Bitcoin
50万1,231円
2.26%
Ripple
48円
-1.55%
Ethereum
1万4,828円
1.12%
Bitcoin Cash
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5.15%
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EOS
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2.87%
Litecoin
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Tether
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0.8%
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-0.1%
Cardano
5円
2.35%
Monero
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0.79%
TRON
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5.84%
Dash
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8.99%
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5.07%
Binance Coin
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4.55%
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3.78%
Walton
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-0.36%
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4.17%
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Maker
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21.48%
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0円
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Ontology
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12.25%
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0円
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0x
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10.22%
Decred
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6.84%
Qtum
270円
3.03%
Basic Attention Token
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6.23%
GXShares
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Lisk
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3.69%
Bytecoin
0円
1.03%
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63.68%
TrueUSD
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Nano
133円
17.21%
Aeternity
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7.89%
Bitcoin Diamond
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-3.75%
Zilliqa
2円
4.58%
DigiByte
1円
6.56%
BitShares
5円
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ICON
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4.63%
Aurora
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2.46%
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Siacoin
0円
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Bytom
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4.97%
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Ethereumで採用予定!合意形成アルゴリズムProof of Stakeとは

仮想通貨のネットワークにおいて重要な役割を果たすものに、コンセンサスアルゴリズムがあります。 そのなかの1つである、Proof of Stakeが現在注目を集めており、すでにEthereumでも採用が予定されています。 この記事では、Proof of Stakeの特徴やメリットについて紹介していきます。

Proof of Stakeとは

合意形成 Proof of Stakeとは

Proof of Stake(PoS)は分散型ネットワークを維持するためのコンセンサスアルゴリズムの1つで、現在ビットコインのブロックチェーンで採用されているProof of Work(PoW)の代替システムとして考案されたものです。

そのためPoSはPoWで問題となっているマイニングパワーの集権化や承認作業の遅滞といった問題を改善するための特徴を有しています。

現時点において既に多くの仮想通貨で採用されていますが、EthereumがProof of WorkからProof of Stakeに移行する予定であることを公表したため、より一層注目されるようになりました。

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Proof of Stakeの仕組み

Proof of Stakeでは、仮想通貨を購入した後、その通貨をPoSのメカニズムに投資(デポジット)することでブロックを生成に参加する資格を得ることができます。

その後、参加者のなかから、通貨の保有額に応じてランダムにブロックの生成権利者が選ばれます。

選ばれた人はマイナーとなり、フォージ(日本語では「鋳造(ちゅうぞう)」といい、マイニング的なもの)を行うことで報酬を得ることができます。

一方で、フォージには一定の期間が設けられており、その期間内に承認作業を終えることができなかった場合には、次の候補者に権利が回されてしまいます。

この場合、マイナーは報酬を得ることはできません。

コイン年齢(Coin Age)

コイン年数は、「コインの保有量×コインの保有期間」で算出される数値のことで、大量のコインを保有しており、なおかつ、その期間が長いほどコイン年数は大きくなります。

このコイン年数は、PoSの根幹を成す考え方で、コイン年数が大きければ大きいほど、マイニングの難易度が下がります。

ビットコインにもコイン年数の考え方はありますが、ビットコインの場合は取引の優先度として扱われており、コイン年数が大きいほど優先的に取引の認証が行われます。

ブロック承認者のランダム化

先ほど説明したように、PoSにおけるブロックの承認は、コインの保有量に応じて、ランダムに選択されます(これはRandomized Proof of Stakeと呼ばれています)。

そのため、フォージングを有利に行えるようコインを保有し続ける傾向が強くなってしまいます。

一方、そのような傾向に対する対策として、一定期間が経過した古いコインについてはその分の評価を下げる、Proof of Stake Velocityが実装されている仮想通貨もあります。

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Proof of Stakeのメリット

合意形成 Proof of Stakeのメリット

PoSには、以下のメリットがあります。

  • 51%攻撃に強い
  • スケーラビリティ問題の解決
  • 電気代の節約
  • 中央集権化のリスクの軽減

51%攻撃とスケーラビリティ問題については既に説明しましたが、
以下では残りの2つのメリットについて説明します。

電気代が節約できる

PoSには電気代の節約ができるというメリットがあります。

PoWは、より多くの計算作業をした人がブロックを生成する権利を獲得でき、報酬をもらいやすくなる仕組みが採用されているため、世界中でマイニング専用の高スペックなマシンを用意して計算をしています。

