コンセンサスアルゴリズム：ステークの証明と仕事の証明

ブロックチェーンは、数千人の参加者をホストできる分散システムです。 従来の分散データベースとは異なり、ブロックチェーンにはネットワークノードを構成する中央管理者がほとんどいないため、ブロックチェーンアーキテクチャは単に分散されているのではなく、 分散化されています。 これに関して、ブロックチェーンにとって、分散コンセンサスのタスクは緊急です：

「ネットワーク上のメッセージを処理するための一般的な規則のみに従って、任意のノードが「落下」またはハングする場合、ネットワークノードは分散ネットワークのブロックチェーントランザクションログで同じ視点をどのように達成できますか？」

本日の記事では、ブロックチェーンに関するコンセンサスに達する方法について説明します。

/画像jgbarah CC

ブロックチェーンネットワークの構造とノード

ブロックチェーンネットワークでは、トランザクションとブロック（トランザクションのリスト）の2つの主要なメッセージが送信されます。 トランザクションはシステムの参加者によって形成され、それらのコンセンサスアルゴリズムは適用されません。たとえば、ビットコインの送信を開始するには、合意は必要ありません。正しいキーを知るだけで十分です。 ブロックはまったく別の問題です。 これらはコンセンサスアルゴリズムの主な製品であり、トランザクションがトランザクションログに含まれる順序を決定します。

なぜこれらの困難が必要なのですか？ ネットワークノード間の調整がなければ、 二重の支出が可能になることがわかりました。 Eveに1ビットコインがあるとします。 彼女は、このビットコインがアリスとボブに行く2つのトランザクションを形成できます。 アリスとボブが取引履歴に同意しない場合、取引はEvaの電子署名によって署名されるため、両者はEvaの支払いを受け入れます。取引が完了する前に、Evaは本当にこのビットコインを持っていました。 したがって、ネットワーク参加者はトランザクションログを調整する必要があります。 その後、Eveのトランザクションの1つだけが正常に実行され、2番目のトランザクションは不正確になります-Evaの資金はすでに使用されています。

ジャーナル内のトランザクションを個別に含めて、ブロックなしで行うことは可能ですか？ 理論上、はい、しかし実際には、ブロックはネットワークノードのトラフィックとコンピューティングリソースを節約します。 さらに、特定のコンセンサスアルゴリズムのコンテキストで他の利点があります。ブロックが頻繁に行われると、ブロックチェーンの動作が不安定になることがわかります。

ブロックは、ブロックチェーンネットワークノードの特別なカテゴリ、いわゆるコンセンサスノードによって作成されます。 ビットコインや他の暗号通貨の場合、これらのノードは暗号通貨の新しい部分を生成することで作業（マイニング）に対して報酬が与えられるため、マイナーと呼ばれます。 鉱夫はブロックチェーンの形成に積極的に関与しており、着信トランザクションを常にブロックにグループ化し、ネットワーク上でそれらを配布しています。

2番目のタイプは監査ノードです。 彼らはコンセンサスプロセスには参加しませんが、ブロックチェーンの完全なコピーを持っています。 「監査人」は、マイナーの作業を定期的にチェックし、ネットワーク全体に負荷を分散し、ブロックチェーンデータの一種のコンテンツ配信ネットワーク（CDN）の機能を実行します。

3番目のタイプのノードはライトクライアントです。 ブロックチェーンのフルバージョンがなく、ノードにとって重要なデータのみが含まれているため、ライトと呼ばれます。 このため、これらは暗号通貨ウォレットを整理するための良いオプションです-このようなクライアントはネットワークの全体像を提供しませんが、ユーザーのバランスを効果的に追跡できます。 ライトクライアントは、必要なコンピューティングリソースとメモリが少ないため、モバイルプラットフォームで動作できます。

/ブロックチェーンネットワーク内のノードの役割。 コンセンサスノードとエンドカスタマーは互いに隔離することができます

ビットコインブロックチェーンは、最大のブロックチェーンの1つです。 bitnodes Webサイトによると 、2017年4月8日に、ブロックチェーンの完全なコピーを持つ7025ノードがビットコインネットワーク上で観察されました。 それらのほとんどは監査ノードです。 ネットワークにはそれほど生産的な鉱夫はいません-数十人です。 ノードの数は、ビットコインネットワークの参加者の数（そのうち1,300万人以上）の数倍少ないことに注意してください。 これは、ユーザーがトランザクションを送信するためにブロックチェーンのローカルコピーを保存する必要がないために発生します。トランザクションの署名に使用する秘密キーを保存するだけで十分です。

