ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムは何ですか？一般的なタイプは何ですか？

コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンテクノロジーの重要なコンポーネントであり、分散型ネットワークのすべての参加者が元帳の状態に同意することを保証します。このメカニズムは、2倍の支出を防ぎ、トランザクションが有効で正確に記録されることを保証するため、ブロックチェーンの完全性とセキュリティを維持するために不可欠です。基本的に、コンセンサスメカニズムは、ネットワーク内のノードが、チェーンに追加される次のブロックの合意にどのように到達するかを決定します。

仕事の証明（捕虜）

仕事の証明（POW）は、Bitcoinで有名な作業の最も早く、最も広く認識されているコンセンサスメカニズムの1つです。 Powでは、鉱夫は複雑な数学的パズルを解決するために競争し、パズルを最初に解決したものは、ブロックチェーンに新しいブロックを追加する権利を得ます。このプロセスには重要な計算能力が必要であり、ネットワークにセキュリティを提供します。鉱山労働者が効果的に競争するために強力なハードウェアを必要とするため、捕虜の欠点はその高エネルギー消費です。

ステークの証明（POS）

Proof of Stake（POS）は、PoWのエネルギー非効率性に対処することを目的とするもう1つの一般的なコンセンサスメカニズムです。 POSでは、新しいブロックの作成者が、彼らが保持しているコインの数に基づいて選択され、担保として「賭け」することをいとわない。この方法は、計算パズルの解決を必要としないため、エネルギー集約的ではありません。代わりに、バリデーターが選択されて、ネットワークへの出資に基づいて新しいブロックを作成します。これにより、投資を保護するために正直に行動するようになります。

委任されたステークの証明（DPOS）

委任された株式の証明（DPOS）は、投票システムを導入するPOSのバリエーションです。 DPOSでは、トークンホルダーは、トランザクションの検証と新しいブロックの作成を担当する少数の代表者に投票します。このシステムは、ネットワークを保護するために必要なノードの数を減らすため、より民主的で効率的になるように設計されています。ただし、トランザクションを検証する権限が少数の選出された代表者に集中しているため、集中化のレベルも導入されます。

実用的なビザンチンフォールトトレランス（PBFT）

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でよく使用されるコンセンサスメカニズムです。 PBFTは、ノードの最大3分の1が欠陥または悪意のあるネットワークでコンセンサスを達成するように設計されています。このプロセスには、ノード間の複数回の投票が含まれ、新しいブロックが追加される前に多数派の合意に達するようにします。この方法は、エネルギー消費とトランザクション速度の点でPOWおよびPOSよりも効率的ですが、既知の参加者のセットが必要であり、パブリックブロックチェーンには適していません。

監督された非環式グラフ（DAG）

指示された非環式グラフ（DAG）は、コンセンサスに対する異なるアプローチを表します。このアプローチでは、トランザクションがブロックにグループ化されず、代わりに互いに直接リンクされます。この構造により、複数のトランザクションが同時に確認できるため、より高いスケーラビリティとより高速なトランザクション処理が可能になります。ただし、DAGは実装するのがより複雑である可能性があり、従来のブロックチェーンと同じレベルのセキュリティを達成する際の課題に直面する可能性があります。

これらのコンセンサスメカニズムにはそれぞれ長所と短所があり、使用する選択はブロックチェーンネットワークの特定の要件に依存します。 Powは堅牢なセキュリティを提供しますが、高エネルギーコストで、 POSとそのバリエーションはよりエネルギー効率の高い代替品を提供します。 PBFTは、高効率を必要とする許可されたネットワークに適しており、 DAGは複雑さの潜在的なコストでスケーラビリティと速度を提供します。

コンセンサスメカニズムがブロックチェーンのパフォーマンスにどのように影響するか

コンセンサスメカニズムの選択は、ブロックチェーンネットワークのパフォーマンスに大きく影響します。たとえば、Powは、パズルを解決するために必要な計算努力により、トランザクション時間が遅くなる可能性があります。これにより、確認時間が長くなる可能性があり、リアルタイム処理を必要とするアプリケーションには適していない場合があります。一方、POSとDPOは、計算パズルに依存せず、迅速なトランザクション確認を必要とするアプリケーションにより適しているため、より速いトランザクション速度を提供できます。

許可されたネットワーク向けに設計されているPBFTは、効率的な投票プロセスにより、高いトランザクションスループットを達成できます。ただし、これには、既知の参加者のセットが必要であり、公的で許可されたネットワークでの使用を制限します。 DAGは、複数のトランザクションを同時に処理する能力を備えているため、さらに高いスループットを提供できるため、高いスケーラビリティを必要とするアプリケーションにとって魅力的になります。

