ブロックチェーンにおけるプルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは何か?

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは何か?

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)は、デバイスのネットワークから相当量の計算努力を必要とするコンセンサスメカニズムを説明する。このコンセプトは、160ビットのセキュアハッシュアルゴリズム1(SHA-1)を使用した「再利用可能なプルーフ・オブ・ワーク」というアイデアを通じて、2004年にハル・フィニーによってデジタルトークンに適用された。

2009年の導入後、ビットコインはフィニーのPoWのアイデアを広く採用した最初のアプリケーションとなった(フィニーは最初のビットコイン取引の受取人でもある)。

プルーフ・オブ・ワークは、他の多くの暗号通貨の基礎を形成し、安全なコンセンサスを可能にしている。

ポイント

  • プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは、暗号化された16進数を解くためにネットワークメンバーが労力を費やすことを要求する分散型コンセンサスメカニズムである。
  • プルーフ・オブ・ワークはマイニングとも呼ばれ、作業に対する報酬を受け取ることを意味する。
  • プルーフ・オブ・ワークは、信頼できるサードパーティを必要とせず、安全なピアツーピアのトランザクション処理を可能にする。
  • 大規模なプルーフ・オブ・ワークには膨大なエネルギーが必要であり、ネットワークに参加するマイナーが増えれば増えるほど、そのエネルギーは増大する。

プルーフ・オブ・ワークを理解する

この説明では、ビットコインネットワークで機能するプルーフ・オブ・ワークに焦点を当てます。一般的に暗号通貨と呼ばれるビットコインは、技術的にはトークン(ビットコインのブロックチェーン上の価値の所有権を表すもの)です。トークンの所有権は、同じ価値の何かと交換することができます。これは、キャンディーバーを買うために誰かに 1 ドルを渡すのと同じです。

プルーフ・オブ・ワーク・ブロックチェーン

ブロックチェーンは、すべてのビットコイン取引を記録する分散型台帳であり、スプレッドシートに取引を入力する方法と似ている。各ブロックはセルに似ています。取引金額、ウォレットアドレス、時間、日付などの情報が記録され、ブロックチェーンのハッシュ関数によって作成された16進数であるブロックヘッダに暗号化される。

各ブロックのハッシュは、そのブロックのハッシュが作成される際に、そのブロックに続くブロックに使用される。これにより、すべてのブロックの情報が最新のブロックのハッシュに含まれるため、改ざんできない連鎖したブロックの台帳が作成される。

ハッシュ

ブロックがクローズされると、新しいブロックをオープンする前にハッシュを検証しなければならない。これがプルーフ・オブ・ワークの出番である。ハッシュは64桁の暗号化された16進数である。現代の技術では、大量のデータに対して数ミリ秒でハッシュを生成できる。しかし、採掘者はそのハッシュを推測しようとするため、計算上は非常に長い時間がかかる。

マイニングとは、ハッシュを解いて取引を検証し、報酬を受け取るプロセスである。

ノンス

ハッシュにはnonceと呼ばれる一連の数字が含まれている。採掘者(ハッシュを解くために働くノード上のプログラム)が採掘を開始すると、0に等しいnonceを使用して、公開されている情報からハッシュを生成します。

ハッシュを解く

ハッシュが現在のネットワークターゲットより低ければ、採掘者はハッシュを解くことに成功したことになる。ネットワーク・ターゲットは、16進数に変換された数式の数学的結果であり、マイニングの難易度を決定する。

ハッシュがターゲットより大きい場合、マイニングプログラムはnonceに1を加え、再びハッシュを生成する。マイナーのネットワーク全体がこの方法でハッシュを解こうとする。

ビットコインのブロックチェーン上では、ハッシュを解いたマイナーに現在の報酬が与えられる。

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステーク

最も人気のある2つのコンセンサスメカニズムは、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークである。ビットコインの最大の競争相手であるイーサリアムは、2022年9月に待望のプルーフ・オブ・ステークへの移行が行われるまで、ブロックチェーン上でプルーフ・オブ・ワークを使用していた。両者の主な違いは以下の通り。

