Proof of Work（PoW）とは何ですか？

はじめに

ビットコインのマイナーは、ブロック内のトランザクションを収集しブロードキャストし、その妥当性を検証します。その後、前のブロックのヘッダーの暗号ハッシュ関数を新しいブロックに適用します。最後に、Proof of Work（PoW）問題を解決しようとします。中本哲史は、ビザンチン将軍問題を解決するためにProof of Work（PoW）のコンセンサスメカニズムを採用し、透明性と客観性のあるプロトコルを確立しました。

Proof of Work（PoW）とは何ですか？

Proof of workは、ネットワークのトランザクションを検証し、新しいビットコインを生成するために作業が行われたことを証明するものです。これは、コンセンサスメカニズムであり、コンピューティングパワーを使用してトランザクションを検証し、ビットコインのブロックチェーンに追加するアルゴリズムです。このようなメカニズムにより、ビットコインネットワークは信頼され、分散化された状態を保つことができます。

PoWは、分散コンピュータシステムが様々な理由で失敗する可能性があるビザンチン将軍問題を解決します。これは、悪意のある性質だけでなく、ソフトウェアの欠陥、ハードウェアの故障、または悪意のある行為者による組織的な攻撃などが原因で分散コンピュータシステムが失敗する可能性がある問題です。これらはすべて、分散ネットワークでのノード間の合意に対して障害となる困難です。

ビザンチン将軍問題は、合意に達することがより困難な分散システムにのみ共通の問題です。

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ビットコインは、真実がタイムスタンプされる前に、お互いを信頼する必要がない安全な方法で通信および価値の転送を提供することにより、ビザンチン将軍問題を解決します。1つのノードがトランザクションを記録すると、そのコピーがネットワーク内のすべての他のノードに伝播します。PoWは、この目的を達成するために作成されました。

Proof of Workの重要性は何ですか？

Proof of workは、しばしば誤解されたり過小評価されたりします。多くの人々は、それを貧弱なシステム設計上の無駄な努力と見なし、他のデジタル台帳に取引を即座に入力できると主張します。これがなぜproof of workが必要であり、台帳のセキュリティを確保し、一方の当事者がそれを危険にさらすことを防ぐ方法であるかを説明します。しかしながら、この努力は無駄ではありません。なぜなら、それがネットワークを現行の通貨システムとそのさまざまな欠陥の代替手段にするための力を与えるからです。

Proof of workの重要性は、ビットコインを生成し、その信頼性を保護するための具体的な費用として機能する点にあります。ビットコインネットワークを破壊するために51%攻撃を実行し、偽のコインを作成したり不正なビットコインの取引を行ったりすることは非常に高価です。いかなる主体がビットコインネットワークを危険にさらそうとする場合、ネットワークの連続的なPoWに追いつく速さですべての前のPoWをやり直さなければなりません。そのため、ビットコインには変更できない費用がかかる特性があり、確認済みのトランザクションを変更することはほぼ不可能です。

PoWシステムの安定性を維持するために、中本哲史は新しいブロックを発見する難易度を10分ごとに調整するというシンプルかつ優れた解決策を実装しました。これにより、より多くのマイナーがネットワークに参加した場合に新しいブロックの発見が速すぎることを防ぎます。また、マイニングプロセスが遅くなりすぎないようにもします。

Proof of WorkとProof of Stakeの比較

PoWは、ビットコインのセキュリティを確保するためにエネルギーを消費することで、誰もが同じ固定されたルールに従うように強制することで、エネルギーを効果的に利用しています。

2つのコンセンサスメカニズムのセキュリティの違いは非常に重要です。Proof of workは、ビットコインが世界で最も安全なネットワークであることを確保するためにエネルギーを消費する必要がありますが、Proof of Stake（PoS）は悪意のあるエンティティからの干渉の可能性を解決しません。代わりに、PoSはスケーラビリティを犠牲にしてセキュリティを犠牲にしたより高速なブロックチェーンですが、信頼できません。ビットコインのProof of Workのコンセンサスメカニズムは高価であり、参加者が真実の情報のみを公開するように動機づけます。

