルを最初に解いた人はブロックを拡張するチャンスを得て、その作業に対して一定量の新しく採掘されたビットコインと少額の取引手数料が報酬として与えられます。

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ビットコインのプルーフ・オブ・ワークのメカニズムは優れたコンセンサス設計ですが、完璧ではありません。プルーフ・オブ・ワークに対する最も一般的な批判は 2 つあります。1 つ目は、膨大な計算能力を消費するため、大規模システムには適さず、トランザクションの確認に 10 ～ 16 分かかるため、リアルタイムの要件を満たすことができないことです。2 つ目は、マイニング活動のほとんどが電気料金の安い地域に集中しているため、地域集中化の傾向が見られることです。

図1 ビットコインシステムにおけるプルーフ・オブ・ワークの概略図

ビットコインの創始者であるサトシ・ナカモトは、ブロックチェーンが将来の世界を変える大きな可能性を人々に認識させましたが、具体的なアプリケーションに関しては、より高速で、より分散化され、よりリソース効率の高いコンセンサスアルゴリズムのさらなる研究がまだ必要です。この目的のために、インターネット、コンピューターサイエンス、金融、産業などの分野の多くの学者や業界の専門家が継続的に調査を行い、いくつかの代替ブロックチェーンコンセンサススキームを提案してきましたが、その中で最も影響力があるのはProof of Stakeコンセンサスアルゴリズムです。

ステーク証明

プルーフ・オブ・ステーク合意は、プルーフ・オブ・ワークに代わる最も完全で最も人気のある合意メカニズムです。その合意は、参加者がマイニング競争に参加するために高価なコンピューター機器を投資することなく達成されます。ビットコインに代表されるプルーフ・オブ・ワーク合意システムのマイナーと比べると、プルーフ・オブ・ステーク合意に基づくブロックチェーンシステムでは、参加者の役割はバリデーターです。参加者はシステムのトークンに投資し、特定の時間内に自分が次のブロックの作成者であるかどうかを検証するだけで、次のブロックの作成が完了します。図 2 は、プルーフ・オブ・ステークの簡略化された概略図です。次のブロック作成者は特定の方法で選択され、選択されたバリデーターは適切なトランザクションをブロックにパッケージ化し、ブロックチェーンに公開します。バリデータが次のブロックの作成者として選ばれる確率は、バリデータがシステム内で所有するトークンの数に比例します。簡単に言えば、300 トークンを持つバリデータが次のブロックの作成者として選ばれる確率は、100 トークンを持つバリデータの 3 倍です。

プルーフ・オブ・ステークではブロックの作成にコンピューティングリソースなどの高額なコストは必要ないため、ブロック作成者はブロック報酬を受け取ることはできませんが、一定額のトランザクションパッケージング手数料を受け取ることができます。プルーフ・オブ・ステーク合意を使用してブロックを生成し、ブロックチェーンを拡張する方法は、ビットコインのプルーフ・オブ・ワークを使用した合意よりも数千倍効率的であり、リソースを大幅に節約します。

図2. プルーフ・オブ・ステーク合意の簡単な図

プルーフ・オブ・ステークのコンセンサスでは、バリデーターがブロックを作成すると、そのブロックもブロックチェーンに送信する必要があります。異なるプルーフオブステークシステムは、送信プロセスを異なる方法で処理します。

典型的な例は Tendermint です。Tendermint では、大多数のノードがブロックの検証とチェーンへの記録について合意に達するまで、システム内のすべてのノードがすべてのブロックに署名する必要があります (このプロセスでの役割は「署名者」と呼ばれます)。他のシステムでは、署名するノードのグループをランダムに選択することで合意に達することができます。

プルーフ・オブ・ステークには、高効率とリソースの節約という利点がありますが、いくつかの潜在的な現実的なリスクにも直面しています。業界の研究者は通常、これを「何も賭けていない問題」と表現します。これは、ブロック作成者とブロック検証者がそれぞれのタスクを完了するために投資するコストが非常に低いため、システムプロトコルに違反して悪事を働いた場合の損失も小さいことを意味します。合理的な人々の利己主義を前提とすると、ブロック作成者が同時に 2 つのブロックを作成して 2 つの取引手数料を徴収したり、署名者が 2 つのブロックに同時に署名して 2 つの作業報酬を得たりといった、参加者が悪事を働くことは避けられません。これらはすべて、同じ期間に有効なブロックを 1 つだけ生成でき、署名者は不正なブロックに署名できないというシステム プロトコルの仕様に反しています。

