プルーフ・オブ・ワーク vs. プルーフ・オブ・ステーク：暗号通貨コンセンサス入門ガイド

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、ブロックチェーンがコンセンサス（合意）に達するための2つの異なる方法です。コンセンサスとは、どのトランザクションが有効で、どのバージョンの台帳を最新のものとして扱うべきかについて、独立したコンピュータ間で広く合意を得ることを意味します。これらはしばしば「コンセンサスメカニズム」と呼ばれますが、実際には、ブロックチェーンの完全なコンセンサスシステムには、PoWやPoSだけでなく、ネットワークルール、ブロック検証ルール、フォーク選択ルール、インセンティブ、ペナルティなども含まれます。

仮想通貨初心者の方にとって最も分かりやすい出発点は次のとおりです。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）では、参加者は計算作業を行ったことを証明する必要があります。一方、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）では、参加者は貴重な仮想通貨をリスクにさらす必要があります。ビットコインは最もよく知られているPoWネットワークです。イーサリアムは過去にPoWを使用していましたが、2022年にプルーフ・オブ・ステーク（PoS）に移行しました。

PoWとPoSを比較する前に、初心者は何を理解しておくべきでしょうか？

高度な暗号技術を知る必要はありませんが、4つの用語が重要です。

• ブロック：ブロックチェーンに追加された、有効なトランザクションと関連データの束。
• ノード：ネットワークのルールに従い、データを検証するソフトウェア。ノードは必ずしもマイナーやバリデーターになるわけではない。
• コンセンサス：分散した参加者がブロックチェーンの共通の状態に収束していくプロセス。
• フォーク：チェーンの候補となるバージョンが複数存在する、一時的または永続的な状況。

イーサリアムの公式ドキュメントでは、重要な区別がされています。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、それ自体がコンセンサス機構全体ではなく、より広範なコンセンサス機構の構成要素であるとされています。この区別が重要なのは、セキュリティは誰がブロックを提案するかだけでなく、ノードがどのようにブロックを検証するか、競合するチェーン履歴がどのように解決されるか、そして不正行為にどれだけのコストがかかるかにも依存するからです。イーサリアムのコンセンサス機構に関するドキュメントを参照してください。

プルーフオブワークの仕組み

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とは、マイナーが提案されたブロックの有効な暗号学的ハッシュ値を見つけるために競い合うシステムです。ハッシュ値とは、入力データを固定長の数値に変換する数学関数の出力です。ビットコインでは、マイナーはブロックヘッダーデータを繰り返し変更し、その結果得られる数値がプロトコルで定義された目標値以下になるまでハッシュ化を繰り返します。

ビットコインの原著論文では、これはネットワークの難易度要件を満たす結果が得られるまで値を繰り返し試行することだと説明されています。マイナーが有効なプルーフ・オブ・ワークを見つけると、そのブロックは他のノードにブロードキャストされます。これらのノードはマイナーを自動的に信頼するわけではなく、ブロックがビットコインのコンセンサスルールに従っていることを独自に検証します。ビットコインの原著論文ではコア設計が説明されており、ビットコイン開発者ガイドではより技術的な説明が提供されています。

なぜ「仕事」が重要なのか？

この仕組みでは、履歴を改ざんするには多大なコストがかかります。ビットコインの各ブロックには、前のブロックへの参照が含まれています。誰かが古いトランザクションを改ざんしようとすると、そのブロックのハッシュ値が変更され、そのブロックと、その上に構築された後続のブロックのプルーフ・オブ・ワークをやり直し、正直なネットワークに追いつく必要があります。

ビットコインのフルノードは、累積プルーフ・オブ・ワークが最も多い有効なチェーンを優先します。これは単に「最も長いチェーンが勝つ」と言うよりも正確な表現です。チェーンはまずプロトコルのルールに従って有効である必要があり、重要なのはそのチェーンの累積プルーフ・オブ・ワークです。

鉱山労働者には実際に何が必要なのか？

現代のビットコインマイニングでは、通常、 ASIC （特定用途向け集積回路）と呼ばれる専用ハードウェアが使用されます。これらのマシンは、ビットコインのSHA-256ハッシュ計算を効率的に実行できるように設計されています。そのため、マイニングにはハードウェアコスト、電力、冷却、ネットワーク接続、運用管理といった費用がかかります。

