【知っておきたい】仮想通貨のマイニングで異なるコンセンサスアルゴリズムの種類とは?

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1.はじめに

仮想通貨が空前のバブルを迎えた2017年には、仮想通貨は誰もが知る言葉となり、人々は一攫千金を求めて仮想通貨を買い求めました。

しかし、2018年はじめ、取引所でのトラブルがあいつぎ、このデジタル通貨の信頼性は一気に失われ価格が暴落したのは記憶に新しいところです。
仮想通貨は架空のお金で、絵に描いた餅だと酷評され、一般の人々にとって暗号通貨は投資の対象から外されました。

仮想通貨のブームは一見去ったかのように思われましたが、ブロックチェーンの技術に着目した多くの企業が、暗号通貨をビジネスに取り入れようと動き始めています。

2019年は、まさに「仮想通貨実用化の元年」と言えるでしょう。次の仮想通貨の波を予想するためにも、このブロックチェーンの技術と情報処理の仕組みについて理解しておくことが大切です。

自動化とデータ通信

人件費が高騰する中、多くの産業に自動化の波が押し寄せています。

現在、スーパーのレジのキャッシュレス決済や、車や列車の自動走行が注目されています。

また、野球やテーマパークのチケットの価格は、ダイナミック・プライシングで変動しはじめました。これらのAI(人工頭脳)を使ったシステムのデータ送信に、ブロックチェーンの技術を利用する動きがあります。

さらには、多くの金融機関が、送金処理に仮想通貨の導入を検討し始めています。

仮想通貨のブロックチェーンの技術は、実は今ビジネスで最も必要とされている技術です。
今後、取引の自動化やデータ通信で、ブロックチェーンの技術と仮想通貨が、実社会で使われる機会が益々、増えていくことが予想されます。

ブロックチェーンとは?

レストランやショップのレジは、企業が雇った従業員の手で決済されてきました。

また、クレジットカードの決済も、カード会社のサービスに依存しています。
日本円や米ドルなどの通貨は、国家やFRBなどの銀行が管理をしています。

つまり、お金が動くときには必ず、物とお金の取引を管理し、その正しさをチェックする媒介者が必要で、承認プロセスを経て取引は完了するようになっています。
管理者の確認と承認で、全ての経済活動が管理されてきたわけです。

このような経済システムは、中央集権的な管理システムです。これに対して仮想通貨は、非中央集権的な管理システムとなります。
仮想通貨には、特定の管理者を必要としないで、取引が承認され保証される仕組みがあります。それが「分散型台帳」と呼ばれるブロックチェーンです。

2.マイニングとは?

ブロックチェーンは、ネットワーク上の複数の参加者の端末によって維持されています。

国や銀行、企業のように、一つのコアとなるサーバーに依存しないで、P2Pで管理されているのです。
P2P(peer to peer:ピアトゥピア)とは、ネットワーク上のパソコンなどの端末機を、対等な関係で相互接続し、直接データをやりとりする通信方式です。

マイニングの承認作業

仮想通貨では、P2Pで接続されたノード(パソコン端末)がデータを共有することで、中央管理者の存在を介さずに、取引を検証して承認することができます
また、ブロックチェーンでは、ある取引を改ざん(書き換え)しようとしても、過去に遡って全てを書き換えることができない(不可逆性)ため、不正行為ができない仕組みになっています。

現在、よく耳にする「マイニング」というのは、この端末所有者による、ブロックチェーン上の承認作業のことです。
仮想通貨の取引(トランザクション)を完結させるために、ネットワーク上の参加者が取引情報の検証と承認の作業をすることをマイニングと言います。

マイナーと成功報酬

ビットコインを送金したり受け取ったりする取引では、取引の正当性を承認することで新しくブロックが生成され、既存のブロックにチェーンのように情報が繋げられていきます。

このマイニング作業に成功した人は、成功報酬としてビットコインをもらいます。

このように、マイニングのためにパソコンなどの端末を提供して、承認作業に協力する人のことを「マイナー(採掘者)」と呼びます。

マイニング作業には多くのマイナーが参加しています。

最も速く承認のキーを見つけて新しいブロックの生成したマイナーだけが、マイニング報酬を得ることができるシステムになっています。

3.マイニングのコンセンサスアルゴリズムとは?

