コンセンサス アルゴリズムは、コンピュータ サイエンスで使用される手順であり、参加者は分散 ネットワークは、ネットワークの状態または単一のデータ値の状態に同意し、ネットワーク内の未知のピア間で信頼を確立します。 

コンセンサス アルゴリズムは、ブロックチェーンのメンバーがネットワーク上のトランザクションの検証、ネットワーク パラメーターの変更、新しいブロックの処理に信頼できるノードの決定、およびその他の重要な機能について合意に達するように設計されています。

この記事の技術的な性質に惑わされないでください。「コンセンサス」を見つけることはどこにでもあります。これは非常に人間的な概念ですが、自動化できるものに適用されるだけです。 

まず、中央集権型システムでは、コンセンサスタスクは中央機関によって実行されます。 

ビットコインのような分散型システムでは、数百、数千、さらには数十万のマイナーまたはノードで構成されるネットワークがあり、それらが参加して XNUMX つまたは複数のタスクを実行し、信頼性が高く効率的なエコシステムを提供します。

この例で分散型コンセンサスについて考えてみましょう。あなたが XNUMX 人の友人のグループに属していて、メンバーの XNUMX 人である Alex が XNUMX 人目の Bob を紹介したとします。 ボブが去るとき、グループはおそらくボブについて話し始め（これがプロトコルです）、ボブが好きかどうかを確認します（結果は「コンセンサス」になります） 

ホセ: 「ボブはクールな男のようですね。」

ケビン：「うん、クールな奴だ。 どうやって彼に会ったの？」

アレックス：「彼は大学時代に金融の授業を受けていました。 私たちは暗号取引のヒントを共有しましたが、彼はかなり面白い人になりました。」

ケビン: 「いいけど、彼のミームはとても奇妙だった。」

ジョン: 「あなたはミーム文化を理解していないだけです.」

José: 「ええ、TikTok をスクロールするのに多くの時間を費やすことはありません。かなり面白いと思いました。」

この例では、ボブが友人グループにうまく溶け込めるかどうかについて「コンセンサス」に達しました。 多くの場合、 具体的な約束や契約がなくても、必要な意見の一致. 参加者の XNUMX 人である Kevin は、Bob をグループに入れることに消極的ですが、José、Alex、および John は Bob に好意的です。

この場合、上記の例をコンセンサス アルゴリズムに成文化すると、「彼はクールだ」が 3 で、「彼はクールだけど XYZ についてはよくわからない」が 1 であっても、「彼はクールだ」という結果になります。 過半数が勝つので、ボブはケビンの意見にもかかわらず、クールな子供たちと遊ぶことができます. 

たとえば、ビットコインは、新しいトランザクションが有効 (「クール」) であるかどうかについてコンセンサスを見つけるように構築されています。 

ここでは、パブリックおよびプライベート ネットワーク全体で最も人気のある (そしてあまり人気がない) タイプのブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムを確認します。

実績とは何ですか？

プルーフ オブ ワーク (PoW) は、サトシ ナカモトによって 2009 年にビットコインが作成されたときに使用された、最も人気があり、最も古いコンセンサス アルゴリズムです。 PoW システムは、ネットワーク ノードと呼ばれるマイナーのグローバル ネットワークで構成され、数学的パズルを解くために競います。 パズルをうまく解いたマイナーは、ブロックチェーンに新しいブロックを追加する権利を獲得し、新しく作成された暗号通貨で支払われる報酬を受け取ります。 

プルーフ オブ ワークは基本的に、ネットワーク コンセンサスを達成し、各ブロックの信頼性を検証するための計算能力を提供したという証拠をマイナーが示す方法です。 さらに、各ブロック（トランザクション）が順番に並べられるため、二重支出のリスクがなくなります。

これまでのところ、PoW は暗号通貨ブロックチェーンの最も安全なコンセンサス メカニズムです。 ネットワークを変更するには、攻撃者がチェーン内の既存のすべてのブロックを再マイニングする必要があります。 ブロックチェーンが成長すればするほど、膨大なエネルギー消費と高価な機器が必要になるため、ネットワークのコンピューティング パワーを独占することが難しくなります。

