デジタル取引の記録が公に検証可能であり、かつ不変である分散型システムであるブロックチェーンには、さまざまなコンセンサス・プロトコルのバリエーションが存在します。
プロトコルの種類によって、セキュリティ、スケーラビリティ、非中央集権のレベルは様々です。それぞれのコンセンサスメカニズムは、「ベスト」ソリューションであると主張するかもしれません。
この記事ではコンセンサス（合意形成）における主な６つの仕組みについて解説しています。
以下はessentialcardano.ioに掲載された記事「6 types of blockchain consensus mechanisms」を翻訳したものです。
ブロックチェーンの合意形成の仕組み6種類
by Ivan Irakoze 2022年9月21日
ブロックチェーンの合意形成メカニズム6種類
ブロックチェーンは、デジタル取引の記録が公に検証可能であり、かつ不変である分散型システムです。新しい取引は、他の最近の取引と一緒にブロックに含まれ、そのブロックは他のブロックのチェーンに追加されます（「ブロックチェーン」という用語の由来です）。
ブロックチェーンが正常に動作するためには、参加者（ノードとも呼ばれる）がそれぞれの新しいブロックの有効性に合意する必要があります。ブロックチェーンは、ブロック生成ノードの適格性を判断するために、さまざまなコンセンサスプロトコルのバリエーションを使用することができます。
継続性を確保するために、ブロック生成者は特定の取引履歴についてコンセンサスを得る必要があります。これは、参加者の見解が同じ履歴に収束することを保証する特定のコンセンサスメカニズムによって達成される。これにより、特定の参加者を信頼する必要がなく、ブロックチェーン全体に対する信頼が確保される。相互に不信感を持つ主体も、ブロックチェーン自体がその行動を仲裁・検証できるという知識に安心して、ブロックチェーンに参加することができます。
プロトコルの種類によって、セキュリティ、スケーラビリティ、非中央集権のレベルは様々です。それぞれのコンセンサスメカニズムは、「ベスト」ソリューションであると主張するかもしれません。
それでは、6つのブロックチェーンプロトコルについて見てみましょう。
最も普及しているコンセンサスメカニズムとは？
最もよく知られているコンセンサスプロトコルは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とプルーフ・オブ・ステーク（PoS）の2つですが、その他にも（そして上記のバリエーションが複数）存在します。ここでは、これらの仕組みがどのように機能し、何が違うのかを掘り下げてみましょう。
プルーフ・オブ・ワーク(PoW)
PoWは、2009年にSatoshi NakamotoがBitcoinチェーンに適用した、最初のブロックチェーンコンセンサス機構です。
PoWは、コンピュータ（マイナー）間の競争によって、適度に難しいパズルを解くことに依存しています。次にクイズの解答を見つけたマイナーは、ブロックチェーン上で新しいブロックを採掘することができる。
ErgoとEthereum ClassicもPoWを使用しています。
PoW チェーンに参加する前に、いくつかの利点と欠点を考えてみましょう。
メリット
- PoWチェーンを攻撃するには、ネットワークのコンピューティングパワーの51％をコントロールする必要があります。
デメリット
- クエリーを解決するためのエネルギー消費量が多いことが、PoWチェーンの大きなデメリットである（すべての採掘者がブロックを採掘するために活発に競争しているため）。
- 採掘者になるには高価で特殊なハードウェアが必要であり、分散化の妨げとなる。
- PoWは、ブロックサイズと作成時間が制限されるネットワーク設計のため、スケーラビリティに限界がある。
プルーフ・オブ・ステーク(PoS)
PoSはPoWよりも新しく、エネルギー消費量が少ないため、より持続可能なコンセンサスメカニズムである。PoSのコンセンサスを通じて、ブロックチェーン資産の保有者は、自分のステークをバリデーターに委任することで、オンチェーン取引のセキュリティと検証に参加することができます。
2012年に開始されたPeercoinは、最初のPoSプロジェクトでした。Cardano、Polygon、Tezosの3つが人気のあるPoSブロックチェーンです。イーサリアムは最近、「Merge」に成功し、PoWからPoSに移行した。
しかし、イーサリアム版のPoSとは異なり、カルダノのPoSの仕組みには注意が必要です。
- リキッドステーキング（ロックアップなし）が可能で、カルダノネイティブトークンの保有者はいつでもステークを引き出したり、別のバリデータ（ステークプール）に委譲したりできる。
- ステーキングを開始するには、2.17 adaの少額の初期費用が必要です。
- 意図したとおりに動作しないノードへのステークで委任者が不当に罰せられる危険性のあるスラッシング機能はない。
OuroborosはCardanoのPoSコンセンサスプロトコルであり、証明可能な安全性を持つ最初のPoSプロトコルであった。言い換えれば、ウロボロスは攻撃者に対して数学的に検証可能なセキュリティを提供します。このプロトコルは、正直な参加者が51%のステークを持っている限り、安全性が保証される。Google scholarによると、オリジナルの論文は1400回以上引用されており、このプロトコルの亜種が他のPoSチェーンで使用されています。
それでは、PoSの長所と短所を見ていこう。
メリット
- 検証者はノードを設置するために高価な専門機器を必要とせず、標準的なコンピュータで十分であるため、分散化が促進される。
- バリデータはリソースを大量に消費するパズルを解く必要がないため、PoSプロトコルは非常にエネルギー効率がよく、持続可能である。
デメリット
- 一部のPoSコンセンサスメカニズムでは、バリデータは少量の資産（プレッジ）をロックする必要があり、一定期間ロックが解除されることはない。