コンセンサスアルゴリズムとは、ブロックチェーン上で取引を認証する作業の合意(コンセンサス)の方法(アルゴリズム)です。

仮想通貨では、アルゴリズムという言葉がよく使われますが、アルゴリズムとは、問題を解くための計算式を定義したもので、コンピュータでプログラムを処理する方法のことです。

代表的なアルゴリズムには「PoW」と「PoS」があり、その他にも「DPoS」「PoI」「PoC」「PoB」「PoQ」「PoWT」などがあります。これらのコンセンサスアルゴリズムはそれぞれ承認方法が異なりますが、取引の認証作業で報酬を得るという点は共通しています。

PoWが仮想通貨のブロックチェーンの全ての始まりで、その問題点を解決するためにPoSなどの多くのアルゴリズムが採用されるようになりました。まず、仮想通貨の誕生とPoWの仕組みについて見てみましょう。

ビットコインとPoWの仕組み

仮想通貨の誕生は、サトシ・ナカモトという謎の人物が投稿したブロックチェーンの論文をもとに作られた「ビットコイン」にさかのぼります。

ビットコインでは、ブロックチェーン上の取引情報が正しいかをどうかを検証し、正しいと認められたデータが書き換えられないようにマイニング作業が行われます。

一度マイニング作業で承認された取引は、それ以降、不正に書き換えることができなくなり、取引情報の信頼性は保証されます。

例えば、「AさんからBさんに10ビットコインを送りました」というデータが、ブロックと呼ばれる台帳に書き込まれたとします。この台帳はオープンになっていて誰でも見ることができ、マイナー達はその情報をもとに計算作業を行います。

そして、膨大な計算をして正しい数値を見つけ出したマイナーが、台帳にデータ記入して認証し、その情報を書き込んだブロックをチェーンのように繋げていきます。

このような取引の認証作業の合意にいたるまでの方法(アルゴリズム)で、最初に採用されたのがPoWという仕組みです。

ハッシュ関数のハッシュ値とナンス値

PoWの認証方法の鍵を握るのがハッシュ関数の仕組みです。

ハッシュ関数とは、数値を入れて計算するのは簡単でも、出てきた結果からは、どんな数値を入れたのか論理的に推測できないという性質を持つ関数です。
ハッシュ関数にいろいろな値を入れ、その答えがある決められた値よりも小さくなったときに、正解とみなされます。

入れていく値のことをナンスといい、ハッシュ関数では、ナンス値を推測できないため、正解が出るまで数値をランダムに入れていくしかなく、膨大な計算量が必要となります。

ビットコインのブロックチェーンの場合、ハッシュ値は、ブロックの中に取り込まれた数値化された取引データで、256桁の値で構成されています。
これが認証計算の元となる数値で、ハッシュ関数に数値を入れて、決められた個数の0が並ぶようにします。
その数値が(ナンス値)が見つけられ、ハッシュ値の先頭に組み合わせることで認証が完了します。

そして、マイニングの成功報酬として、新しく発行されたビットコインが与えられます。

PoWのメリット

PoWのマイニングの仕組みでは、マイナーがナンス値を見つけて代入することで取引の正当性を証明できるため、中央管理者がいなくても取引を承認することができます

このマイニング作業には多くの計算が必要となり、証明する成功確率は計算量に比例するため、Proof of Work(証明するための仕事)と呼ばれています。

ブロックチェーンに書き込まれた情報は、ネットワーク上の多くの端末機(ノード)が保管しており、一部のノードに不具合が生じても他のノードに記録が残されているため、ブロックチェーンの情報が完全に失われることはありません
情報は一つのサーバーに依存することなく、高いセキュリティーで管理されています。

ブロックチェーンの台帳に記録された情報は常にオープンで、誰でも見ることができます。

取引内容をすべて公開することで、正当性が維持されています。
また、ネットワーク上のノードの立場は対等で、マイニングは民主的な承認作業です。中央管理者の権限が及ばないため、分散型台帳と呼ばれています。