マイナーがパズルを解くと、 使節 (number used once の略) ネットワークの難易度によって設定された値以下の値を持つハッシュを生成します。 

ナンスは、マイナーが SHA-256 ハッシュ関数でハッシュされたブロック ヘッダーを作成できるようにするため、PoW システムの中心的な部分です。これは、ブロックの参照番号をチェーンに入れることを意味します。 ブロック ヘッダーには、タイムスタンプと前のブロックのハッシュも含まれます。

PoWの短所

マイナーは、パズルを解くためにかなりの計算能力を提供する必要があります。 しかし計算が複雑なため、単一の S9 Antminer が消費するエネルギー量は通常、1400 TH/s のハッシュレートで 1500 時間あたり 14.5 ～ 19 ワットです。 より強力なバージョンである S3250 は、110 TH/s のハッシュレートで XNUMX 時間あたり XNUMX ワットを消費します。 

数学を使えば、データセンターやマイニング会社が XNUMX か所で毎日数百または数千のマイニング リグを使用して消費するエネルギー量を計算できます。 高いエネルギー消費と環境破壊は、プルーフ オブ ワークから引き出された主な批判です。 

これを概観すると、イーサリアムがプルーフ オブ ステークに切り替わる前、世界中のイーサリアム マイナーはチェコ共和国と同じ約 10 TWh/年を消費していました。

大きな騒音は、80 dBa 以上の人間の聴覚レベルにも悪影響を及ぼします。 これが、マイニング リグが通常、地下室またはマイニング施設に保管され、日常の活動の妨げにならないようにする理由です。

プルーフオブステークとは何ですか？

プルーフ オブ ステーク (PoS) は、XNUMX 番目に人気のあるコンセンサス アルゴリズムです。 マイナーの代わりに、PoS ブロックチェーンには、計算能力ではなく、ネットワークへのコミットメントの証拠としてコイン/トークンを使用するネットワーク バリデーターがあります。 

ステーキングとは、ブロックチェーン プラットフォームで暗号資産を一定期間「ロック」することを意味し、その見返りとして、より多くの暗号通貨がユーザーに与えられます。 

PoW と PoS: 主な違い

PoS では、ユーザーは受動的収入を生み出すことのみを目的として、資産の一部を賭けることができます。 もう XNUMX つのオプションは、バリデーターになることです。 PoW システムとは異なり、バリデーターはアルゴリズムによってランダムに選択されるため、新しいブロックを作成するために競合しません。 ユーザーがステークするコイン/トークンが多いほど、バリデーターになり、ブロックチェーンに新しいブロックを作成する可能性が高くなります。 

PoW システムでは、新しいブロックを生成する時間はマイニングの難易度によって決まります。 ネットワークに参加する参加者が増えるほど、ハッシュパワー、つまり新しいブロックをマイニングするために必要な計算パワーが大きくなります。 対照的に、PoS ブロックチェーンでは、スロット (ブロックを作成するのにかかる時間) と、スロットで構成される時間の単位であるエポックに分割された固定ブロック生成時間があります。 

これをよりよく説明すると、イーサリアムのスロットは 12 秒で構成されます。これは、ネットワークがブロックを作成するのにかかる時間であり、32 スロットでエポックが作成されます。 したがって、6.4 エポックは XNUMX 分です。 PoS ブロックチェーンの各スロットには、提案されているブロックの有効性について投票する所定の数のバリデーターがあります。 ブロックが有効な場合、チェーンに追加され、ブロック提案者と認証者は ETH で報酬を受け取ります。

PoS ブロックチェーンは、51% スタイルの攻撃でネットワークを攻撃した悪意のあるアクターを罰します。これはスラッシングと呼ばれ、正直なバリデータが悪意のあるバリデータをネットワークから追い出し、残高を使い果たします。 これにより、必要な賭け金の数がかなり多いため、悪意のあるアクターがネットワークを攻撃するのを思いとどまらせることができます。 イーサリアムの場合、32 ETH。

