ブロックチェーンコアアルゴリズムのコンセンサスメカニズム

コンセンサス メカニズムは、ブロックチェーン システムで新しいブロックを生成する責任者を決定する役割を果たします。

1. コンセンサスとは何ですか?

コンセンサスの概念を理解する前に、単純で大まかな仮定を立ててみましょう。私たちの村には 100 人の人々がいて、これから村長を誰にするか投票します。100 人全員が投票するために出席した場合、参加率は 100% です。この 100 人が 10 人の代表者を投票に選出した場合、参加率はわずか 10% です。これら 2 種類の投票のうち、どちらが世論をよりよく反映するでしょうか?参加率が高いため、間違いなく前者です。対照的に、後者は投票する代表者を 10 名選出しましたが、参加率は低く、偏った一般化につながることは間違いありません。この仮定により、エンゲージメントが何であるかを大まかに理解することができます。

合意はすべての取引の基礎です。合意が分散化されるほど（参加率が高くなるほど）、効率は低くなりますが、満足度が高くなり、したがって安定します。逆に、合意が集中化されるほど（参加率が低くなるほど）、効率は高くなりますが、独裁や腐敗が発生する可能性が高くなります。

ブロックチェーン技術の素晴らしさは、分散化と信頼性のなさ（信用コストの削減）にあります。まったく馴染みのないネットワーク環境で、コードを通じて取引を照合するにはどうすればよいでしょうか。言い換えれば、これらのコードには、買い手と売り手がお互いに信頼し合うためのどのような魔法の力があるのでしょうか?

答えはコンセンサスメカニズムです。

コンセンサスメカニズム

ブロックチェーン システムの核となるのは、システム内のノード間での簿記の競争です。この競争プロセスはコンセンサス メカニズムと呼ばれます。ブロックチェーンの最下層は、過去と将来のトランザクション データを保存するために使用される分散データベース、トランザクションの両当事者の ID を確認するために使用される暗号化公開鍵および秘密鍵システム、さまざまなメッセージ (ノード参加メッセージ、ノード障害メッセージ、マイニング データ取得メッセージなど) をブロードキャストおよび配布するために使用される P2P ネットワーク、およびノー​​ドの簿記権を決定するために使用されるコンセンサス メカニズムの 4 つの部分で構成されています。

コンセンサス メカニズムは、ブロックチェーンの中心的な役割を果たします。コンセンサス メカニズムは、アカウントを保持する権利を持つ人、およびアカウントを保持する権利の選択プロセスと理由を決定します。仮想通貨によって使用するコンセンサス メカニズムは異なります。一般的なコンセンサス メカニズムには、POW、POS、DPOS ビザンチン フォールト トレランスなどがあります。要約すると次のようになります。

現在、ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムは、PoW（プルーフ・オブ・ワーク）、PoS（プルーフ・オブ・ステーク）、DPoS（委任型プルーフ・オブ・ステーク）、分散型コンセンサスアルゴリズムに大別できます。

1. プルーフ・オブ・ワーク

POW (Proof of Work) は、作業証明のメカニズムです。システム全体の各ノードは、システム全体にコンピューティングパワー（略してコンピューティングパワー）を提供します。競争メカニズムを通じて、最も優れたコンピューティング作業を完了したノードは、システム報酬、つまり新しく生成された通貨の分配を受け取ります。ブロックチェーンは、継続的に成長するブロックのシーケンスで構成されています。各ブロックには、ヘッダー ファイルと一連のトランザクション情報 TXi が含まれています。ヘッダー ファイルは、タイムスタンプ Ti、前のブロックのインデックス Hi-1、およびノンス Ni-1 を保護します。ブロックチェーンは暗号的に安全です。各ラウンドでは、対応する HASG 衝突が見つかる限り、成功と見なされます。HASG 衝突の意味は、ハッシュ値の最初の数ビットが同じであるということです。同じハッシュを持つ 2 つのファイルを見つけるのがいかに難しいかはわかっていますが、同じである最初の数ビットを見つけることはできます。完全なマイニング プロセスを次のように構成します。

このうち、Di は難易度係数であり、最初の数桁の衝突と考えることができます。採掘のプロセスは、Ni を絶えず見つけようとするプロセスです。以下に、シミュレーションによるマイニングの例を示します。テスト環境の説明:

次のスクリプトを実行します。

結果を並べ替えて、衝突に成功した最初の 9 つの n の値を見つけます。

実験結果は次のとおりです。

あくまでシミュレーション実験ですが、POW の動作原理を完全に反映しています。

2. プルーフ・オブ・ステーク（PoS）

POS (Proof of Stake) は株式の証明です。名前が示すように、保有株式に直接基づくコンセンサス メカニズムを指します。その目的は、チェーン上のいわゆる「株主」が POW のマイナーを置き換えることを可能にすることです。本質的なコンセンサス プロセスは、「マイニング」プロセスを「株主」に置き換えることです。