一度マイニングで認証されたデータを改ざん(書き換え)しようとすれば、過去に遡ってすべてのブロックの記録を計算しなおさなければなりません。
それには膨大な計算量が必要で、ほぼ不可能な作業です。この取引内容が容易に書き換えられない不可逆性の仕組みで、ブロックチェーン上の仮想通貨の価値が保証されているのです。

つまり、PoWのメリットは、
①ハッシュ関数の計算で認証作業をするので、データの改ざんができないこと
②すべての情報がブロック上で開示されていて、公明正大であること
③承認に参加するマイナーが同等の立場の民主主義的なシステムで国家や企業といった中央管理者を必要としないこと
です。

PoWのデメリット

一見完璧に見えるPoWの認証方法ですが、多くのデメリットもあります。

①ハッシュ関数の認証作業に時間がかかり、送金遅延のスケーラビリティ(scalability)問題が起きます。
②すべての情報がブロック上で開示されているためビジネスにおける個人情報の保護ができません。
③書き換えができない不可逆性ゆえに、システムに不具合が起きても柔軟に対応することができません。

何と言っても、承認作業に膨大な量の計算が必要となり、莫大な電力を使用して費用がかるということです。

そのため、ビットコインのマイニングは、中国などの電気代の比較的安い地域で、プロ集団が専用の高性能コンピュータを使って組織的にマイニングしています。

現在では、一個人が、ビットコインのマイニングに参加して報酬を得ることはほぼ不可能です
民主的で非中央集権的であるはずのブロックチェーンの仕組みが、結局は一部の団体に独占された状態になっています。
そして電力消費面から、環境破壊の問題が懸念されています。

4.コンセンサスアルゴリズムの種類

「PoW」は、ビットコイン、ライトコイン、イーサリアムなどのアルゴリズムに採用されていますが、送金遅延などの問題を解決するために、新しい認証方法が考え出されました。

それでは、「PoS」「DPoS」「PoI」「PoC」「PoB」などのコンセンサス・アルゴリズムの特徴について見てみましょう。

PoS(プルーフ・オブ・ステーク)の特徴

PoS(Proof of Stake:プルーフ・オブ・ステーク)は、PoWの送金遅延(スケーラビリティ)などの問題を解決するために作らました。

イーサリアムは将来的に、PoWからPoSに移行するという構想を発表しています。

PoSを採用している仮想通貨には、ゲームで使用できるExperience Points(XP)などがあります。

その他にもBUZZ、PIVX、XGOX、StrongHands、San De Go等のアルトコインにも採用されているアルゴリズムです。

PoSとは?

PoSでは、マイニングにPoWのような膨大な量の計算ではなく、ステーキング(staking:鋳造)やフォージング(forging:鍛造)と呼ばれる方法がとられています。

コインの保有量や保有期間によって、定められた利率の新規発行通貨を得る仕組みです。

「保有枚数に応じて配当する確率を上げる方式」と「保有日数に応じて配当する確率を上げる方式」の2通りがあり、保有日数や枚数に応じて承認する権利が与えられ、必要な承認件数を処理します。

PoSのメリット

PoSでは、コイン保有量が多い特定の団体が連続してマイニング報酬を得ないように、一度マイニングすると、マイニング報酬の権利を得るために必要な評価値が下げられます。

これはPoWのように、特定の団体が独占的にマイニング報酬を得る問題点を解消するためです。また、PoWに比べると、認証速度が早く、電気代も安くなります。

PoSでは、PoWのように積極的にマイニングをしなくても、通貨をウォレットに入れておくだけで報酬が得らえるのが魅力です。

専用のソフトを使って特別な計算処理をする必要がなく、パソコン操作の詳しい知識のない人でも、手持ちの端末でマイニングに参加できるメリットがあります。

PoSのデメリット

PoSのマイニング報酬は、結局は、資本の大きさに依存することになり、一部の保有者の影響を受けやすくなります。基本的にはコインの保有量や保有期間でマイニングの承認権が決定されるため、コインを売る人が少なく、流動性が低いというデメリットもあります。取引所に上場していないアルトコインでは、マイニングで報酬を得ても換金できないため、投資としての価値が生まれないこともあります。

DPoS(デリゲイティッド・プルーフ・オブ・ワーク)の特徴

DPoS(Delegated Proof of Stake)を採用している有名な通貨では、日本の取引所にも上場されているLisk(リスク)や、BitShares(BTS)、イオス(EOS)、アーク(ARK)などがあります。

DのDelegatedは「委任された」という意味で、通貨所有者の投票で委任された者が承認する方式です。

仮想通貨Liskを例に、DPoSのコンセンサスアルゴリズムについてみてみましょう。

DPoSとは?