注：これはCardanoには適用されない。 - ステークされた資産の額が大きいバリデータ、または複数のプールを持つバリデータは、取引の検証において大きな影響力を持ち、セキュリティリスクをもたらす可能性があります。
- 一部のチェーンでは、バリデータが不正確な取引を検証したり、他のバリデータと一緒にオフラインになったり、ネットワークを攻撃したりすると、委任者とバリデータがステークした資金の一部を失う（スラッシング）リスクがある。
注：カルダノにはこのようなスラッシングはない。 - アクティブなバリデータの数が少ないPoSシステムや、中央でホストされているクラウドサービスに過度に依存しているシステム（ベアメタルやセルフホスティングのノードと比較して）は、分散化を抑制しています。
デリゲート・プルーフ・オブ・ステーク(DPoS)
DPoSはPoSのコンセンサスメカニズムを改良したもので、代表者と投票者という2つのアクターを持つ投票システムを実装しています。
投票者は自分の資産をステークし、ネットワーク上の取引を検証するデリゲートを選出する。つまり、デリゲートがバリデーターになれるかどうかは、その人の評判に左右される。一歩間違えれば、解任され、交代させられる可能性がある。したがって、彼らの評判を維持することは非常に重要である。
WAXとEOSはDPoSブロックチェーンです。
DPoSのコンセンサスメカニズムの利点と欠点は以下の通りです。
メリット
- DPoSネットワークでは、バリデーターの数が限られているため、トランザクションが高速で行われ、より速いコンセンサスを得ることができる。
- DPoSコンセンサスプロトコルのブロックチェーンは、投票によって安全性が保たれる。不審な行動をとった代表者は即座に投票によって排除される。
- DPoSブロックチェーンは非常にエネルギー効率が良い。
デメリット
- DPoSネットワークは、バリデーターの数が比較的少ないため、51%攻撃の影響を受けやすいかもしれません。この攻撃は、チェーンの50%以上のステークが1人の個人またはグループによってコントロールされている場合に発生する。
- DPoSブロックチェーンは、他のコンセンサスメカニズムを用いたチェーンと比較して、DPoSチェーン上のバリデーター数が少ないため、より中央集権的なチェーンとなる。
- より多くのステークを持つ投票者は、より大きな影響力を持つ。
プルーフ・オブ・オーソリティー(PoA)
PoA は、プライベートネットワークに適したコンセンサスモデルである。チェーン上のデジタル資産をステークする代わりに、委員会に検証を委ねるというもので、パブリック（無許可）な参加とは対照的である。
PoAのコンセンサス・メカニズムは、チェーンのメンテナンスを行う固定されたノード・セットを決定する。これらのノードは、ネットワークを保護し、トランザクションを検証する独占的な権利を獲得します。
VeChainやJP MorganのCoin Systemsのようなプライベートネットワークでは、このメカニズムが使用されています。
PoAプロトコルには、以下のような長所と短所があります。
メリット
- PoSと同様、このモデルはエネルギー効率が高く、高価なハードウェアや高い計算能力を必要としない。
ディメリット
- ブロックチェーンは少数の承認されたバリデータによって管理されるため、真の意味で分散化されているとは言えない。
バリデーターになるには多くのフィアットが必要であり、ほとんどの人が参加しにくい。
プルーフ・オブ・キャパシティ(PoC)
PoC（プルーフ・オブ・スペースとも呼ばれる）は、採掘者が採掘権を取得し、取引を検証するために、利用可能なディスクスペースを持つことが要求されます。PoWと同様に、PoCでは、新しいブロックを生成する権利は、特定のマイナーがPoCシステムに捧げたスペース（計算力の代わり）に比例して割り当てられる。
PoCを採用したブロックチェーンには、Chia、Signum（旧Burstcoin）、SpaceMint、Storjがあります。
メリット
- ブロックマイニングは、ブロック生産者の選挙が利用可能なディスクスペースに依存するため、高いエネルギー消費は必要ありません。
- 標準的なハードディスクであれば、PoCと互換性がある。
- ハードウェアがマイニングにのみ使用されるPoWメカニズムとは異なり、マイニングデータを削除した後、ドライブは他のデータストレージとして使用することができます。
- ノードはハードディスクのアップグレードや特殊なハードウェアを必要とせず、ディスクスペースだけが必要です。
デメリット
- PoCモデルの人気が高まれば、このメカニズムにより、マイナーがブロックを検証する可能性を高めるために、より大容量のストレージへの需要が高まる可能性があります。
PoUW（Proof of useful work）：持続可能な新しい合意形成メカニズム
ブロックチェーン業界はまだ比較的新しく、設立から10年も経っていません。組織やブロックチェーン・プロジェクトは、コンセンサス・メカニズムを構築し、改善する方法を継続的に研究しています。
Input Output Globalは、PoWメカニズムにおけるエネルギーの浪費を最小限に抑えようとする新しいPoUW（proof of useful work）コンセンサスメカニズムであるOfelimosの最近の研究によって、そのような例の1つとなっています。
本稿執筆時点では、PoUWを使用するブロックチェーンはなく、このコンセンサスメカニズムの長所と短所は理論的なものに過ぎません。以下、Ofelimosのメリットとデメリットと思われるものを挙げてみます。
メリット
- PoUWは、PoWの計算エネルギー消費の少なくとも一部が、複雑な実世界の問題を解決するために使われることを保証します。例としては、DNA配列決定、分散計算、タンパク質の展開、都市計画など。
デメリット
- PoUWモデルでは、実世界の複雑なクエリを継続的に解く必要があり、そうでない場合はPoWプロトコルのように計算能力が不必要に失われる。
この新しいモデルについては、こちらの詳細な記事（ in-depth article）をご覧ください。