コンセンサス

分散コンセンサスタスクはブロックチェーンに固有のものではなく、他の多くの分散システム（NoSQLデータベースなど）で実証済みのソリューションを備えています。 ノードが「悪い方法で」振る舞うことができるコンセンサスの問題でさえ、ビザンチンのコンセンサスのタスクは、前世紀の80年代に最初に定式化され、それを解決する方法は 90年代後半に現れました。

しかし、ビットコインと他のブロックチェーンは、ネットワークの動作条件における以前の開発とは異なります。 従来のビザンチンのコンセンサスアルゴリズムでは、ネットワークノードはデジタル署名または同様の暗号プリミティブで表現される「パーソナリティ」を持ち、ノードのリスト自体は事前に知られているか、めったにではないが予測可能に変更されます。 ビットコインのブロックチェーンでは、逆のことが当てはまります。

ネットワーク参加者は事前に不明であるだけでなく、ネットワークに自由に接続または切断できます。 同時に、分散システムであるブロックチェーンには特定の特性があります：検閲抵抗（誰も暗号通貨マイニングを禁止することはできません）および客観性（特定の信頼できるソースを信頼することは、トランザクションログの現在のバージョンを決定するために信頼を必要としません- 信頼の根はブロックチェーン自体にあります）。

このため、通常のビザンチンコンセンサスアルゴリズムはブロックチェーンには適していません。 したがって、多くの異なるアルゴリズムが提案されましたが、その中には2つの主なカテゴリーがあります。仕事の証明（work-of-work）に基づくアルゴリズムとステークの証明に基づくアルゴリズムです。

仕事の証明-PoW

仕事の証明は、90年代前半のビットコインよりもずっと前に「発明」され、別のコンテキストで使用されていました：スパムから保護するため。 たとえば、英国の暗号学者Adam Backが、Proof of Work （ Hashcash ）の1つのバージョンを提案しました。彼は現在、最大のブロックチェーンスタートアップの 1人のCEOです。

仕事の証明の場合、特別なフィールド（ nonce ）と組み合わされたメッセージハッシュは、特定の値よりも小さくなければなりません（または、特定の数のゼロビットで始まる）。 Nonceはメッセージ自体には意味がありません-このフィールドは、適切な値が見つかるまで証明の作成者によってスキャンされます。 「作業の証明」という名前は、ナンスを見つけるために計算作業を行わなければならないという事実を反映しており、その予想される量は測定可能です。 たとえば、ハッシュの最初の16ビットをゼロにする場合、平均で65,536回のノンス値を反復処理する必要があります。

Python プログラムでこれを説明できます：

import itertools from hashlib import sha256 #     little-endian  to_long = lambda x: sum(ord(b) << (8*i) for i, b in enumerate(x)) #  nonce     . combine = lambda nonce, msg: str(nonce) + ":" + msg #    def verify_pow(msg, nonce, difficulty): h = sha256(combine(nonce, msg)).digest() #    difficulty   ? return to_long(h) % (1 << difficulty) == 0 #      def create_pow(msg, difficulty): for nonce in itertools.count(0): if verify_pow(msg, nonce, difficulty): return nonce msg = "blockchain" nonce = create_pow(msg, 16) combine(nonce, msg), sha256(combine(nonce, msg)).hexdigest() #43952:blockchain 000027b5022f88d2da21bd2802268966050f5a0b031058ce4562939c13727303 

予想される作業量を明確にすることが重要です。 理論的には、運が良ければ、適切なナンスはすぐに見つかります。 メッセージ「Bl0Ckchain」で上記のプログラムを実行すると、nonce値は6571であり、予想よりも10倍少ないことがわかります。 したがって、作業の証明を見ると、それに費やされたリソースしか推定できませんが、証明の複雑さ（つまり、実行される予想される作業量）については、この推定は非常に正確です。