コンセンサスメカニズムにおけるセキュリティ上の考慮事項

セキュリティはブロックチェーンネットワークにおける最も重要な関心事であり、コンセンサスメカニズムは、システムの整合性を確保する上で重要な役割を果たします。 Powのセキュリティは、パズルを解くことの計算上の難しさから派生しており、攻撃に対して非常に耐性があります。ただし、いくつかの大きなプールの手に採掘力が集中すると、51％の攻撃のリスクが発生する可能性があり、単一のエンティティがネットワークのマイニングパワーの大部分を制御します。

POSとDPOSは、セキュリティを経済的インセンティブに結びつけることにより、セキュリティを強化することを目指しています。 POSでは、バリデーターはネットワークの経済的利害関係を持っています。これは悪意のある行動を思いとどまらせます。 DPOSは、トークンホルダーがバリデーターに投票できるようにすることにより、民主主義の層を追加し、コミュニティの関与を通じてセキュリティを増やす可能性があります。ただし、両方のメカニズムは、「危機にさらされていない」攻撃に対して脆弱である可能性があります。この攻撃では、有効な人が多額のコストをかけることなく複数のブロックチェーンフォークに投票する可能性があります。

PBFTのセキュリティは、ノードの3分の1未満が悪意があるという仮定に基づいています。これにより、ビザンチンの断層に対して堅牢になりますが、ネットワークの参加者を慎重に管理する必要があります。 DAGは、高いスケーラビリティを提供しますが、従来のブロックチェーンと同じレベルのセキュリティを維持し、特にトランザクションリンクの整合性を確保する上で課題に直面する可能性があります。

コンセンサスメカニズムの環境への影響

コンセンサスメカニズム、特にPoWの環境への影響は、近年重大な懸念となっています。 Powの高エネルギー消費量は、多くの場合、化石燃料に依存している強力なマイニングハードウェアの必要性によるものです。これは、二酸化炭素排出量に対するBitcoinのようなPowベースの暗号通貨に対する批判につながりました。

POSとそのバリアントは、同じレベルの計算能力を必要としないため、より環境に優しい代替品を提供します。計算作業ではなくステークに基づいていることにより、これらのメカニズムはネットワークを保護するために必要なエネルギーを大幅に減らします。 PBFTとDAGにはエネルギー要件が低いため、ブロックチェーンネットワークのより持続可能なオプションがあります。

よくある質問

Q：ブロックチェーンは複数のコンセンサスメカニズムを使用できますか？

A：はい、一部のブロックチェーンは、さまざまな方法の要素を組み合わせて強みを活用するハイブリッドコンセンサスメカニズムを使用しています。たとえば、ブロックチェーンは、初期セキュリティにPOWを使用し、その後、継続的な動作のためにPOSに移行し、セキュリティとエネルギー効率のバランスをとる場合があります。

Q：コンセンサスメカニズムの選択は地方分権化にどのように影響しますか？

A：コンセンサスメカニズムの選択は、ブロックチェーンの分散化のレベルに大きな影響を与える可能性があります。 POWとPOSは高度に分散化されるように設計できますが、実際には、少数の大規模な鉱山労働者または利害関係者の間で力の集中につながる可能性があります。 DPOSは、少数の代表者を選出することにより集中化のレベルを導入しますが、PBFTには既知の参加者のセットが必要であり、本質的に分散化を制限します。

Q：51％の攻撃に耐性のあるコンセンサスメカニズムはありますか？

A：コンセンサスメカニズムは攻撃に対して完全に免疫がありませんが、51％の攻撃により耐性があるように設計されているものもあります。たとえば、POSとDPOSは、経済的インセンティブを使用してそのような攻撃を阻止します。悪意のあるアクターは、コストがかかるネットワークの過半数を制御する必要があるためです。また、PBFTの設計により、ノードの3分の1未満が悪意がある限り、ある程度耐性があります。

Q：コンセンサスメカニズムはネットワークフォークをどのように処理しますか？

A：コンセンサスメカニズムは、ネットワークフォークを異なる方法で処理します。 POWでは、通常、最長のチェーンルールが使用され、最も累積的な作業証明を持つチェーンが有効と見なされます。 POSとDPOは、フォークを防ぐために経済的インセンティブに依存しています。これは、バリデーターが単一の統一されたチェーンを維持することに経済的関心を持っているためです。 PBFTは投票を使用してコンセンサスを達成します。これは、過半数の合意を確保することでフォークを防ぐのに役立ちます。構造を備えたDAGは、複数の同時チェーンを処理できますが、フォークに直面してネットワークの完全性を確保することは困難です。