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コンセンサスアルゴリズム とは?基本から最新技術まで分かりやすく解説

事業者向け

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コンセンサスアルゴリズムとは何かご存じの方はそれほどいないのではないでしょうか。
本記事では、コンセンサスアルゴリズムについて分かりやすく以下の点を中心にご紹介します!

  • コンセンサスアルゴリズムとは
  • 代表的なコンセンサスアルゴリズム紹介
  • コンセンサスアルゴリズムのセキュリティリスク

コンセンサスアルゴリズムで出来ることについて理解するためにもご参考いただけると幸いです。
ぜひ最後までお読みください。

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コンセンサスアルゴリズムとは何か分かりやすく解説

コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーン技術において新しいブロックを追加する際の合意形成の方法を指します。コンセンサスアルゴリズムの基本的な定義やコンセンサスアルゴリズムが必要な理由について以下で詳しく解説していきます。

コンセンサスアルゴリズムの基本的な定義

コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーン技術において新しいブロックを追加する際の合意形成の方法を指します。ブロックチェーンは、取引データをブロックとして記録し、これらのブロックを連鎖的につなげていく技術です。新しいブロックを追加するときに、その取引データが正しいかどうかを判断するルールがコンセンサスアルゴリズムです。従来の中央集権型のシステムと異なり、ブロックチェーンは中央の管理者が存在しないため、このアルゴリズムが非常に重要となります。

コンセンサスアルゴリズムが必要な理由

従来のシステムでは、金融機関などの中央管理者が取引の承認やデータの管理を担当していましたが、ブロックチェーン技術では中央の管理者が不在で、参加者全員が取引データを共有します。この中央管理者がいない環境で取引を正しく承認するための仕組みとして、コンセンサスアルゴリズムが採用されています。

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代表的なコンセンサスアルゴリズムについて分かりやすく紹介

ここからは、代表的なコンセンサスアルゴリズムについて詳しく解説していきます。

PoW(プルーフ・オブ・ワーク)

「プルーフ・オブ・ワーク(PoW)」は、ビットコインを含む多くの暗号資産で採用されている主要なコンセンサスアルゴリズムです。このアルゴリズムは、新しいブロックを生成するために、計算的なパズルを解く必要があります。このパズルの解を最初に見つけたマイナー(採掘者)が新しいブロックを追加する権利を獲得します。このプロセスは高い計算能力を必要とし、競争が激しい特徴を持っています。

PoS(プルーフ・オブ・ステーク)

「プルーフ・オブ・ステーク(PoS)」は、ブロック生成における参加者をランダムに選出しますが、その選出確率は通貨を保有している量に比例します。イーサリアム(ETH)など一部の暗号資産は、PoWからPoSへの移行を計画しています。

PoSは、PoWとは異なり、計算能力に基づく競争をしません。したがって、ブロック生成のプロセスはよりアクセスしやすく、一般の個人でも参加できる可能性があります。

また、PoSはエコロジカルな側面も持っており、電力の大量消費が不要です。これにより、環境に対する負荷が軽減され、取引承認の速度も向上します。ただし、通貨を保有する必要があるため、流動性に制約が生じる可能性も指摘されています。

PoI(プルーフ・オブ・インポータンス)

「プルーフ・オブ・インポータンス(PoI)」は、通貨の保有量だけでなく、取引回数や取引量など複数の指標を考慮して通貨の保有者の「重要度」を評価し、ブロック生成者を選出するコンセンサスアルゴリズムです。この方式は、通貨の保有者が通貨に対する有益さや重要性を示すスコアを算出し、それに基づいてブロック生成者を決めます。

プルーフ・オブ・インポータンスは、通貨ネム(XEM)で唯一採用されており、保有者の通貨への貢献度を複数の視点から評価するため、通貨の流動性低下の心配が少ないと言われています。ただし、このアルゴリズムは新しいものであり、ネム以外ではあまり使用例がないため、具体的なメリットやデメリットはまだ明確ではありません。また、ネムでは取引承認やブロック生成のプロセスを「ハーベスト(収穫)」と呼んでいます。

PoC(プルーフ・オブ・コンセンサス)