Liskでは、2016年の稼働以来DPoSを採用し、101名の代表者がネットワークを保護しています。

LSKの保有量に応じて投票権が割り当てられ、取引承認作業をする101人の代表者をVoting(ヴォーティング)により選出します。

投票で選ばれた101人の承認者は、割り当てられた順番に応じて取引の承認作業を行います

代表者は、承認作業の報酬として新規発行されるLSKを受けとり、選任してくれた者にも報酬を分配します。
この委任(delegated)された者代表して承認作業を行い、選任してくれたものに報酬を分配するこの方法をフォージング(foraging)と呼びます。

DPoSのメリット

DPoSでは、仮想通貨LSKの保有者が、自由に立候補者を選んで投票し、選ばれた者がマイニングするので、間接的で民主主義的なシステムと言えます。また、委任された者が承認されるため信頼性が高いと言えます。

あらかじめ信頼できる承認者を選ぶことで、承認に要する時間を短縮し、認証速度を10秒程度に抑えることが可能になっています。

また、LSK保有者は、PoWのようにパソコンを稼働させてマイニング計算をしなくても、代表者を選任するだけで報酬を得ることができます

DPoSのデメリット

PoSとの違いは、DPoSでは、保有している通貨が多い人ほど、投票できる投票数が多く与えられることです。ですから、故意に連係して代表者を選び、不正を行う可能があります。

また、代表者に選任されるには、コンピュータのスペックやLSKの保有量などの条件があります。
民主的とは言え実際に代表者に選ばれることは難しく、また、選ばれた者による通貨のコントロールや私物化の可能性も無いとは言い切れません。

PoI(プルーフ・オブ・インポータンス)の特徴

PoI(Proof of Importance)は、NEMに採用されているコンセンサス・アルゴリズムです。NEMではPoIによるマイニングのことをハーベスティング(harvesting:収穫)と呼んでいます。

PoIとは?

PoI(プルーフ・オブ・インポータンス)は、発行されている仮想通貨にとって、重要度(importance)が高い通貨保有者に発言権を与え、取引を認証さす仕組みです。

重要度はその通貨の「取引回数」、「取引量」、「残高」から総合的に判断されますが、通貨運営者や開発者によって判断基準が変更されることもあります。

PoIのメリット

Polでは、仮想通貨の「取引回数」、「取引量」が重視されるため、重要度をあげたい気持ちからその通貨を流動さすようになります。

そのため、PoSよりも流動性が高まり、市場でのコインの存在価値が高まっていきます。

PoIのデメリット

PoIのデメリットは、重要度が「取引回数」、「取引量」、「残高」で総合的に判断されるため、結局は、資本力のある者が有利になります。PoWのように民主主義的で非中央集権的なブロックチェーンの仕組みではありません。

PoC(プルーフ・オブ・コンセンサス)の特徴

プルーフ・オブ・コンセンサス(Proof of Consensus)とは、「合意による証明」という意味でこのアルゴリズムを採用しているコインには、リップル(XRP)やカジノコイン(CSC)があります。

PoCとは?

PoCは、企業や団体から選ばれた者が、取引合意の検証と認証作業を行う、中央集権型に最も近い認証システムです。

リップル(Ripple)社のネットワークで、P2Pに繋がっている承認者のうち、その80%以上がその取引に合意して信頼できると判断した取引が、認証される仕組みです。

全取引記録をLedger(レジャー)呼び、信頼できると判断された承認者をValidator(バリデーター)と言います。Validatorに選任されるのは、基本的には金融機関や企業です。

