アナリスト | リー・シュエティン
編集者 | 郝方州
編集者注: 距離は 10 時間未満です(ここでカウントダウン)，イーサリアムはブロック高さ 7,080,000 でコンスタンティノープル/サンクトペテルブルクのネットワークアップグレードをアクティブ化します。このアップグレードは間違いなくブロックチェーンの世界で最近最も懸念されている出来事であり、デジタル通貨市場の背後にある巨大な利益に影響を与えるだけでなく、パブリックチェーン技術の探求における新たなマイルストーンでもあります。ブロックチェーンを「2.0時代」に導き、「長い道のりを歩んできた」イーサリアムは、このフォークを通じてPoWコンセンサスメカニズムからPoSコンセンサスメカニズムにさらに移行することになる。デイリー総研の願いコンセンサスメカニズムの観点から、歴史を振り返り、コンセンサス層の進化を要約し、主流の PoW と POS バリアント (または PoS+) の比較に焦点を当て、「POS+」ハイブリッド コンセンサスが考えられる理由を説明します。このメカニズムは、パブリックチェーンのその後の開発のための解決策となるでしょう。
ブロックチェーンは分散型分散台帳システムですが、ピアツーピア ネットワークではネットワーク遅延が大きいため、各ノードで観察されるトランザクションの順序は完全に一致することはできません。したがって、ブロックチェーンシステムは、一定期間内に発生する一連のトランザクションについて合意を得るためのメカニズムを設計する必要があります。時間枠内で一連のトランザクションについて合意に達するためのこのアルゴリズムは、「合意メカニズム」と呼ばれます。コンセンサスメカニズムは、分散化の考え方に基づいてノード間の相互信頼の問題を解決するため、ブロックチェーンは情報送信の過程で同時に価値の転送を完了できます。
ただし、分散型システムでは、合意アルゴリズムに到達するのは簡単ではありません。サトシ・ナカモト氏は、これまでで最も安全で信頼性の高いパブリックチェーンのコンセンサスアルゴリズムと言える、PoW（Proof of Work）に基づくコンセンサスメカニズムを提案しました。その後、PoS (Proof of Stake、プルーフ・オブ・ステーク) メカニズムが次々に登場し、DPoS (Delegated Proof of Stake、Delegated Proof of Stake) メカニズムなど、PoS メカニズムのいくつかのバリエーションが登場しました。これらのコンセンサスメカニズムには独自の利点がありますが、欠点もあることも証明されています。
このため、ブロックチェーン分野では、以下の図に示すように、人々はより良いコンセンサス メカニズムの探索と革新を決してやめませんでした。
PoWの問題が浮き彫りに
PoW (Proof of Work) は作業に応じた分配モデルです。つまり、マイナーは簿記の権利を争うために自分のワークロードのサイズに依存します。ワークロードが大きいほど、マイナーの計算能力も高くなります。マイナーが簿記の権利を取得する可能性が高くなります。
副題
1. 資源の無駄遣い
PoW コンセンサス プロセスは、ブロックチェーン ネットワーク ノードが提供するコンピューティング能力に大きく依存しています。これらのコンピューティング能力は主に SHA256 ハッシュと乱数検索を解くために使用され、実際には効果的な社会的価値は生成されません。暗号化デジタル通貨の人気の高まりと専門的なマイニング機器の出現により、暗号化デジタル通貨のエコシステムは資本と設備の点で明らかな「軍拡競争」状況を示し、徐々にエネルギー消費の高い資本集約型産業になりました。これにより、リソース消費の問題がさらに強調されます。によるとDigiconomistこのデータは、ビットコインとイーサリアムを国として考えた場合、そのマイニングによる総電力消費量がアルジェリア、イスラエル、ギリシャなどを上回り、世界第45位にランクされていることを示しています。
副題
2. 計算能力の集中
によると
によるとbtc.com副題
3.「結果整合性」の欠如
副題
4. 業務処理性能が低い
最初のレベルのタイトル
PoSの提案とピアコインの実践
PoW 問題が徐々に目立つようになったことで、人々はこのメカニズムについて疑問を持ち、考えるようになりました。 PoSはここにあります。