初心者は、「ビットコインノードを運用する」ことと「ビットコインをマイニングする」ことを同じことだと誤解してはいけません。通常のフルノードは、競合マイニングを行わなくてもブロックを検証できます。

プルーフ・オブ・ステークの仕組み

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、計算能力による競争を経済的な担保に置き換える仕組みです。バリデーターはハッシュ計算にエネルギーを費やしたことを証明する代わりに、仮想通貨をプロトコルにロックします。このロックされた金額はステークと呼ばれます。

イーサリアムの現在のシステムは、その明確な例です。ソロのイーサリアムバリデーターは、プロトコルにETHを預け入れ、バリデーターソフトウェアを実行します。バリデーターは提案されたブロックをチェックし、アテステーションと呼ばれる投票を送信し、場合によってはブロックを提案する役割を担うこともあります。イーサリアムの公式PoSドキュメントによると、ソロバリデーターには現在32ETHが必要です。詳しくは、イーサリアムのプルーフ・オブ・ステークに関するドキュメントをご覧ください。

ステーキングはなぜセキュリティを提供するのか？

この仕組みの根底にあるのは、バリデーターは失うものに対して価値があるという考え方です。誠実に参加すれば報酬が得られますが、不適切な行動や不適切な行動は報酬の喪失やペナルティにつながる可能性があります。また、特定の重大なプロトコル違反はスラッシングを引き起こし、バリデーターのステークの一部が破壊され、バリデーターはアクティブな参加から除外されます。

イーサリアムでは、同じスロットに対して競合するブロックを提案したり、矛盾するアテステーションを送信したりするなど、スラッシングの対象となる行為が規定されています。これらは通常のダウンタイムとは異なります。スラッシングは特定のプロトコル違反に対してのみ適用されます。詳細については、イーサリアムの報酬とペナルティに関するドキュメントを参照してください。

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークの概要

PoWまたはPoSネットワークを利用する前に、どのような準備をすべきでしょうか？

暗号資産の送受信や保有のみを目的とする一般ユーザーにとって、マイニングやバリデーションを行う必要は通常ありません。主な目的は、利用しているネットワークとその承認動作を理解することです。

資金を送金する前に、資産が実際にどのチェーン上に存在するかを確認してください。同じティッカーシンボルを持つトークンは、異なるコンセンサスシステムと異なる出金アドレスを持つ複数のネットワークに存在する可能性があります。また、取引所やサービスが入金処理に必要な承認回数も確認してください。

コンセンサスに直接参加する場合、要件は大きく異なります。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）への参加には、専用のマイニング機器、適切な電力容量、冷却装置、そして現実的な収益性計算が必要となる場合があります。プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への参加には、最低限のステーク額、バリデーターの安定した稼働時間、安全な鍵管理、そしてスラッシングルールの綿密な理解が必要となる場合があります。

初心者は取引確認についてどのように考えるべきでしょうか？

ブロックチェーン間で確認方法は同一ではない。

ビットコインでは、あなたの取引を含むブロックの上に構築される新しい有効なブロックごとに、その背後にあるプルーフ・オブ・ワークが累積的に増加します。これが、高額送金の場合、複数の承認を待つことが多い理由です。

イーサリアムのプルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、ブロックへの組み込みと、より強力なコンセンサス状態を区別しています。イーサリアムはバリデーター投票とチェックポイントの確定性を採用しています。イーサリアムのドキュメントによると、チェックポイントは、ステーキングされたETH総量の少なくとも3分の2に相当する支持を得た後に確定されます。一度確定されると、それを覆すには攻撃者にとって深刻な経済的損失を被ることになります。

「6回の承認」やその他の固定された回数が普遍的な暗号通貨のルールだと決めつけないでください。各ブロックチェーンは独自の承認およびファイナリティモデルを持っています。