仕事の証明はデジタル署名に似ています-同じノンスが異なるメッセージに適している可能性は非常に小さいため、メッセージの整合性が保証されます。 証拠も簡単に確認できます-1回のハッシュ操作で十分です。 署名とは異なり、作業証明を作成するには秘密の知識は必要ありませんが、より多くのコンピューティングリソースを「消費」します。 たとえば、上記のプログラムでは、32ビットブロックチェーンメッセージの仕事の証明を作成するには、通常のパーソナルコンピューターで数時間の計算が必要ですが、この証明はほぼ瞬時に検証されます。

 sha256("5263268363:blockchain") = 000000007cf39dfc8fccae534b39b5f362c16891abca02d0e7b1dbd5a129ee17 

PoWとコンセンサス

合意にPoWを使用することは、おそらく元のBitcoin記事の最大の革新です。 対応するコンセンサスアルゴリズムは、完全に学術的な名前-ナカモトコンセンサスを受けました。 Satoshi（記事の著者）は、作成された各ブロックに作業の証拠を「署名」することを提案しました。その複雑さは、ビットコインネットワークの全体的な計算の複雑さに依存します。 このアプローチにはいくつかの利点があります。

• 中本コンセンサスは、匿名ネットワークの主な惨事であるシビル攻撃を解決します。 シビル攻撃では、攻撃者が多数の偽ノードを作成し、その結果得られる多数の正直なユーザーの大部分を「押しつぶします」。 ナカモトのコンセンサスに意見を述べるには、偽造することができず、追加の認証を必要としない真のコンピューティングパワーが必要です。それ自体がノードを実世界に結び付けます。
• 証拠を偽造して他のブロックに「転送」することはできません。 したがって、鉱夫はお互いから証拠を盗むことはできません。
• さらに、将来の使用に備えてエビデンスを準備することはできません。各ブロックには前のブロックへのリンクが含まれているため、前のブロックがネットワークに表示された後にのみプルーフの作業を開始できます。
• 仕事の証拠は誠実さを保証します-各鉱夫の報酬はその処理能力（ハッシュレート）に比例します。 マイナーがネットワーク全体から10％のハッシュを取得している場合、平均10％のブロックを作成し、10％の報酬を受け取ります。
• 証拠の作成に実際のリソースが費やされているため（ビットコインの場合は1分間に数千ドルで測定されます）、鉱夫はプロトコルに基づいて行動するまったく新しいインセンティブを持っています-不正行為はすぐに彼らに本当のお金を奪います。

仕事の証拠は、システムの状態を判断するためにビットコインノードによって使用されます。 現在のトランザクションログは、作業の証拠が最も複雑であるブロックのチェーンとして定義されます。 鉱夫はそれぞれ、このチェーンの上にあるブロックを探す必要があります 。 しかし、理論的には、古いブロックに基づいて新しいブロックを作成することを禁止する人はいません（2人のマイナーがほぼ同時に新しいブロックを見つけるため、分割- フォーク -ブロックチェーンが発生することがあります）。 ただし、ブロックチェーンのサイドブランチからのブロックは誰にも考慮されず、作成者に利益をもたらさないため、意図的なフォークは経済的に利益がありません-仕事の証明を見つけるための唯一のコスト。

中本コンセンサスは、以前に特定した2つの重要なブロックチェーン要件を提供します。 仕事の証明が鉱夫の身元に結び付けられていないという事実により（デジタル署名/証明書とは異なり）、検閲が保証されます。 そして、作業の証拠が迅速に検証され、検証にブロックチェーン以外のものを必要としないという事実により、客観的なプロトコルが達成されます。

ナカモトのコンセンサスはブロックチェーンネットワークへの攻撃に耐性があり、そのセキュリティは非常に理論的に研究されています（ブロックチェーンの新しい提案とは異なります）。 元の記事は、マイナーの半数が悪意のある活動を開始したとしても、ビットコインネットワークは引き続き適切に機能することを指摘しています。 マイナーに悪意のある多数派が出現した場合（いわゆる51％攻撃）、他のすべてのマイナーからのブロックを無視して、ネットワーク上で報酬全体を収集したり、たとえば意図的なブロックチェーンフォークを犠牲にして再びお金を使って不正行為を行うことができます。 ただし、ネットワーク上のすべてのマイナーが共謀したとしても、基本的なビットコインセキュリティメカニズムを回避することはできません。たとえば、ユーザーのビットコインを盗むことはできません。