PoS の長所:

• PoW に比べてエネルギー消費が少ない
• PoW よりもレイヤー 2 ソリューションでの作業に適しています
• ブロックが通過する前にコンセンサスが確立されるため、より高いスループットを実現できます。
• 新しいブロックを作成するためにエリート ハードウェアを必要としないため、PoW ブロックチェーンよりも安価です。

PoSの短所

• 多数のステークトークンを持つバリデーターがネットワークに影響を与える可能性がある場合、PoS システムは依然として集中化の対象となります。 
• PoW ブロックチェーンと比較して、セキュリティの面で証明されていません。

歴史の証明とは何ですか？

Proof of History (PoH) は、Solana ブロックチェーンによって提示されるコンセンサス アルゴリズムであり、ネットワーク上のすべてのイベントにタイムスタンプを配置して、特定の時間に発生したことを証明します。 PoH は、トランザクションを順番に確認する暗号時計と言えます。 

Solana は PoH アプローチと PoS を組み合わせています。 したがって、ネットワーク参加者は SOL をステークしてバリデーターになり、新しいブロックを処理する必要があり、PoH メカニズムはリアルタイムで行われているこれらのトランザクションの有効性を検証します。 つまり、PoH はセキュリティを維持し、PoS はタイムスタンプを検証してトランザクションを確認できるバリデーターのネットワークをもたらします。

ただし、Solana は分散化を犠牲にして超高速のトランザクション スループットを提供します。 ブロックチェーンは半集中型のアーキテクチャに依存しており、単一のノードがリーダーとして選出され、単一の時間ソース、つまり PoH クロックの実装を担当し、他のすべてのノードはそれに応じて時間のシーケンスに従う必要があります。 リーダーは PoS 選挙によって定期的に選出されます。

Solana は業界で最速のブロックチェーンの 2020 つですが、定期的にダウンタイムに悩まされています。 2022 年の開始以来、ネットワークは約 XNUMX 回のダウンタイムを経験しており、そのうち XNUMX 回は XNUMX 年に発生しました。これらの停止の主な理由は、「ノードの構成ミス」です。

Delegated Proof of Stake とは何ですか?

ステークの委任証拠 (DPoS) は、コミュニティが中心的な役割を果たす PoS コンセプトのバリエーションです。

DPoS ブロックチェーンでは、コミュニティ メンバーは仮想通貨を賭けて、次のブロック生成の証人または代理人に投票します。 これを行うには、ユーザーは自分のトークンをブロックチェーンのステーキング プールにプールし、その資金を指定されたデリゲートにリンクする必要があります。 

DPoS は、2015 年に BitShares にアルゴリズムを実装した元 EOS CTO の Dan Larimer によって開発されました。Larimer と他の DPoS 支持者は、次のバリデーターを選択するのはコミュニティであるため、DPoS は民主的な範囲を広げると述べています。 現在、TRON や Cardano などのブロックチェーンは DPoS を使用しています。 

ただし、DPoS に対する批判は、その方法論が裕福なユーザーに有利であるということです。 多数のトークンを持つものは、ネットワークでより大きな影響力を持つことができます. Vitalik Buterin は、最初の DPoS 批判者の XNUMX 人であり、 ブログ投稿 このコンセンサスアルゴリズムは、目撃者にカルテルを形成し、支持のために有権者に賄賂を贈る動機を与えます.

権限の証明とは何ですか?

Proof of Authority (PoA) は、許可されたメンバーのみがブロックチェーンとやり取りしたり、トランザクションを実行したり、ネットワーク パラメーターの変更を行ったり提案したり、トランザクション履歴を確認したりできるコンセンサス アルゴリズムです。 

この用語は、 ギャビンウッド、共同設立したブロックチェーン開発者 Ethereum, ポルカドット、クサマネットワーク。

PoA ブロックチェーンでは、 すべては評判に関するものです。ネットワーク参加者は、コインではなく自分の身元を賭けています。 限られた数のバリデータのみに依存するため、より高いレベルのスケーラビリティとスループットが提供されます。 これは非常に集中化されたモデルだと思うかもしれませんが、PoA ブロックチェーンは通常プライベートであり、ブロックチェーン技術を使用してビジネスや運用システムを強化する企業や組織により適しています。 