どちらのシステムの方がエネルギー消費量が少ないですか？

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）の特徴である継続的なハッシュ計算を一般的に回避します。イーサリアムは、2022年にPoWからPoSへ移行する理由の一つとして、エネルギー消費量の削減を明確に挙げています。これはPoSが電力を全く使用しないという意味ではありません。バリデーターは依然としてコンピュータ、ネットワーク機器、データインフラストラクチャを稼働させています。重要な違いは、ネットワークのセキュリティが、マイナーによる大規模なハッシュ計算を通じた継続的な競争に基づいているわけではないという点です。

プルーフ・オブ・ワークのエネルギー消費は、偶然の副産物ではなく、チェーンの書き換えを高コストにする仕組みの一部である。このトレードオフが望ましいかどうかは、より広範な設計および政策上の議論となるが、技術的には、これら2つのシステムは異なる希少資源を通じて合意形成を確保している。

どちらの方が安全ですか？

一言で答えられるようなものではありません。それぞれ異なるセキュリティモデルを採用しています。

ビットコイン型のPoWでは、制御はハッシュパワーへのアクセスとそれを維持するために必要なリソースに大きく依存します。一方、イーサリアム型のPoSでは、影響力はステーキングされたETHに依存し、ペナルティやスラッシングは攻撃者が経済的に壊滅的な打撃を受けるように設計されています。

セキュリティは、PoWやPoSといった仕組みだけでなく、クライアントソフトウェア、マイニングやステーキングの分散化、ネットワークトポロジー、プロトコル設計、実装品質、経済的インセンティブ、ノードオペレーターの行動など、様々な要因に左右されます。

初心者にとって重要なのは、「PoSは自動的に安全だ」とか「PoWは自動的に安全だ」といった発言を避けることです。意味のある比較を行うには、具体的なブロックチェーンと、具体的な攻撃または障害シナリオを提示する必要があります。

初心者がよく犯す間違いを避ける

• マイナーやバリデーターは、任意のトランザクションを作成できると考えている。他のノードは、プロトコルのルールと署名を検証する。
• PoWとは、すべてのノードがマイニングを行うことを意味すると仮定します。検証とマイニングは別々の役割です。
• PoSとは単にウォレットにコインを保管することを意味すると仮定します。プロトコルの検証にはバリデーターの参加が必要であり、受動的な保有はそれとは異なります。
• スラッシングは、障害が発生するたびに行われると仮定します。イーサリアムは、通常の非アクティブ状態に対するペナルティと、スラッシングの対象となる特定の違反行為を区別しています。
• すべてのブロックチェーンを、ビットコインの承認モデルを持つものとして扱う。ファイナリティのルールはネットワークによって異なる。
• コンセンサス方式を採用しているという理由だけでネットワークを選択するのは間違いです。手数料、アプリケーションのエコシステム、分散化、スマートコントラクトのリスク、ウォレットのサポート、運用上の信頼性なども重要です。

覚えておくべきシンプルなメンタルモデル

もし比較対象を一つだけ覚えておくとしたら、これを使ってください。

プルーフ・オブ・ワークは、「計算リソースを消費したことを証明できますか？」と問いかけます。

プルーフ・オブ・ステークは、「プロトコルがペナルティを課すことができる経済的価値をあなたがコミットしたことを証明できますか？」と問いかけます。

どちらも、分散システムにおける同じ課題、つまり、互いに完全に信頼していない多数の参加者が、有効なブロックチェーン履歴について合意できるようにするという課題を解決しようとする試みである。両者は、不正行為に異なるコストをかける方法を採用しているだけだ。

次に何を学ぶべきか

PoWとPoSが理解できたら、次に役立つ概念は、競合するチェーンのうちどちらが優先されるかを決定するフォーク選択、ブロックの取り消しが極めて困難または経済的に不可能とみなされるタイミングを説明するファイナリティ、そしてマイナーとバリデーターが無制限の権限を持たない理由を説明するノード検証です。

これら3つの考え方は、ブロックチェーンのセキュリティが「プルーフ・オブ・ワーク」や「プルーフ・オブ・ステーク」といったラベル以上の意味を持つ理由を理解するのに役立ちます。コンセンサス機構とは、独立したノードが承認された単一の台帳を中心に同期を保つための、一連の技術的なルールと経済的なインセンティブのことです。