ブロックチェーンはどのようにコンセンサスを達成しますか？

ブロックチェーンコンセンサスとは何ですか？

ブロックチェーンコンセンサスとは、分散型ネットワーク内のすべてのノードがトランザクションの有効性と元帳の現在の状態に一致するメカニズムを指します。中央当局がなければ、分散システム全体で合意を達成することは、完全性を維持し、詐欺を防止するために重要です。コンセンサスにより、一部のノードが情報を操作または偽造しようとしたとしても、すべての参加者が同じ順序で同じデータを記録することが保証されます。このプロセスは、ブロックチェーンテクノロジーの信頼できない性質の基礎であり、ユーザーが仲介者に依存せずに安全に取引できるようにします。

仕事の証明（POW）：元のコンセンサスメカニズム

はBitcoinによって導入され、最も広く認識されているコンセンサスアルゴリズムの1つであり続けています。 POWでは、鉱山労働者は計算能力を使用して複雑な暗号化パズルを解決するために競争します。パズルを解決した最初の鉱山労働者は、検証のためにネットワークのソリューションをブロードキャストします。検証されると、新しいブロックがブロックチェーンに追加され、マイナーが報酬を受け取ります。

• 鉱夫は未確認のトランザクションを候補ブロックに収集します
• 彼らは、ブロックヘッダーのハッシュを繰り返し計算し、ハッシュがネットワークの難易度のターゲットを満たすまでノンセ値を調整します
• 受賞したマイナーは、ネットワーク全体でブロックを伝播します
• 他のノードは、チェーンのコピーに追加する前にブロックの有効性を独立して検証しますこのプロセスにより、攻撃者は履歴を書き直すためにネットワークの総計算能力の50％以上を制御する必要があるため、改ざんは非常にコストがかかります。

  Sport of Stake（POS）：エネルギー効率の高い代替

  Sport of Stake（POS）は、ブロックを検証するための基礎として、計算作業を経済的利害関係に置き換えます。 Minerの代わりに、POS Systemsは、一定量の暗号通貨を担保としてロックするバリデーターを使用します。プロトコルは、有効なものを選択して、彼らの利害関係やステーキング期間やランダム化などのその他の要因に基づいて新しいブロックを提案し、証明します。
• Validatorはトークンをステーキング契約にロックします
• ネットワークアルゴリズムは、次のブロックを作成するために検証ターを選択します
• 他のバリデーターはブロックを確認し、その正しさにサインオフします
• バリデーターが不正に動作する場合、彼らの持分は部分的にまたは完全に削減される可能性がありますこの設計は、悪意のある行動が経済的損失を危険にさらすため、POWと比較してEnergy Consumptionを大幅に削減し、Valibator Incentivesをネットワークセキュリティと整列させます。

  委任された株式（DPO）および投票メカニズム

  委任された証明の株式（DPOS）は、トークン保有者が彼らに代わって取引を検証するために限られた数の代表者または証人を選出する投票ベースのガバナンスモデルを導入します。これらの選択されたノードは、回転スケジュールでブロックを生成する責任があります。
• トークンホルダーは、彼らのステークドトークンを使用して代表者に投票します
• トップ候補者（例えば、EOSの21）がブロックプロデューサーになります
• プロデューサーは、スケジュールされた間隔でブロックを作成および署名する
• プロデューサーがブロックの作成に失敗した場合、それらは投票されて交換されますこのシステムは、より速いトランザクション処理とより高いスループットを可能にしますが、バリデーターの小さなグループに依存するため、集中化リスクを高めます。

