Bitcoin
70万9,776円
-3.18%
Ethereum
2万4,268円
-8.55%
Ripple
50円
-18.68%
Bitcoin Cash
4万9,519円
-6.77%
EOS
591円
-8.77%
Stellar Lumens
26円
-11.65%
Litecoin
6,265円
-5.11%
Tether
109円
0.2%
Cardano
8円
-11.11%
Monero
1万2,561円
-6.02%
Dash
2万1,061円
-5.66%
IOTA
60円
-8.24%
TRON
2円
-10.12%
RaiBlocks
1,044円
-0.1%
NEO
1,965円
-6.78%
Ethereum Classic
1,183円
-5.49%
Binance Coin
1,075円
-3.96%
Tezos (Pre-Launch)
162円
-9.72%
NEM
10円
-6.01%
VeChain
1円
-6.92%
Walton
2,965円
-0.36%
Dogecoin
0円
-3.98%
Zcash
1万4,603円
0.95%
OmiseGO
367円
-7.8%
Bytecoin
0円
-5.55%
Bitcoin Gold
2,403円
-2.26%
Lisk
360円
-5.44%
0x
69円
-3.05%
Ontology
202円
-10.06%
Maker
4万9,251円
-3.36%
Qtum
402円
-8.94%
Decred
4,075円
-4.56%
BitShares
12円
-8.17%
Nano
240円
-7.94%
Bitcoin Diamond
200円
-8.47%
Zilliqa
3円
-6.44%
Steem
104円
5.84%
DigiByte
2円
-7.11%
ICON
69円
-10.54%
Siacoin
0円
-12.12%
Aeternity
104円
-6.27%
Waves
236円
-3.73%
Verge
1円
-7.21%
GXShares
347円
-11.32%
Metaverse ETP
395円
-2.82%
empowr coin
870円
63.68%
Bytom
18円
-6.29%
Basic Attention Token
17円
-7.57%
Pundi X
0円
-8.54%
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ビットコインで採用されているプルーフオブワーク(Proof of Work)の仕組みと問題点まとめ

コンセンサスアルゴリズムはブロックチェーンを支える重要な技術の1つです。その中でもProof of work(プルーフオブワーク)はビットコインでも採用されているメジャーな方式です。今回は、プルーフオブワークの仕組みや特徴を解説します。

Proof of work(プルーフオブワーク)とは

合意形成 Proof of work(プルーフオブワーク)とは

Proof of Work(PoW)とは、ブロックチェーンの最後に新しいブロックを繋げるための方式の1つです。

ここで、新しいブロックを承認することをマイニングといい、マイニングを行う人や組織をマイナーと言います。

PoWでは、不特定多数のマシンによって新しいブロックをブロックチェーンの最後に接続するための計算を行い、最も早く計算結果を出した者に報酬が与えられます。

今回は、PoWの仕組みや特徴について紐解いていきましょう。

コンセンサスアルゴリズムの1種

ブロックチェーンは非中央集権的に運営されるため、新たな取引を承認するための独自の方法が必要です。

そこで考案されたブロックチェーンで新しいブロックを承認するための方式のことを、コンセンサス(合意形成)アルゴリズムといいます。

コンセンサスアルゴリズムにはさまざまな方式があり、PoWはその一つです。

PoWを採用しているコイン銘柄一覧

PoWは、ブロックチェーンのマイニングにもっとも早く採用されたコンセンサスアルゴリズムです。

そのため、ビットコインイーサリアムなどの歴史のある仮想通貨の多くに採用されています。

Bitcoin(ビットコイン)

合意形成 Bitcoin(ビットコイン)

ビットコインは言わずと知れたブロックチェーンを用いた最初の仮想通貨です。

サトシナカモトによって公開されたホワイトペーパーでも、PoWについて触れられています。

今でも世界中のマイナーが自分の計算資源を使って、ビットコインのマイニングを行なっています。

Ethereum(イーサリアム)

合意形成 Ethereum(イーサリアム)

イーサリアムは2018年6月末現在で時価総額第二位の仮想通貨で、PoWを採用しています。

イーサリアムはスマートコントラクトを実装しているので、ビットコインのような取引の承認だけでなく、より多くの情報をPoWによって承認しています。

しかし、イーサリアムは今後別のコンセンサスアルゴリズムであるProof of Stake(PoS)に移行することが決まっています。

その他アルトコイン

PoWを採用しているアルトコインは他にも以下のようなものがあります。

  • Bitcoin cash(ビットコインキャッシュ)
  • Monero(モネロ)
  • Monacoin(モナコイン)
  • Zcash(ジーキャッシュ)
  • Litecoin(ライトコイン)