そのため、マシンの使用に大量の電力消費を必要としており、必然的に電気代も高くなってしまいます。

一方で、PoSはコイン年数という概念の導入により、必要となる計算量が少なくなっており、消費電力ひいては電気代を節約することができます。

中央集権化のリスクが少ない(51%攻撃)

Proof of Stakeでは、コイン年数が高ければ高いほど成功しやすくなる一方、マイニングに成功するとコイン年数は減少するため、同じ人や団体がマイニングに成功し続けることを緩和しています。

一方で、ブロックの承認者がランダムで選ばれ、当選確率はコインの保有量に比例します(Ramdamized Proof of Stake)。
この場合、多く保有している人ほどブロックを承認しやすく、報酬がもらいやすい構造になります。

このため、PoSでは富の集中が起きる可能性もあり、コインを多く持っている人の方がさらにコインを手に入れるチャンスも多くなってしまうとの問題もあります。

「51%を保有してしまうとセキュリティ懸念が生まれ、通貨価値の減少につながる」「一定以上の時価総額に至った通貨の51%を手に入れるには多額の資金が必要」なため、51%を保有するインセンティブは低いですが重要な論点だといえます。

こうした背景もあり、PoSでは、マイニングに参加する際に必要となるコインのデポジットを最低どのくらいに設定するかが重要になっています。

仮に、デポジットの最低ラインを高くしすぎてしまうと、現在コインを多く保有している人しか参加できなくなってしまいます。
一方、ラインを低く設定すると、多くの人がProof of Stakeに参加でき、報酬を得るチャンスも生まれることになります。

この点について、EthereumのVitalik氏(ヴィタリック氏)は以下のようにコメントしています。

初期段階でのデポジットは1,000ETH、シャーディングが導入されれば10ETH程度のデポジットになり得る

引用元: np.reddit.com

Proof of Stakeはシェアが先鋭化していくという意見も

一方でPoSには「富めるものがますます富んでいくため、中央集権化は不可避なのではないか?」という議論があります。
今後のPoS通貨の動向で正解が明らかになりますが、投資先選定にも有益ですので、是非ご覧ください。

PoSを採用する暗号通貨に未来はあるのだろうか
【考察】「PoSはネズミ講だから破綻する」は真実なのか?

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Proof of Stakeのデメリット

合意形成 Proof of Stakeのデメリット

多くのメリットがあるPoSですが、その反面、以下のデメリットも存在します。

  • Nothing at Stake
  • ロングレンジ攻撃
  • 流動性の低下

放置するだけで報酬が得られる「Nothing at Stake問題」

PoSのデメリットとして、「Nothing at Stake問題」があります。

PoSは、ブロック生成のために掛け金が必要となり、正常にブロックを作成した場合に報酬が支払われます。

しかし、これは掛け金さえあればブロックが生成できるということでもあり、不正なブロックを容易に作成できるということにもつながります。

一方で、PoWの場合は、1番長いチェーンが有効となるため、不正なチェーンを1から作ろうとした場合には今あるチェーンよりもさらに長いチェーンを作成する必要があります。

このような行為は、膨大なコストやマイニングマシンの計算力の限界の点から困難であるといえます。

しかしPoSの場合は、不正ブロックを作成する際にそれほど膨大な計算コストは必要ありません。

そのため、作成を継続して行いやすく、不正ブロックがそのままチェーンを伸ばしていく恐れがあります。

これが「Nothing at Stake」問題と呼ばれるものです。

このような問題を防ぐために、今後採用される予定のPoSアルゴリズムであるCasperには、懲罰的アルゴリズムであるSlasherが導入されています。

これは、いくつかのブロックにチェックポイントを設け、そのチェックポイントでブロックチェーンが正しいものかどうかの投票を行うことで、不正なブロックチェーンが分岐しないようにするものです。

生成したブロックが不正と見なされた際には、報酬を得られなくなるどころかデポジットを没収されるペナルティを与えられるため、不正を働くインセンティブを低くすることができるとされています。