  実用的なビザンチン断層トレランス（PBFT）およびその他のバリアント

  実用的なビザンチン断層トレランス（PBFT）は、許可されたブロックチェーンといくつかのハイブリッドモデルで使用されます。一部のノードが悪意を持って動作するか、失敗した場合でも、コンセンサスが保証されます。 PBFTは、単一の状態に同意するために、ノード間の一連のメッセージ交換を通じて動作します。
• 1つのノードはリーダー（プライマリ）として機能し、他のノードはレプリカです
• クライアントはプライマリにリクエストを送信し、それをすべてのレプリカにブロードキャストします
• ノードはラウンドでメッセージを交換します：準備、準備、およびコミット
• ノードが十分な一致するメッセージを受信すると（2F+1、fが故障したノードの最大数）、結果をコミットしますPBFTは最終性を迅速に達成し、既知の参加者を持つネットワークで効果的ですが、ノード間通信が大量にあるため、スケーラビリティは制限されます。

  他のコンセンサスモデルとハイブリッドアプローチ

  主要なモデルを超えて、いくつかの代替およびハイブリッドコンセンサスメカニズムが存在します。権限証明（POA）は、事前に承認されたアイデンティティ検証済みのバリデーターに依存しており、プライベートまたはコンソーシアムのブロックチェーンに適しています。 Solanaが使用する歴史の証明（POH）は、検証可能な遅延関数を使用して履歴記録を作成し、スループットを改善するタイムスタンプトランザクションを使用します。スペースの証明（ポスペース）と容量の証明（POC）により、参加者は利用可能なディスクスペースをリソースとして使用してコンセンサスに参加できます。一部のプラットフォームはメカニズムを組み合わせています。たとえば、Ethereumはブロック検証にPOSを使用しますが、ランダム性とスラッシング条件を組み込んでセキュリティを強化します。各モデルは、地方分権化、セキュリティ、およびスケーラビリティのトレードオフのバランスを取ります。

  ノードがコンセンサスルールを実施する方法

  ブロックチェーンネットワーク内のすべてのノードは、プロトコルソフトウェアに組み込まれた同じコンセンサスルールを実行します。新しいブロックが到着すると、ノードはそれを受け入れる前に一連のチェックを実行します。
• ブロック内のすべてのトランザクションの暗号化署名を確認します
• 既存の元帳に対してチェックすることによって、2倍の支出が発生していないことを確認してください
• ブロックハッシュが現在の難易度のターゲット（POW）を満たしているか、バリデーターが適切に選択されたことを確認します（POSで）
• チェーンの連続性を維持するために、以前のブロック参照を検証しますチェックが失敗した場合、ノードはブロックを拒否し、伝播しません。この自律的な検証により、準拠ブロックのみが受け入れられ、ネットワーク全体の契約が強化されることが保証されます。

  よくある質問

  ノードがブロックの有効性について嘘をつくのを防ぐものは何ですか？ノードは、同じコンセンサスルールを使用してすべてのブロックを独立して検証します。ノードが無効なブロックを伝播しようとする場合、他のノードはそれを拒否します。無効なブロックは受け入れられないため、不正なノードは利益を得ず、ブラックリストに登録される可能性があります。

  一部のノードがオフラインである場合、コンセンサスを達成できますか？はい。ほとんどのコンセンサスメカニズムは、一定数の非アクティブまたは故障したノードに耐えるように設計されています。たとえば、POSとPBFTは、アクティブノードの3分の2以上が正直で接続されている限り機能します。

  仕事の証明で最長のチェーンはどのように決定されますか？最も長いチェーンは、最も累積された仕事の証明を持つものであり、必ずしも最もブロックを持つものではありません。ノードは常に、最大の総計算努力を表すチェーンを拡張し、ネットワーク全体のアライメントを確保します。

  すべてのブロックチェーンは同じコンセンサスルールを使用していますか？いいえ。異なるブロックチェーンは、目標に基づいて異なるコンセンサスメカニズムを実装しています。 BitcoinはPOWを使用し、EthereumはPOSを使用し、Rippleは信頼できるバリエーターに基づいてコンセンサスプロトコルを使用し、IOTAはコーディネーターベースのコンセンサスを持つ指向した非環式グラフ（DAG）を使用します。