比較的有名なアルトコインで採用されていることからも、いかにメジャーなアルゴリズムかが分かるでしょう。

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Proof of workの仕組み

ここからは、PoWがどのような仕組みなのかみていきましょう。

1. 一定量の取引データのブロックが作成される

まず、一定量の送金情報などの取引データのブロックが生成されます。

実際には1つのブロックの中に、1つ前のブロックのハッシュ値と呼ばれるものなどが含まれています。

ブロックチェーンの場合、ハッシュ値とは1つ前のブロックに含まれているデータを文字列に置き換えたものです。

2. ハッシュ関数を使い、ナンス値を求める

ハッシュ関数とはハッシュ値を導き出すために用いられる関数のことです。

また、ナンスとは、1つ前のブロックのハッシュ値と複数の取引データに組み合わせることでハッシュ値が一定以下になる数値のことです。

大まかな手順としては以下の通りです。

まず1つ前のブロックのハッシュ値と複数の取引データをまとめてハッシュ関数によってハッシュ値を求めます。

その後、このハッシュ値が一定の値以下になるようなナンスを求めます。

3. 最初にナンス値を出した人は報告し、周りはそれを判定する

最初にナンスを見つけた人は、そのことをネットワーク上で報告し、周りが正しいことを判定します。

このプロセスを経ることで、独断で承認されることを防ぎ、ブロックチェーン全体の正当性を担保しています。

4. ナンス値が正しければ新ブロックをブロックチェーンに追加

ナンスが正しいことが確認されれば、新しいブロックをブロックチェーンに追加することになります。

ここで生成されたハッシュ値はその次のブロック生成時に利用され、連鎖的にブロックが繋がっていきます。
これが、ブロックチェーンたる所以です。

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Proof of workの利点

PoWがコンセンサスアルゴリズムとして採用される理由は、さまざまなメリットがあるからです。

ここではメリットとして、以下の3つ紹介します。

  • 取引データの改ざんがほぼ不可能
  • 難易度調整が可能
  • マイニング報酬が得られる

取引データの改ざんがほぼ不可能

すでに紹介したようにPoWでは、条件を満たすナンスを突き止めることで新しいブロックをブロックチェーンの最後に繋げるといったものでした。

しかし、何者かがある時点での取引データを改ざんした場合、ナンスとハッシュ値の整合性が取れなくなります。

ある時点以降のブロックは、前のハッシュ値を前提に承認されているため、ある時点でのナンスがずれれば全てのブロックにおけるハッシュ値がずれてしまうのです。

すると辻褄を合わせるためには、全てのナンスを計算し直すことが必要となりますが、1つのナンスを見つけるためにかなりの計算力が必要に関わらず、多くのナンスを計算し直すとなればその計算にはかなりの計算力が必要となり現実的ではありません。

そのため、PoWは不特定多数による計算によってマイニングを行うため、取引データを改ざんすることは実質不可能です。

難易度調整が可能

安定してマイニングが行われるようにするには、多くのマイナーが安定してマイニングを行う必要があります。

そこでPoWでは、マイニングの計算の難易度を状況によって調整することで安定してマイニングされるように工夫されています。

具体的には、マイナーが少なくなれば難易度を下げることでマイナーがマイニングしやすくして、逆に多くなれば難易度を上げてマイニングにかかるコストを上げるという調整が行われます。

マイニング報酬が得られる

PoWでは、計算結果をもっとも早く出せた人にマイニング報酬が支払われます。

マイニング報酬はマイナーのインセンティブの1つになっており、安定してマイニングが行われるための重要な要素になっています。

また、ビットコインをはじめとする多くの仮想通貨ではマイニング報酬が半分になる半減期というもがあります。

半減期は仮想通貨の需要と供給のバランスをコントロールしてインフレを抑制しつつ、そのコイン自体の価値を上げていくために設定されています。

しかし、マイナーにとっては報酬が半分になっていくので、マイニングのインセンティブに影響を与えると言われています。

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Proof of workの問題点とリスク

PoWには以下のような欠点も存在します。

  • 51%攻撃
  • スケーラビリティ問題
  • マイニングのために大量の電力を消費する
  • 量子コンピュータが公開鍵認証方式を破る可能性

すでに紹介した、イーサリアムがコンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSに移行させることも、これらの欠点への対処が目的です。