Proof of stakeは、ほとんどのオルトコイン、デジタルペニーストック、およびビットコインの代替としてマーケティングされる他のポンジスキームのコンセンサスメカニズムです。そのコンセンサスメカニズムは、「ステーキング」と呼ばれる方法で機能し、投資家が選択したプロトコルのトークンをシステムにロックして、そのトークンを使用できなくします。ただし、ステーキングされたトークンの数が多いほど、トランザクションのブロックを検証する確率が高くなります。

ほとんどのオルトコイントークンが公開される前にインサイダーや開発者に発行されることを考慮すると、ポジトブステークネットワークの分散化の設計がいかにまずいかがわかります。

2つのメカニズムの主な違いは次のとおりです：

Proof of Work

• ネットワークのマイナーによって検証される
• 競争的な性質であり、新しいブロックを発見する確率を決定するために多くのエネルギーと計算能力を使用する
• Proof of workは実世界における物理的なコストを生産に要するため、ネットワークを攻撃から守ります
• Proof of workには経済的および環境的な利点があります

Proof Of Stake（証拠のステーク）

• 検証は参加者がトークンを担保として提供することで行われます
• エネルギーの使用量は少ないですが、ステークの量またはコインの数が新しいブロックを検証する確率を決定します
• 証拠のステークは実世界の生産コストがないため、ネットワークは攻撃に対して脆弱です
• 証拠のステークには環境的な利点はありません

証拠のステークでは、51%のステークを獲得し、その後プロトコルのルールを自分の利益に変更することは容易であり、ネットワークへの参加や活動の検閲（含まれないことによる個人やエンティティのトランザクションの拒否）も比較的簡単です。

Proof Of Workの仕組み

Proof of Workは以前は中央処理装置（CPU）やグラフィック処理装置（GPU）を使用して達成できました。しかし、必要な電力量が膨大なため、現在はマイナーが操作する専用コンピュータであるASIC（Application-Specific Integrated Circuit）を使用することしかできません。これらはトランザクションデータ、前のブロックヘッダーの情報、およびハッシュ関数の結果を推測するためのノンス（ランダムな数値）を入力するために使用されます。

ハッシュ関数は数学的な関数です。Bitcoinでは、SHA-256がハッシュ関数アルゴリズムとして使用され、入力データ（1と0で表現できるもの）を出力に変換し、64文字の文字列を生成します。この文字列は入力データと完全に関連付けられ、一意です。

その仕組みから、公開された入力から結果の出力を推測することは高価なASICによる高速な推測以外では不可能です。

一方、マイナーは自分の作業を最適化したいと考えています。利益を上げるためには、デバイスが最も安価で信頼性の高いエネルギー源を使用しながら、1秒あたりに生成できるハッシュ（または推測）の数を増やさなければなりません。

Bitcoinの難易度調整はマイニングをより競争力のある産業にしています。単純に言えば、Proof of Workは10分ごとに賞品が抽選される宝くじの購入に似ています。購入するチケットの数が多ければ多いほど、宝くじに当選する統計的な可能性が高くなります。ASICの場合、Bitmain Antminer S19j Proは104TH/sで動作し、つまり1秒あたり104兆回の推測（チケット）を行うことができます。

競争が激化したため、個人や単独のマイナーがビットコインをマイニングすることは2012年以降、ASICが必要になったため困難になりました。しかし、彼らはマイニングプールに参加して報酬を得る可能性を高めることができますが、その場合、資金はプールのメンバー間で分割されます。

利点と欠点

Proof of WorkはBitcoinを安全で変更不可能かつ常に分散化した状態に保つために必要です。以下にBitcoinのコンセンサスメカニズムの主な利点と欠点を示します。

利点

• 分散化、つまり技術の真の突破口
• 分散化の結果としての検閲耐性
• 変更不可能性、ブロックチェーンはほぼ逆転不可能です
• 堅牢なプロトコルルールと物理法則に基づく公正かつ客観的なシステムです
• 高いセキュリティレベル：PoWは経済的なインセンティブを提供し、マイナーがネットワークを保護する動機を与えます
• 炭素およびメタンの回収：Bitcoinは無駄になっているエネルギーを利用してコインを発行し、トランザクションを検証します
• エネルギーの貨幣化により、PoWは再生可能エネルギーネットワークの導入を加速し、既存の電力網の負荷分散を改善して効率と安全性を向上させます