仮想通貨のリップル(XRP)は、送金するときの送金手数料に利用されます。

送金したい人は、ネットワーク上に通貨を預けIOUという電子手形を発行してもらい、それを送金したい相手に送ると、相手側は電子手形を現金化して取引が完了します。

IOU発行と同時に、その情報がValidatorに送信され、バリデーターの全体の8割が承認を行うと、正当性が合意に至ったとみなされて、Ledgerに記録されます。

PoCのメリット

PoC のメリットは、PoWのように、認証にハッシュ関数を使った膨大な計算を必要としないため、合意形成のプロセスに、約5~10秒しか、かかりません

そのため、ビットコインのPoWのような送金遅延のスケーラビリティ問題、莫大な電力消費による費用の発生がなく、スピーディーで安価に送金を行ういことができます。

PoCのデメリット

PoCのデメリットとしては、金融機関の同時倒産やハッキング、ウイルス感染などのリスクがあります。

また、金融機関が結託して情報操作を行い、通貨の価格をコントロールする可能性があります。

Ripple社の創始者や、認証する企業や団体の大口の株主や通貨保有者の一存で、システムが変更される可能性もあります。リップル(Ripple)は企業が管理しているため、中央集権的で一般のユーザーがマイニングを行うことはできません。

PoB(プルーフ・オブ・バーンProof of Burn)とは?

プルーフ・オブ・バーン(Proof of Burn)は、手持ちの通貨をバーンして、同じ価値の新しい通貨と交換することを意味します。

プルーフ・オブ・バーン(Proof of Burn)のbarnとは「燃やす・焼失さす」という意味で、誰も秘密鍵を知らない、外部からアクセスできないアドレスに通貨を送信して、そのコインを永久に使用できない状態にすることです。

PoBの仕組み

プルーフ・オブ・バーンで、通貨を使用不可能な状態にしたことを証明すると、バーンした金額と同額の通貨を得ることができます。

PoWのように、通貨を認証して新規通貨を発行させて報酬を得るのではなく、通貨を消滅させて、消滅させたという記録で、新しい仮想通貨を得る方法です。

PoBは、Aという仮想通貨をA+に生まれ変わらせる時、既存通貨に派生する新たな仮想通貨を開発した時に用いられる方式です。

誰も取り出す事が出来ないアドレスに既存通貨を送り、完全に使用出来なくして、流通量を減らし、通貨の価値を上げる時にも用いられます。

PoBの採用例

PoBの採用例では、独自のコインを作れるカウンター・パーティー(Counterparty:XCP)というアルトコインやQibuck、Slimcoin等のコインがあります。

カウンター・パーティー開発者が開発したシステムでは、独自コインを作りたい人に、ビットコインを送ってもらい、まずBurnして焼失させます。

そして、その消滅証明と同時に、同額のXCPを発行します。ユーザーはXCPから新しい独自通貨を作成・発行することができます。

この他にも、「PoQ」(LTBCoin (LTBC)が採用)、「PoWT」(Verium (VRM)が採用)などのコンセンサス・アルゴリズムがあります。

このように仮想通貨では、様々な方法で取引が認証され、マイニング報酬が支払われています。マイニングの方法にも、個人でするソロマイニング、集団でするグループマイニング、企業に依頼するクラウドマイニングなどがあります。

まとめ

仮想通貨は一見ブームが過ぎ去ったように思われていますが、グローバル企業や大手金融機関、国家や行政機関で、ブロックチェーンを利用した情報やマネーのやりとりの実験的プロジェクトが既に始まっています。

今後、どのようなタイミングでまた仮想通貨の値が大きく動くかが注目されています。

ビットコインの価格は高くなりすぎたため、アルトコインへの投資を考える人も増えてきています。

その際に重要なのが、その通貨の認証方法であるコンセンサス・アルゴリズムです。
コンセンサス・アルゴリズムとは、ブロックチェーン上で取引を認証する作業の「合意(コンセンサス)の方法(アルゴリズム)」です。

購入する通貨の認証方法の違いによって、マイニング報酬や通貨価値が将来的に大きく変わってくるかもしれません。
主なアルゴリズムのPoWやPoS、PoCなどの仕組みを理解することは、今後の仮想通貨の購入に大いに役立つ知識となります。実用化の可能性を見込んだ、アルトコインへの投資が今求められています。

 

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