プルーフ・オブ・ワーク

  • 検証はマイナーのネットワークによって行われる
  • ビットコインは報酬と取引手数料として支払われる
  • 競争的な性質により、多くのエネルギーと計算能力が使用される

プルーフ・オブ・ステーク

  • イーサを担保として提供する参加者によって検証が行われる。
  • イーサは取引手数料としてのみ支払われる
  • 使用する計算パワーとエネルギーが少ない

特別な考慮事項

マイニングは競争的なプロセスであるため、計算能力の高い者同士の競争になります。そのため、マイナーは報酬を受け取るチャンスを増やすためにプールに参加する。

単一または個人のPoWマイナーは、プールと報酬を競うことはできない。

プルーフ・オブ・ワークはエネルギー消費でも知られている。ケンブリッジ大学は、ビットコインネットワークのエネルギー需要を追跡し、その使用量を決定するために「最良の推定値」を使用しています。ネットワークはいくつかの小国と同程度のエネルギーを使用しているが、産業用データネットワークやデータセンターはビットコインネットワークよりもはるかに多くのエネルギーを使用していることに注意することが重要である。

プルーフ・オブ・ワークはまた、他のメカニズムよりもはるかに遅い検証方法である。例えば、ビットコインネットワークが処理できる以上のトランザクションが行われている。トランザクションは検証を待つためにmempoolに保存される(確認とはトランザクションが確認されること)。

プルーフ・オブ・ワークの例

プルーフ・オブ・ワークは、正しい最小量の先頭ゼロを持つ出力に到達するまで、コンピュータがランダムにハッシュ関数を実行することを要求する。例えば、2023年2月9日に採掘されたブロック#775,771のハッシュは以下の通りである:

00000000000000000003aa2696b1b7248db53a5a7f72d1fd98916c761e954354
このハッシュ成功のブロック報酬は6.25 BTC、手数料は0.1360 BTCでした。

nonceは2,881,347,934で、ブロック内のトランザクションは1,519件、ブロックの総額は1,665.9645BTCであった。ハッシュが生成され、nonceがゼロから始まることを考慮すると、このブロックは目標未満の数値に達するまでにマイナーによって28億回ハッシュされたことになる。

プルーフ・オブ・ワークの意味

PoWは、ネットワーク上のノードが、分散化された方法でコンセンサスを達成するために計算力(すなわち仕事)を費やしたという証拠を提供し、悪質な行為者がネットワークを乗っ取るのを防ぐことを要求する。

なぜ暗号通貨にプルーフ・オブ・ワークが必要なのか?

設計上、分散型でピアツーピアであるため、暗号通貨ネットワークのようなブロックチェーンは、コンセンサスとセキュリティの両方を達成する何らかの方法を必要とする。プルーフ・オブ・ワークは、ネットワークをオーバーテイクするにはリソースがかかりすぎる方法の一つである。他の証明メカニズムも存在し、その方がリソースを消費しない。証明メカニズムがなければ、ネットワークとその中に保存されているデータは攻撃や盗難に対して脆弱になる。

ビットコインはプルーフ・オブ・ワークを使用していますか?

SHA-256ハッシュ関数に基づくPoWアルゴリズムを使用して、トランザクションを検証、確認し、新しいビットコインを発行します。

結論

プルーフ・オブ・ワークは、多くの暗号通貨がブロックチェーン上のトランザクションを検証し、ネットワークに参加するためのトークンを付与するために使用するコンセンサスメカニズムである。プルーフ・オブ・ワークは、一般に公開されている取引情報を使用して、その採掘期間中のネットワーク目標値よりも小さい16進数の生成を試みる競争プロセスである。PoWコンセンサスでは、何千ものマイニングプログラムがハッシュが解けるまで1つのブロックに取り組み、次のブロックに移る。

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