「暗号経済学」という新興分​​野では、ブロックチェーンエンジニアがこれらの問題に対処する方法を模索しています。解決策の 1 つは、バリデーターに所有するシステム トークンを一種の仮想金庫にロックすることを義務付けることです。バリデーターが二重署名や複数のブロックの同時生成によってシステムをフォークしようとすると、それらのトークンは全部または一部が削減される可能性があります。同様の改善メカニズムは、プルーフ・オブ・ステークを使用するさまざまなブロックチェーン システムでも提案され、実践されています。

Peercoin はプルーフ・オブ・ステークを実装した最初のコインであり、その後にブラックコインと NXT が続きました。さらに、イーサリアムはもともとプルーフ・オブ・ワークのコンセンサスに依存していましたが、2018年初頭にプルーフ・オブ・ステークに移行する予定で、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークの問題を解決するためにキャスパーを提案しています。 Decred は、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークのハイブリッドなコンセンサス スキームを使用します。

その他のコンセンサスアルゴリズム

ブロックチェーン研究者は、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークに加えて、委任型プルーフ・オブ・ステーク (DPOS)、実用的ビザンチン・フォールト・トレランス (PBFT)、概念実証など、幅広い応用価値を持つコンセンサス・スキームも提案しています。以下は、DPOS と PBFT の簡単な紹介です。

（１）委任型プルーフ・オブ・ステーク（DPOS）

DPOS は、エクイティ コンセンサスの改良版です。コンセンサス プロセスでは、参加ノードの過半数の承認は必要なくなり、一部の代表者に委任されます。これにより、コンセンサスの効率がさらに向上し、システム ノードがオフラインになる問題に適切に対処できます。 Bitshare システムで採用されている DPOS コンセンサスの原則は、Bitshare を保有するすべての人に投票を許可し、互いに完全に平等な権利を持つ 101 人の代表者を生成することです。これらは 101 個のスーパー ノードまたはマイニング プールとして理解できます。

ある観点から見ると、DPOS は議会制度や人民代表大会制度に似ています。代表者が自分の順番が来たときに時間通りにブロックを生成できないなど、職務を遂行できなかった場合、その代表者はリストから削除され、ネットワークは彼らに代わる新しいスーパーノードを選択します。 DPOS コンセンサスを使用するシステムでは通常、より安定したコンセンサスに到達するために経済的な報酬とペナルティのメカニズムが使用されます。

（２）実用的ビザンチンフォールトトレラントコンセンサス（PBFT）

PBFT は、最終的な一貫した出力に到達するために 3 段階の情報相互作用とローカルコンセンサスを必要とする厳密な数学的証明に基づくアルゴリズムです。システム内に 3 分の 2 以上の正常なノードが存在する限り、合意に達するまでの時間は不確実であるものの、最終的に一貫した合意結果を出力できることが保証されることが証明されています。

実用的なビザンチンフォールトトレラントプロトコルの欠点は、ノードのサイズが大きくなるにつれてコンセンサスに達するのに必要な時間が大幅に増加し、効率要件を満たさないため、大規模なノードコンセンサスには適していないことです。多くの関連研究者は、さまざまなアプリケーション シナリオにおける効率性の問題を解決するために、ビザンチン プロトコルの改善を検討しています。

要約する

コンセンサス アルゴリズムのパフォーマンスは、セキュリティ、堅牢性、コンセンサス コスト、効率性など、分散システムのパフォーマンスに直接影響します。セキュリティと堅牢性のバランスを取りながら効率性を向上させる方法は、継続的な議論と研究を必要とする焦点です。現在、ブロックチェーンコンセンサスに関するさまざまな研究も、特定のアプリケーションシナリオに基づいて多面的な改善を行っています。技術的なソリューションを改善するだけでなく、経済的要因と社会的要因を組み合わせて、よりターゲットを絞った、より完全なソリューションを見つけることも必要です。

一般的に、ブロックチェーンのコンセンサススキームに関する研究は、分散システムにおける一貫性の問題に対するより良い解決策を提供します。現在、分散システムにおけるコンセンサス問題をより良く解決できるアルゴリズムがいくつかあります。また、EUROCRYPT、ACM、Cryptology ePrint Archiveなどの高レベルの会議やジャーナルには、上記の問題についてより深く前向きな議論を行っている高品質の記事が掲載されています。しかし、この分野にはまだ解決すべき問題が多く、研究価値と開発の余地は依然として大きいです。

[この記事は51CTOコラムニスト「中国機密協会科学技術支部」によるオリジナル記事です。転載については原著者にお問い合わせください。]

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