以下はIOGブログに掲載された記事「Cardano’s foundational research overview」を翻訳したものです。
カルダノの基礎研究概要
by Olga Hryniuk 2022年6月10日
カルダノを支える研究を詳しく見ていくブログポストシリーズの第一弾です。
2015年の発足以来、カルダノ・プロジェクトには、暗号通貨の設計と開発の方法を変えるという明確な目標がありました。他の多くのオープンソースプロジェクトと同様に、カルダノには定義されたロードマップや権威あるホワイトペーパーはありませんでした。むしろ、さまざまな科学的設計原理と工学のベストプラクティスを組み合わせて、堅実で先駆的な、研究ベースのブロックチェーンを作り上げたのです。このようなアプローチにより、カルダノは他のブロックチェーンプラットフォームの中でもユニークな位置づけにあります。
一連のベストプラクティス、アイデア、貢献が、安全で非中央集権的、かつスケーラブルな台帳を構築するためのカルダノの基礎を形成したのです。現在、Input Output Globalの広範な論文ライブラリに代表されるように、かなりの研究蓄積があり、その数は執筆時点で139にのぼる。その多くは査読を受け、一流の学術会議で採択されている。Google Scholarによると、ウロボロスの原著論文は1,200回以上引用されています。
研究論文
IOGのCEOであるチャールズ・ホスキンソン氏は、次のように述べています。
分散化は世界中の金融システムに大きな技術的課題を課しており、IOGリサーチはその一つひとつに関心を寄せています。
IOGリサーチのビジョンは、ブロックチェーン基盤やフィンテック、さらに広くは暗号技術によって保護され、経済ゲーム理論によってインセンティブを与えられた分散型システムの学術研究において、主導的な機関となることです。IOGは、一般的には難しい研究課題に取り組むことで、特にフィンテックのブロックチェーンインフラストラクチャ産業のための正式で信頼できる基盤を構築することで、その評判を確立しています。
このブログ記事では、カルダノの基礎を築いた研究論文のいくつかを紹介します。
Ouroboros（ウロボロス）
プロジェクトの研究を推進した最初の論文は、「Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol」で、学術的な査読を受け、Crypto 2017で発表されました。
ブロックチェーンネットワークの中心にあるのはコンセンサスです。Ouroborosは、Cardanoのためのプルーフ・オブ・ステーク・コンセンサス・プロトコルである。「Ouroboros：ウロボロス」という名前は、永遠と無限の回帰を表す古代のシンボルに由来しています。Cardanoにとって、Ouroborosはブロックチェーンの理論的な永遠性を象徴しています。
2017年以降、数多くのOuroborosプロトコルのバージョンが生み出されてきた。Ouroborosの各「フレーバー」は、Cardanoの進化をサポートするために異なる特徴や機能を追加しています。Ouroboros Classic（クラシック）を皮切りに、台帳は定期的にアップグレードされてきました。Ouroboros Classicは、連合環境（CardanoのByron開発テーマ）におけるエネルギー効率の高いステーク証明型コンセンサスプロトコルの基礎を確立した。Praos（プラオス）、Genesis（ジェネシス）、Chronos（クロノス）は、完全なパーミッションレス環境において強化されたセキュリティを確保するために設計されました。GenesisはPraosプロトコルを改良したものですが、Chronosが実装されれば、Genesisはさらに強固なものになるでしょう。このブログ記事では、ウロボロスの進化をより詳細に説明しています。
ウロボロスは、独自の技術と数学的に検証されたメカニズムと相まって、プルーフ・オブ・ステークに適応した「Nakamoto式コンセンサス」を実現します。ビットコインのプルーフ・オブ・ワーク型コンセンサスに見られるような安全性と堅牢性の保証を実現しつつ、エネルギー消費の面でより高い効率性を確保しています。ブロックを作成するために計算上複雑な問題を解決するマイナーに頼るのではなく、プルーフ・オブ・ステーク参加者は、ネットワーク上で自分が支配するステークに基づいてブロックを作成し、検証するのである。
IOGのチーフサイエンティストであり、エジンバラ大学のサイバーセキュリティとプライバシーの講座である Aggelos Kiayias教授は、ブログ記事「The Ouroboros path to decentralization：Ouroboros、分散化への道 」の中で、次のように語っています。
Ouroborosは、ビザンチンと合理的行動の両方の文脈で分析される分散型台帳プロトコルです。このプロトコルの特徴は、ステーク、ダイナミック・アベイラビリティ、トラストレス設定、報酬共有型インセンティブスキームといった設計要素を組み合わせていることです。
委任とステークプール
連合体型から完全な分散型に移行するためには、プロトコルにいくつかの調整が必要でした。それは、適切なアカウント管理（ステーク委任の手法を可能にするため）と参加へのインセンティブ付与のための手段を提供することが不可欠であった。
2020年に発表された論文「Account Management in Proof of Stake Ledgers」では、ネットワーク保守活動へのステークホルダーの参加を最大化する方法を探っています。
一般的に、プルーフ・オブ・ステーク・ブロックチェーンは、その性質上、ステークホルダーの積極的な参加に依存しています。ステークホルダーは、ネットワークトランザクションを検証し、新しいブロックを生成するために、常にオンラインである必要があります。しかし、すべてのステークホルダーが常にオンラインである能力や希望を持っているわけではありません。このような状況でもシステムが堅牢で安全であることを保証するためには、さまざまなタイプのステークホルダーの参加を可能にすることが重要です。
ステーク委任はこの問題に対処し、ユーザーが自分のステークを他の参加者に委任することでネットワーク活動に参加できるようにするものです。ステーク委任は、ステークプール（複数のステークホルダーのステーク権を保有するサーバーノード）を生じさせる。この論文では、委任の手法を数学的に分析・定義し、安全な支払いを処理するためのコアウォレットの特性も実装しています。
同じく2020年に発表された論文「Reward Sharing Schemes for Stake Pools」では、ステークホルダーの活動に対してインセンティブを与える仕組みが紹介されている。
ステークプールのパワーは、委任されたステークが蓄積されることで生まれる。ネットワークの検証活動が1つのプールに独占されるのを避けるため、ネットワーク参加者が多くの異なるプールに委任するようインセンティブを与えることが不可欠である。
報酬分配スキームは、取引検証やブロック生成などの活動に対してステーク・プール・オペレーター（SPO）や委任者に適切なインセンティブを与える手段を記述している。本研究では、提案する報酬の仕組みがネットワークを望ましい分散化のレベルへと導き、特にシビル攻撃からの保護を提供することを示す。これは、いわゆる「出資メカニズム」によって実現されており、単一の現実世界のエンティティによって制御される複数のステークプールの形成を大幅に抑制しています。
カルダノのインセンティブモデルは、合理的な参加者がプロトコルに従うことで利益を得るエコシステムを確立し、それによってカルダノ・ブロックチェーンの安全かつ効率的な運用を可能にしました。その結果、暗号技術とゲーム理論的な報酬メカニズムによって保護された、確実に動作する分散型台帳が誕生したのです。
ご期待ください。次回は、機能的なスマートコントラクト・プラットフォームの基礎を確立した研究論文のいくつかを詳しく見ていきたいと思います。具体的には、拡張UTxOモデルを実現した研究から始め、その意味や、台帳がどのようにマルチアセットや手数料を扱うことができ、ユーザーにとって様々な利点があるのかを説明します。