従来紹介してきたコンセンサスアルゴリズムは、条件を満たせば誰でも取引の承認に参加できる方法でした。しかし、「PoC(プルーフ・オブ・コンセンサス)」は異なり、特別なノードであるバリデーターが取引の承認作業を実施し、バリデーターの80%以上がトランザクションを承認すれば取引が実行されるシステムです。この仕組みにより、バリデーター同士が互いを認識し、ネットワークを構築します。これにより、悪意のあるバリデーターによる不正行為を防ぎます。ただし、この方式には中央集権的な要素も含まれており、管理側が不正行為をした場合、それを検出するのは難しいという理論的な懸念が存在します。

一方で、信頼性の高い企業や組織がこの方式を採用することで、処理スピードの向上などの利点を享受できます。実際、XRP(リップル)はこのアルゴリズムを使用し、国際送金システムとして高速性を提供し、多くの金融機関から注目を浴びています。

DPoS(デリゲート・プルーフ・オブ・ステーク)

「DPoS(デリゲート・プルーフ・オブ・ステーク)」は、PoSの進化型とされ、特にLSK(リスク)での採用が注目されています。最近では、このアルゴリズムを導入する仮想通貨が増加していると言われています。

DPoSは、通貨保有量だけでなく、通貨保有者による重みづけ投票を通じてブロック生成者を決定します。これは、通貨を保有するだけでなく、そのネットワークの運営に積極的に参加することを奨励するものです。

Coincheckでは、LSKのDPoSに基づくステーキングサービスを提供しており、LSKを保有することで定期的な報酬を獲得できる仕組みを提供しています。このサービスを活用することで、LSKの保有者にとって魅力的な機会となっています。

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実際の使用例について分かりやすく紹介

コンセンサスアルゴリズムの実際の使用例を併せて解説していきます。是非参考にしてみてください。

PoW:ビットコイン、ドージコイン、ライトコイン

ビットコイン(BTC)、ドージコイン(DOGE)、ライトコイン(LTC)は、PoWという仕組みを使っている暗号資産の代表例です。ビットコインはPoWを最初に導入した暗号資産で、他の2つはビットコインを元にして作られました。 ライトコインは、小額決済に特化した暗号資産として開発されました。ドージコインは当初は冗談として始まりましたが、後にビットコインのソースコードを採用しました。これら2つの通貨は、ビットコインとのつながりから、ビットコインの価格変動に影響されやすいと言われています。

PoS:イーサリアム、カルダノ、ソラナ

PoSを採用している代表的な暗号資産には、イーサリアム(ETH)、カルダノ(ADA)、ソラナ(SOL)などがあります。イーサリアムは元々PoWを採用していましたが、2022年9月にPoSに移行しました。

カルダノは、ウロボロスというPoSプロトコルを使用しており、通常のPoSとは異なり、時間帯に応じて取引を分割して処理する特徴があります。ソラナはPoSにProof of History(PoH)を組み合わせており、タイムスタンプを使用して取引の証明をすることで、処理速度を向上させ、手数料を低く抑えています。PoSを採用する暗号資産は、それぞれ独自のアプローチで特徴を発揮しています。

PoI:ネム

PoSでは仮想通貨の保有量がブロック生成者の決定に影響し、したがって、仮想通貨の取引量が減少する可能性があるというデメリットがあります。しかし、ネム(XEM)のPoIは、保有量だけでなく取引回数もブロック生成者の選定に影響を与える仕組みです。

単純に保有しているだけではブロック生成者に選ばれないため、多くの投資家が取引をする傾向があります。取引回数を考慮に入れることで、仮想通貨の取引量が低下しにくい構造となっています。

PoC:リップル

リップルは、PoWやPoS、PoIなどの一般的なコンセンサスアルゴリズムとは異なる独自の方式を採用しています。従来のコンセンサスアルゴリズムでは、多数のノードが競ってブロックを生成する仕組みでしたが、リップルのPoC(プルーフ・オブ・コンセンサス)では、あらかじめブロック生成者が決まっています。

この方式により、不特定多数のノードによる攻撃(51%攻撃)は発生しません。ただし、一方でリップルの非中央集権性が損なわれているという批判もあり、「リップルは従来の仮想通貨とは異なる」との意見も浮上しています。