ロングレンジ攻撃

PoSの別のデメリットは、ロングレンジ攻撃です。

これは攻撃をする者が以前に生成したブロックのキーを利用して古いブロックからブロックチェーンを分岐させ、そのチェーンをメインとなっているチェーンよりも速いペースで伸ばすことで現在のメインチェーンにとって代わろうとする攻撃のことを指します。

古いブロックにはデポジットがなく、ブロックの生成報酬も既に引き出されているため、デポジットを没収されることもなく分岐が可能となっています。

この攻撃もSlasherによって未然に防ぐことができるとされています。

Slasherは、分岐したチェーンとメインのチェーン両方に対してマイニングすることを防ぐことができます。

もしもバリデーターがメインチェーンではないチェーンにブロックを生成しようとした場合は、デポジットしているStakeが没収されてしまう仕組みになっています。

流動性の低下

PoSでは上述のようにコイン年数という概念が導入されており、長くコインを保持していれば有利となります。

そのため、コインを保持し続ける傾向が強くなり、流動性が低下することが懸念されています。

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EthereumでProof of Stakeが採用される理由

合意形成 EthereumでProof of Stakeが採用される理由

Ethereumでは以下の問題を解決するためにPoSへの移行を考えています。

  • 51%攻撃
  • スケーラビリティ問題

Proof of Workの問題点

現在、EthereumではPoWを採用していますが、PoWには51%問題やスケーリング問題の課題があり、議論が盛んです。

PoWはマイニングを行う際に優れたマシンを揃えている集団が成功しやすいため、マイニングパワーが集権化しやすい傾向があります。

現状、ビットコインのマイニングは少数のマイニングファームが寡占しており、そのなかでも中国のマイニングファーム2つ社が全体の約40%のシェアを占めています。

このような状況では51%攻撃が起こりやすくなることが問題視されています。

また、PoWにはスケーリングの問題もあります。
トランザクションの量が多くなると、ブロック承認に時間がかかり、結果的に送金時間が遅くなり、実用性が低下していく問題が有ります。

ビットコインでは、「Segwit(Segregated Witness)」の導入、「ブロックサイズを1MBから8MBに変更する」(Bitcoin Cashにハードフォーク)の他様々なスケーリング対策が検討・議論されています。
主張の食い違いによりハードフォークして新通貨が生まれることもある状況です。

51%攻撃とは

51%攻撃は悪意のあるマイナーが全体の51%以上のマイニングパワーを持ってしまうことで、ブロックチェーンネットワークをある程度コントロールできてしまうことを指します。

PoWでは、ネットワーク参加者のマイニングによってブロックが生成されるため、悪意のあるマイナーが51%以上のマイニングパワーを持っていると、不正なブロックチェーンが生成されやすくなってしまいます。

一方、PoSでは51%攻撃をするためには通貨の半分を買い付ける必要が出てきます。
しかし、買い付けが進めば進むほど通貨の価格は上がってしまうため、実行するには膨大な資金が必要となります。

この点において、PoSはPoWに比べてセキュアであると言えます。

また、誰かが通貨を51%以上保有してしまった場合、セキュリティに懸念が生じるので、通貨の価値が下落してしまいます。

このような理由から、PoSを採用している仮想通貨の場合、通貨を半分以上取得しようとするインセンティブが低く、高いセキュリティを維持することができるとされています。

スケーラビリティ問題の解決

PoSはPoWのように複雑な計算をする必要がないため、ブロックの承認プロセスが比較的シンプルであり、ブロック生成時間を短縮することができます。

また、Ethereumはスケーラビリティ問題をSharding(シャーディング)によって解決しようとしており、それにはPoWよりもPoSが適しているとされています。

Sharding(シャーディング)とは

シャーディングは、取引承認の際に、複数のノードによって構成されるノード群によって、トランザクションを並列的に処理することを目指したアルゴリズムのことです。

PoSは特定のノードが一定期間の取引を全て承認しているため、大量の取引を処理することは困難となっています。

しかし、シャーディングで並列的に処理することで、同時に多数の取引を承認できるようになり、スケーラビリティを高めることができます。

その際、シャーディングをPoW上で実装してしまうとセキュリティ面で新たな問題が発生してしまいます。

たとえば2つのシャードに分かれている際、一方が90%のハッシュパワーを持っていて、もう一方が10%のハッシュパワーを持っている場合は、10%のハッシュパワーしか持たないシャードに対してはわずか5.1%のハッシュパワーで51%攻撃が可能となってしまいます。