欠点

• 取引速度が遅い
• マイニング費用（運用費および設備費）が非常に高いですが、Proof of Workには必要です
• PoWは多くのエネルギーを消費しますが、これは再生可能エネルギーや無駄なエネルギーの利用においてイノベーションを促すことが証明されています

Proof of Workの批判

Bitcoinのエネルギー消費に対する批判は一般的です。Bitcoinはネットワークを保護するために多大なエネルギーを必要とするため、Proof of Workは既存の法定通貨金融システムにより利益を得る人々にとって容易な攻撃手段です。

しかし、広く言われている話は、実際にはBitcoinがクリーンエネルギーを生成する技術の革新と無駄なエネルギーの利用を推進していることを認識していません。

どのようにしてかというと、Bitcoinマイナーは利益を上げるために最も費用対効果の高いエネルギー源を見つける必要があります。その結果、Bitcoinマイニング用の手頃な価格のエネルギーは、化石燃料に頼るのではなく、再生可能エネルギーや無駄になっている「ストランドド」エネルギー源から供給されるようになっています。

再生可能エネルギー

再生可能エネルギー（主に風力と太陽光）は、最も安価なエネルギー源の一つであり、ビットコインマイナーはその革新を助成することで、誰もが利益を得ることができるようになります。

多くの人は、エネルギー消費が二酸化炭素排出を直接生み出すのではないと勘違いしていますが、そのエネルギーの源こそが問題です。二酸化炭素排出に与える影響は、エネルギーの生産に由来します。

無駄なエネルギー

廃棄される天然ガスは、無駄なエネルギーの一例です。遠隔地から天然ガスを輸送する高いコストを回避するために、生産する石油会社は、ガスを大気中に放出するか、文字通り「フレア」して環境への影響を抑えることが推奨されています。ただし、安全にフレアすることにもコストがかかります。もしガス採掘業者がガス発電機を使用してビットコインマイナーを稼働させることができれば、その無駄なエネルギーは良い使われ方に変わり、ビットコインが生み出されます！

閉じ込められたエネルギー

ビットコインマイニングは世界中のどこにでも設置することができるため、人口密集地域からは遠すぎる場所にある「閉じ込められた」エネルギーにますます魅力を感じています。例えば、海流や砂漠の太陽光などです。また、堆肥ガスもそのような選択肢の一つであり、信頼性のあるエネルギーを生み出すものの、しばしば送電網に接続されていません。

よくある質問

ブロックの採掘難易度はどのように決定されますか？

ネットワーク上で採掘されるハッシュの数に応じて、ハッシュ関数の複雑さが適宜増減されます。これにより、世界中のマイナーが平均して新しいブロックを見つけるのに約10分かかるように調整されます。

ブルートフォースは、プルーフオブワーク問題を解決できますか？

プルーフオブワーク問題を解決する唯一の方法は、ブルートフォースを用いることです。ブルートフォースは、与えられた問題に対して満足できる解を見つける前に、可能な解のすべてを探索する一般的な問題解決技法およびアルゴリズムのパラダイムです。

ビットコインがすべて採掘された後、プルーフオブワークはどうなりますか？

ビットコインがすべて採掘された後も、トランザクションの検証にはプルーフオブワークが必要とされ、そのためにマイナーは手数料を受け取ります。

プルーフオブワークに代わる有効な代替手段はありますか？

ビットコインのような分散型、変更不可能、検閲抵抗、安全な暗号通貨を生み出すためには、プルーフオブワークに代わる安全な代替手段はありません。

もしも二人のマイナーが同時に同じブロックのプルーフオブワーク問題を解決した場合、どうなりますか？

最も長いチェーンに現れるブロックが選ばれます。つまり、使用されたハッシュの「総合的な難易度」が最も高く、作成に最も多くの計算能力が必要なブロックが選ばれます。

最後に

意図的に誤解を招く政治家や組織は、ビットコインのプルーフオブワークに対して批判し、ビットコインのエネルギー消費を非難するプロジェクトの資金を提供することで優位に立っています。その利点は、ビットコインを間違っていて人類や地球に有害だという姿を装いつつ、現行のシステムを彼らにとって有益なままに保つことです。

ビットコインは破壊的であり、人類が必要とする希望であり、完全に理解されて発見される必要があります。プルーフオブワークは、新しい通貨システムや異なる世界への移行を実現するために必要であり、それを生み出すための努力がさらに価値あるものにしています。

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