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新しいコンセンサスアルゴリズムについて分かりやすく解説

今までのコンセンサスアルゴリズムと新しいコンセンサスアルゴリズムは何が異なるのでしょうか?以下で解説していきます。

dPoW

dPoWの基本的なアイデアは、他の仮想通貨のマイニングと同時に、あたかもおまけのようにマイニングをすることです。このコンセンサスアルゴリズムは、匿名性で知られる仮想通貨コモドに採用されています。ユーザーが他の通貨をマイニングする際に、追加のコモド(KMD)もマイニングされ、2019年1月時点でのコモドのマイニング報酬は1KMDあたり3コモド(3KMD)となっています。

tangle

tangleはアイオータなどの暗号通貨で使用されているコンセンサスアルゴリズムです。アイオータの独自の特徴は、送金や取引をするたびに、直前のトランザクションをマイニングすることです。この仕組みにより、tangleでは従来のブロックチェーンとは異なり、マイニング報酬が存在しない特性を持っています。他の通貨がdPoWといった方法でマイニングされる一方で、tangleではトランザクションが行われるたびにマイニングが行われる仕組みが採用されています。

dPoS

dPoS(Delegated Proof of Stake)の主要な特徴は、ブロックのマイナー(生成者)が選挙によって選出される点です。この仕組みでは、保有する仮想通貨の数量に応じて投票権が与えられ、より多く保有している人ほどブロックのマイナーに選ばれる可能性が高まります。

興味深いのは、マイニング報酬がマイナーだけでなく、彼らに投票する投資家にも分配されるという点です。この方法により、コミュニティ全体がネットワークの運営に参加し、共に成長することが奨励されています。

dPoSという名称から、dPoWと混同されることがあるため、注意が必要です。現在、ビットシェアーズ、イオス、リスクなどの仮想通貨でdPoSが採用されており、それぞれ異なる仕様が導入されています。

dBFT

dBFT(Delegated Byzantine Fault Tolerant)は、ビザンティン耐障害性コンセンサスメカニズムとも呼ばれ、取引の速度とスムーズさを重視したコンセンサスアルゴリズムです。dBFTの仕組みは、仮想通貨保有者が投票により承認者(ブックキーパー)を選出し、その中からランダムに代表者を設定します。その代表者は他のブックキーパーから信認投票を受け、全体の66%以上の信認が得られなければ再度ブックキーパーが選出されます。このプロセスは信頼性の高い承認者が代表者になるまで続けられます。

dBFTの強みは、承認作業を行う代表者だけでなく、選出に参加した人々にも報酬が支払われる点で、非常に民主的な取り組みです。また、POCやDPOSと比較しても、承認者の信認性が高いという利点があります。しかし、dBFTを採用するNEOでは、ブックキーパーの大部分がNEOチームによって寡占されている現状があります。これは中央集権的であり、強い力によって不正利用される可能性を持つため、dBFTの弱点と考えられます。

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コンセンサスアルゴリズムとセキュリティリスクについて分かりやすく解説

ここからは、コンセンサスアルゴリズムとセキュリティリスクについて解説していきます。

コンセンサスアルゴリズムにおける51%攻撃とは何ですか?

ブロックチェーンのセキュリティリスクの一つは、「51%攻撃」です。これは主にビットコインなどのパブリックチェーンに関連しており、ネットワーク全体のセキュリティに関わる問題です。

この問題の要点は、特定のノード(ネットワークの参加者)がネットワーク内のマシンパワーの51%以上を制御すると、ネットワーク全体に対して恣意的な操作をする可能性が高まるというものです。要するに、ネットワークの支配権が一部のノードに集中してしまうことを指します。

ブロックチェーンは中央管理者が存在しないため、異なる取引情報が提出された場合にどの情報が正しいかを決定するために、コンセンサスアルゴリズムと呼ばれるルールが必要です。ビットコインでは、Proof of Work(PoW)とナカモト・コンセンサスというアルゴリズムが採用されています。これにより、ネットワークの合意形成が行われます。

しかし、この仕組みを悪用することで、ノードが恣意的に取引情報を操作し、ネットワークを支配できる可能性があるのが「51%問題」の問題点です。具体的には、ノードが51%以上のマシンパワーを持つことで、自身のブロックを他のノードのブロックよりも多く生成でき、その結果、取引情報を操作しやすくなります。

このようなリスクがあるため、ビットコインなどのブロックチェーンネットワークは、分散されたマシンパワーを確保し、51%攻撃から守るためにセキュリティ対策を重要視しています。セキュリティの強化がなされない限り、この問題は解決が難しい課題とされています。

コンセンサスアルゴリズムにおけるDoS攻撃とは何ですか?