Bitcoinは、Proof of Workを使用した最も強力なネットワークです。 1秒で、ビットコイン採掘者は5兆（3∙1018）ハッシュ以上を計算します。 32ビットプルーフ（コンピューターでの計算に数時間かかる）は、ネットワークの最初の段階でのみ確認できる最小のビットコインの複雑さです。 これは、ビットコインネットワークが平均して10分で1ブロックを検出するように、プルーフの複雑さが自動的に調整されるためです。 ネットワークのハッシュが増加すると、複雑さも増大します。1つの証明の複雑さは約70ビットです。 したがって、ブロックハッシュの16進数レコードは17個のゼロで始まる必要があります。

/ビットコインネットワークのパワーは指数関数的に増加しています。 これにより、高いネットワーク攻撃コストが発生します。

PoWの代替

中本のコンセンサスには、多くの人が大きな欠陥として認識している特性があります。安全を確保するには、「作業」、つまり作業の証拠を作成する必要があります。 PoWの一部として実行される計算は、有用な目的には役立ちません。これはアーキテクチャ上の機能です。 社会的に役立つ役割を果たせるような仕事の証明を考え出すことは非常に難しいことがわかりました。 したがって、鉱業のためのリソース（主に電気）が無駄になっているように見えるかもしれません（それらがセキュリティに費やされているという事実を除く）。

さらに、マイニングには依然として集中化の問題があります。 現在、ビットコインハッシュの70％以上が1つの国（中国）にあります。 多くの暗号通貨は、特殊な機器で経済的に採算の取れない作業の証拠を使用してマイニングを分散化しようとしますが、このアプローチには別の問題があります-マイニングビットコインを自宅のコンピューターを使用して収益性を高め、攻撃用の機器を借りる（またはボットネットを作成する）場合大幅に安くて簡単です。

これらの問題を解決しようとして、コミュニティは「作業」を必要としない多くの合意アルゴリズムを提供しています。 このようなアルゴリズムの最も一般的なカテゴリは、ステークの証明（PoS）に基づいています。 共有の証明は、特定の作業を実行する代わりに、作業の証明に似ていますが、システム内に共有があることを示します（たとえば、ゼロ以外の暗号通貨のバランスの形で）。 PoSを使用したマイニングでは、暗号通貨を「ストック」するだけで十分です。その後、暗号通貨から「パーセント」を取得するのは簡単です。

ただし、共有の証明にはPoWと比較して不快な欠点があります。共有の証明は実世界（計算能力）に基づいているのではなく、ブロックチェーン自体の内部（暗号通貨のバランス）に基づいているため、信頼できるPoSアルゴリズムを構築するタスクは簡単ではありません。

PoSコンセンサスの最も単純なバージョンには、基本的なプロパティに問題があります。 その中で最も費用対効果の高い動作は、再利用のためにブロックチェーンフォークを伝播することです。 明らかなセキュリティホールのない、より洗練されたステークの証拠が作成されました。 そのようなアルゴリズムは、義務的誓約を犠牲にして経済的責任の要因をコンセンサスに戻します。これは参加者の不正な行動の場合に没収されます。

暗号化コミュニティは、ステークの証拠を備えた信頼性の高いアルゴリズムの可能性に疑問を抱いています。 おそらく、イーサリアムブロックチェーンのシェアを証明するために計画された移行-ボリュームの面で2番目に大きいパブリックブロックチェーン市場-は、すべてiに点在するでしょう。

ステークの証明に加えて、ブロックチェーン愛好家は他の証明アルゴリズムを実験しています。 たとえば、BitTorrentプロトコルの作成者であるBram Cohenは、最近、コンセンサスのブロックチェーンでローカルコンセンサスにスペース証明を使用すること、つまりPoWの計算能力をディスクスペースに置き換えることを提案しました。 ただし、成熟度の観点からすると、このような取り組みは、プルーフオブステークよりもプルーフオブワーキングアルゴリズムの背後にあります。

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PSそして、ここに私たちの材料の小さな選択があります：

• ステークの証明と仕事の証明（PoS vs PoW）
• ブロックチェーンセキュリティ-なぜこれが重要なのですか？
• ビットコインセキュリティのコンテキストでの報酬メカニズム
• インターネットリンクの欠落：誰もが知っておくべきビットコインブロックチェーンに関する5つの事実