51%攻撃

PoWには、51%攻撃のリスクがあります。

これは、新たなブロックの承認に必要な計算資源の51%を特定の者によって保有されることで、二重払いや正しい取引の否認などの不正取引が行われる攻撃です。

それだけの計算能力を持っているマシンは、現実的に存在しないとされていますが、原理的に不可能というわけではありません。

PoWが計算能力に焦点を当てているが故に、実現される攻撃です。

スケーラビリティ問題

スケーラビリティ問題は、仮想通貨で取引量が多くなればなるほど、なかなか取引が承認されなくなってしまう問題のことです。

PoWでは計算することでブロックの承認を行うので、承認すべき取引が多くなってしまうと、マイニングに時間やコストが多くかかってしまい目詰まりを起こしてしまうのです。

マイニングのために大量の電力を消費する

合意形成 マイニングのために大量の電力を消費する

すでに紹介した通り、PoWは特定の計算を行うため、それを行うマシンを動かすのに大量の電力が必要になります。

マイニングで行われる計算は複雑な計算なので、高性能なマシンを動かすためです。

電力を多く使用するので電気代がかかってしまい、電気料金の安い地域にマイナーが集中してしまいます。

また、1つの仮想通貨を維持するのに多くの電力を使うとなると、普及する際の大きな障壁になります。

量子コンピュータが公開鍵認証方式を破る可能性

PoWは現在の一般的なコンピュータを前提にしていますが、その計算能力を遥かに越える量子コンピュータとなると話は別です。

量子コンピュータは量子力学を応用することで実現する超高性能のコンピュータです。

量子コンピュータの異次元の計算能力によって、ブロックチェーンのナンスを全て計算し直すことさえも可能になり、仮想通貨そのものを乗っ取ることが可能になってしまいます。

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その他のコンセンサスアルゴリズムとの比較

コンセンサスアルゴリズムには、今回紹介したPoW以外にもさまざまなバリエーションがあります。

ここでは、以下のような代表的なコンセンサスアルゴリズムについて紹介していきます。

  • Proof of Stake(プルーフオブステーク)
  • Proof of Importance(プルーフオブインポータンス)
  • Proof of Consensus(プルーフオブコンセンサス)

Proof of Stake(プルーフオブステーク)

PoSは、仮想通貨を保有している量が多く、保有している時間が長いほど新しいブロックの承認しやすくなるという方式です。

PoWが計算能力によって承認権を与えているのに対して、PoSは保有量や保有期間によって承認権を与えています。

そのため、大量の電力を消費せず、ブロックの承認速度が高まります。

しかし、保有しているだけメリットがあるので、コインの流動性が低くなるという欠点があります。

Proof of Importance(プルーフオブインポータンス)

Proof of Importance(PoI)は、NEM(ネム)という仮想通貨で採用されているコンセンサスアルゴリズムです。

この方式は、PoSに取引の頻繁さを条件として組み合わせたもので、PoSの弱点をクリアしています。

とはいえ、保有量が大きな影響を与えるので、資金力を持っている人々が多くを買い占めてしまうとブロックチェーンにおける発言権を占有してしまう危険性を孕んでいます。

Proof of Consensus(プルーフオブコンセンサス)

Proof of Consensus(PoC)はRipple(リップル)で採用されている方式で、あらかじめ決められた承認者(バリデーター)によって新しいブロックの承認が行われるものです。

バリデーターがあらかじめ決まっているので高速で承認することができ、電力を大量に消費することもありません。

しかし、あらかじめ承認する人が決まっているので、他のコンセンサスアルゴリズムよりも中央集権的な仕組みだとする批判が多くあります。

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まとめ

今回はPoWについて仕組みや特徴について解説してきました。

コンセンサスアルゴリズムとしては最も古く、今も多くの仮想通貨で採用されています。

しかし、多くの電力を消費したり、51%攻撃のリスクがあったりと欠点が目立ってきていることも事実です。

コンセンサスアルゴリズムはブロックチェーンを支える最も重要な技術です。

今後どのような改善がされるのか、どんな新しいコンセンサスアルゴリズムが生まれるかは必見です。

最終更新日: 2018-07-19

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合意形成

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