DoS攻撃とは、特定の仮想通貨ネットワークにおいて、P2P(Peer to Peer)で接続されたノードに対してリソース枯渇を引き起こす脆弱性です。この脆弱性は、2019年1月23日に米イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のDecentralized Systems Labによって発表されました。この攻撃は、Proof of Stake(PoS)というコンセンサスアルゴリズムを使用している26種類の仮想通貨に影響を及ぼすことが分かっています。

攻撃者はごく僅かな資金で、この脆弱性を有する仮想通貨ノードに対してDoS攻撃を実行できます。さらに、攻撃対象となる仮想通貨ネットワークに接続している全ての端末が攻撃の影響を受けます。その結果、攻撃のタイミングによっては、マイニング(PoSの場合はforging、minting、stakingなどと呼ばれる)を含むさまざまな処理が正常に完了できない場合があります。例えば、マイニング専用の仮想通貨ノードを運用している場合、マイニングが一時的にできなくなる可能性があります。

この脆弱性によって、仮想通貨ネットワークの正常な運用が妨げられ、攻撃者はわずかなコストで大きな影響を及ぼすため、コンセンサスアルゴリズムにおけるDoS攻撃は非常に深刻な問題となります。

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コンセンサスアルゴリズムに関するよくある質問

コンセンサスアルゴリズムに関するよくある質問を以下にまとめました。是非参照してください。

PoWの課題は何ですか?

スケーラビリティ問題:ビットコインのトランザクション処理速度は1秒間に5~10件程度と限られており、これはクレジットカードの1700件の処理速度と比べて非常に遅いです。

電力消費量の問題:ビットコインのマイニングには大量の電力が必要で、年間の消費電力は59.03Twhとされ、小規模な国の電力消費量を上回ることが指摘されています。

51%攻撃のリスク:PoWのシステムでは、51%以上の計算力を持つ者がネットワークを乗っ取る可能性があり、これは特に参加者の少ない暗号資産でのリスクとして存在します。

どのコンセンスアルゴリズムがおすすめなのですか?

各コンセンサスアルゴリズムは独自の特徴を持ち、暗号資産の性格や用途に応じて選ばれています。そのため、一つのアルゴリズムが絶対的に優れているとは言えません。暗号資産を使用する際やマイニングを考える場合、その暗号資産がどのアルゴリズムを使用しているかを理解することが重要です。

ビットコイン・リップル・イーサリアムの特徴を教えてください

ビットコイン (BTC):2023年10月11日の価格は4,028,410.87円。現時点で仮想通貨の中で最も時価総額が高い。

リップル (XRP):2023年10月11日の価格は72.99円。国際送金のRippleNetで使用される仮想通貨。

イーサリアム (ETH):2023年10月11日の価格は232,160.92円。ビットコインに次ぐ時価総額2位の仮想通貨。

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コンセンサスアルゴリズムについてのまとめ

ここまでコンセンサスアルゴリズムについてお伝えしてきました。コンセンサスアルゴリズムについての要点をまとめると以下の通りです。

  • コンセンサスアルゴリズムとはブロックチェーン技術において新しいブロックを追加する際の合意形成の方法
  • 代表的なコンセンサスアルゴリズムにはPoW、PoS、Pol、PoCがある
  • コンセンサスアルゴリズムのセキュリティリスクにはネットワークの参加者がネットワーク内のマシンパワーの51%以上を制御すると、ネットワーク全体に対して恣意的な操作をする可能性が高まるという51%攻撃などがある

これらの情報が少しでも皆さまのお役に立てば幸いです。
最後までお読みいただき、ありがとうございました。

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