経過時間の証明とは

Proof of Elapsed Time (PoET) は、プライベート ブロックチェーンで最適に機能するもう XNUMX つのコンセンサス アルゴリズムです。

PoET アルゴリズムは、インテルのソフトウェア開発者によって最初に提示され、実装されました。 ハイパーレッジャーのこぎり歯、プライベートブロックチェーンと機関を対象としています。

このアルゴリズムは、適切に定義されていないため、他のブロックチェーンほど普及していない可能性があります。 しかし、アイデアは、プライベートブロックチェーンが次のブロックプロデューサーを選択できるようにする、既製のナカモトスタイルのエンジンを提示することでした. そして、それらはどのように異なりますか？ さて、アルゴリズムは各ネットワークノードに対して「ランダムな待機時間」を生成し、その間ノードは「眠る」 待機期間が最も短いノードが最初にウェイクアップし、チェーン内のブロックを生成する権利を獲得します。 

したがって、主な違いは、PoET のマイナーは 24 時間年中無休で稼働しておらず、エネルギー消費が少ないことです。 さらに、PoW ネットワークでは、マイナーは次のブロック ヘッダーをハッシュするために競合しますが、PoET では、よりランダムな選択システムです。

コンセンサスアルゴリズムに関するよくある質問: 

Ethereum は PoS に移行した今、より高速になりますか?

よくある誤解は、Ethereum が PoS ベースのブロックチェーンであるため、自動的にスケーリングされるというものです。 ただし、この移行は、次の方法でイーサリアムを強化するために行われました。

• エネルギー消費の削減
• ハードウェア要件を排除することで参入障壁を下げる
• ノードの不正行為に対する経済的ペナルティを許容する
• トークン発行の新しいモデルの導入 
• そして、イーサリアム レイヤー 2 ソリューションと連携するためのより優れたインフラストラクチャです。

無許可ブロックチェーンと許可ブロックチェーンとは?: 

パーミッションレス ブロックチェーンとは、誰もがトランザクションを作成し、トランザクション履歴を確認し、コインを賭け、バリデーターになることができるパブリック ブロックチェーンを指します。トランザクション、ネットワーク ノードとの対話、オンチェーン アクティビティの追跡など。

PoW は最も安全なコンセンサス アルゴリズムですか? PoW にはかなりの欠点がありますが、これまでのところ、ネットワークのコンセンサスとセキュリティをブロックチェーンで維持するための最も実績があり、信頼できる方法です。

最終的な考え

ブロックチェーンは、銀行や金融だけでなく、さまざまな業界の多くの課題や問題点を解決できるテクノロジーです。 しかし、彼らにはそれぞれの挫折があります。 そのため、開発者は常に、集中化、スケーラビリティの欠如、低スループットなどの一般的な問題に対処するために、複数のタイプとバージョンのコンセンサス アルゴリズムを作成してきました。 

しかし、ブロックチェーンのトリレンマという XNUMX つの課題があるため、ブロックチェーン アルゴリズムの未来について語ることは困難です。 Vitalik Buterin によって最初に概説されたもので、分散化、セキュリティ、およびスケーラビリティの XNUMX つの利点のうちの XNUMX つを提供する上で、ブロックチェーン ネットワークは不可能であると述べています。 のようないくつかのブロックチェーン プラットフォームがあります。 FANTOM & サンルーム、ブロックチェーンのトリレンマを解決するために、コンセンサスアルゴリズムの独自のハイブリッドバージョンを実装しましたが、これまでのところ実際に成功したものはありません. 

ブロックチェーンの特性を強化するために他の技術的アプローチが行われており、最も人気のあるものの 2 つはレイヤー 1 に接続されたチェーンであるレイヤー XNUMX です。多くの小規模なネットワーク。 ブテリン 考える 完全なブロックチェーンの XNUMX つの特性を提供するための最良のアプローチとしてのシャーディング。