PoW メカニズムでは、要件を満たす nonce を見つけるのに多くの電力と時間がかかることがよくあります。そのため、各ブロックをより速く生成するために、PoS メカニズムでは徹底的な nonce プロセスを削除し、次の高速アルゴリズムを採用しています。

SHA256(SHA256(Bprev),A,t)≤バランス(A)m

Hはハッシュ関数である

tはUTCタイムスタンプです

Bprevは前のブロックを参照します

残高(A)は口座Aの残高を表す

継続的に調整できる唯一のパラメータはtです。式の右側のmは固定された実数です。したがって、バランス（A）が大きいほど、妥当なtが見つかる可能性が高くなります。ネットワークでは、tの範囲に一般的に制限があります。たとえば、試行できるタイムスタンプは、標準のタイムスタンプから1時間を超えることはできません。つまり、ノードは条件を満たすtを見つけるために7200回試行できます。見つからない場合は、諦めることができます。したがって、PoS では、アカウントの残高が多いほど、同じ計算能力で次のブロックを発見しやすくなります。

しかし、POW メカニズムと同じ方法で問題を解決するという考えは、POW と同じ欠点につながり、コンセンサスの一部が犠牲になり (フォークも発生)、複数の確認を待つ必要があります。

利点: ノードのパフォーマンス要件が低く、コンセンサスに達するまでの時間が短い (ネットワーク環境が良好な場合は数ミリ秒で達成可能)。

デメリット: 最終的な一貫性がない

PoW と PoS プロセスの比較表:

（III）：株式譲渡証明書（DPos）：

これはPOSから派生したより専門的なソリューションです。株式権限証明は取締役会の投票に似ています。ブロックチェーンシステムの世界に10万人がいるとします。今、この10万人は、会計権を行使する代表として4人の株主を選ぶために投票します。この4人の取締役はA、B、C、Dです。簿記プロセス中、各取締役は2秒間で会計を整理します。指定された時間内に簿記に失敗した場合、権限は次の取締役に直接引き継がれます。このようにして、もともと10万人が参加していた簿記競争のゲームは、今では4人になりました。

これの利点は、検証と記帳に携わる人数が大幅に減り、数秒で合意に達することができることです。欠点は、固定数の取締役が記帳候補者として使用されることです。これは、分散化の概念に反しています。取締役の数が少なすぎて、参加が低すぎて、代表性が欠如しています。

最も一般的に使用されているこれら 3 つのコンセンサス アルゴリズムを比較すると、それぞれに長所と短所があることが簡単にわかります。これらのアルゴリズムの誕生は、より公平に、公正に、透過的に、軽量に (リソースをあまり消費せずに)、効率的に (より速く) コンセンサスに達し、アカウントを保持する人 (ノード) を選択するという 1 つの核心を中心に展開されています。

PoS と DPoS の比較表:

結論は：

PoW は、ノードがブロードキャストする前にまず自分の資格を証明するという、単純で粗雑だが極めて効果的な方法を採用しており、ネットワーク間の通信負荷を大幅に軽減します。ただし、自己認証によって消費されるコンピューティング リソースが非常に高くなるという問題があります。

PoS は、従来の分散一貫性検証に似たメカニズムを使用し、トークンの数 (またはストレージ容量などの指標) を重み付けの基準として使用し、分散アルゴリズムを使用して各チェックポイント ノードを選択します。このメカニズムの利点は、コンピューティング リソースを消費する自己認証プロセスがないことですが、多数のノードを持つネットワークでは、各選挙によってネットワークに大きな負荷がかかるという問題があります。

DPoS は PoS のバリエーションです。選出されたノードの数を減らして、ネットワークの負荷を軽減します。これは典型的な分割統治戦略です。すべてのノードがリーダーとフォロワーに分割され、リーダー間で合意に達した後にのみフォロワーに通知されます。このメカニズムは、コンピューティング リソースを増やすことなくネットワーク負荷を効果的に軽減し、優れたソフトウェア実装において強力なアプリケーション価値をもたらします。

ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムの本質は、分散データベースの一貫性アルゴリズムと多くの類似点を持っています。ビザンチン問題の導入は、アルゴリズムと選出ノードの数に関してネットワーク構造に若干の調整を加えるだけであり、分散システムにおけるコンセンサス選出のメカニズムを根本的に変えるものではありません。