このような点から、シャーディングを実装するためには、PoSを採用している必要があります。

Proof of Stakeアルゴリズム"Casper"への移行時期

Ethereumでは、PoSアルゴリズムであるCasperへの移行までの予定をロードマップで示しています。
Ethereumは最低4回のハードフォークを前提とした分散型アプリケーションプラットフォームの開発プロジェクトです。

Olympic 2015年5月 Frontierに向けたプレスリリース版。
Frontier 2015年7月 【アプリ開発者向けの実験版】
Ethereum Networkの初期バージョン。

実装のテスト、マイニング、dAppsの構築とツールの提供
Homestead 2016年3月 【アプリ開発者向けの安定版】
アプリ開発者向けのアップデート。

Ethereumのリリース版。

様々なプロトコルの改善と、アップグレードとトランザクションスピード改善の基盤を構築
Metropolis(Byzantium) 2017年10月 【一般ユーザー向けのアップデートの前半】
・匿名性の向上
・Ethereumの発掘難易度を上昇させるディフィカルティボムの約一年半の延期
・ブロック採掘報酬が5ETHから3ETHに低減
Metropolis(Constantinople) 時期未定(現在開発中) 【一般ユーザー向けのアップデートの後半】
軽く、早く、セキュアなEthereum。

Metropolisで目指している、PoWからPoS移行の準備やセキュリティの強化、スマートコントラクトの簡素化を開発中。
Serenity 時期未定(現在開発中) 【Proof of Stake(Casperアルゴリズム)への移行】
・1ブロックあたりの生成時間を15秒から4秒に変更
・EVMの強化
・ファイナリティを持たせる

現在はMetropolisの後半段階で、Serenityへの移行に向けた開発が進んでいます。
Serenityへの移行に合わせてPoSアルゴリズムであるCasperが採用される予定となっています。

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Staking Poolの出現

PoWでは、複数のマイナーが協力してマイニングを行うマイニングプールがあります。

PoSでもマイニングプールと同様に、コインの保有者が協力することで、保有量を増やし、マイニングの権利を得られる確率を高めるStaking Poolが出現してくることが予想されており、既にStaking Poolを謳うプロジェクトが出現しています。

Staking Poolでは特別な機材も不要なため、より一層スキャム(詐欺)への注意が必要だといえそうです。

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Proof of Stake採用コイン

現在、EthereumにおいてProof of Stakeを採用する予定であることで注目を集めていますが、すでにProof of Stakeを採用している仮想通貨として以下の通貨があります。

ちなみにPoWが解決したといわれるビザンチン将軍問題というものがありますが、Proof of Stakeでも同様にビザンチン将軍問題を解決できるといわれています。

ビザンチン将軍問題についての詳しい解説は下記記事をご覧ください。

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まとめ

  • Proof of Stakeではコイン年数という概念があるため、コインの保有量と保有年数が大きくなればなるほど有利
  • ブロックの承認者の選択をランダム化することで、集権化のリスクを軽減することができる
  • Proof of Stakeは51%攻撃へのセキュリティが高く、スケーラビリティ問題にも対処しやすい
  • 不正なブロックが生成しやすくなる「Nothing at Stake問題」や、ロングレンジ攻撃などのデメリットが存在する
  • デメリットを防ぐため、Ethereumで導入されるProof of StakeのアルゴリズムであるCasperには、懲罰的アルゴリズムのSlasherが搭載されている
  • コイン年数という概念により、かえって富の集中化が起こる恐れや、コインの流動性が落ちるといった懸念も存在する

Ethereumで導入が予定されているProof of Stakeは、現在存在する多くの問題を解決できる可能性があるものの、新たな問題が起こる可能性もあって懸念もあります。
しかし、そのような問題に対処するためにEthereumでは今後様々な対策をとることで成功を目指しているようです。

最終更新日: 2018-04-19

タグ:
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