PoS コンセンサスメカニズムの提案は、マイニングにおける「コモンズの悲劇」に関する議論から生まれました。 「コモンズの悲劇」は、1968年にギャレット・ハーディン教授によって「コモンズの悲劇」という論文で提唱されました。同氏は、資源としてのコモンズには多くの利用者がおり、各利用者はその資源が過剰に使用されて枯渇することを知っているが、他の人がその資源を使用するのを妨げる権利はなく、その結果、誰もが過剰使用する傾向があり、状況を悪化させることになると指摘した。状況です。
2010 年 11 月、鉱山共有地の悲劇 (Disturbingly low future difficulty equilibrium）はヴァンドロイ氏によって指摘され、広く議論された。議論の焦点は、ビットコイン システムはシステムのセキュリティと安定性を維持するために大量のコンピューティング パワーを消費する必要があるという点ですが、ビットコインが掘り出され続けると、ブロック報酬は減少し、ノードの数はますます増加します。その分コストは下がり、ビットコインネットワークシステムは「コモンズの悲劇」を経験することになる。
2011 年 7 月、デジタル通貨愛好家 Quantum Mechanic PoS エクイティプルーフコンセンサスメカニズムの概念は、ビットコインフォーラムで最初に提案されました (Proof of stake instead of proof of work）。プルーフ・オブ・ステークのコンセンサスメカニズムの概念は、登場以来多くの人に支持されてきました。人々は、プルーフ・オブ・ステークが鉱業の「共有地の悲劇」に対する解決策になる可能性があることに気づきました。
PoW の物理マイニングとは異なり、PoS のコンセンサスはマイニング プロセス全体を仮想化し、マイナーを検証者に置き換えることです。
バリデーターは、所有する一部のトークンを保証金として保管しなければなりません。
この後、ブロックの検証が開始されます。同時に、チェーンに追加できそうなブロックを見つけたら、杭を打って検証します。
ブロックがチェーンに正常にアップロードされると、バリデーターは賭け金に比例した報酬を受け取ります。
2012 年 8 月に、Sunny King が Peercoin (PPC) をリリースし、PoS が初めて実践されました。 PoS では、システム内で最も高いコンピューティング能力ではなく、最も高い資産を持つノードが簿記の権利を取得し、その資産は、コイン年齢またはコイン日数と呼ばれる特定の量の通貨のノードの所有権に反映されます。 Dotcoin は、PoW と PoS コンセンサス アルゴリズムを組み合わせたもので、初期段階では PoW マイニング方式を使用してマイナーにトークンを配布しますが、その後、マイニングの難易度が上がるにつれて、システムは主に PoS コンセンサス アルゴリズムによって維持されます。ただし、PoS の後期段階では、投資家が資本を通じてピアコインを買い占めて独占する可能性があり、ピアコインの流通量が減少します。
例: 各コインは 1 日あたり 1 コイン年齢を生成します。たとえば、100 コインを合計 30 日間保持する場合、この時点でのコイン年齢は 3000 になります。新しいブロックが生成されると、簿記権を取得したい他のノードもハッシュ値を計算する必要があり、条件を満たすハッシュ値を取得する難易度は難易度値に関係しており、難易度値はブロックに反比例します。通貨年齢、つまり、コイン年齢が大きいほど、適格なハッシュ値を取得できる可能性が高くなります。同時に、コイン年齢は空になり、システムは会計後に対応する「利息」を与えます。 365 コイン年齢が空になると、利息は 3000 * 利率 / 365 になります。ピアコインの利率は 1%、つまり 0.08 コインです。
その後、PoS はさらに多くの亜種を派生させ、それぞれの亜種にはブロックチェーン トークンの経済モデルの変更が含まれることがよくあります。例えば、ReddCoin、Slimcoin などはいずれも PoS の開発を推進しており、PoS 研究の最前線にいるのはイーサリアム (キャスパー)、カルダノ (ウロボロス)、フラクタル最初のレベルのタイトル
PoS は完璧な代替手段ではない
客観的に言えば、PoS メカニズムの誕生により、PoW の欠点のいくつかが解決されました。
1. PoSメカニズムによる新しいブロックの開発により、リソースの無駄がある程度回避され、同時にシステムブロックの自動出力により、限られたデジタルリソースによって引き起こされるデフレが緩和されます。
2. PoW メカニズムの下では、マイニングプールは規模の経済を通じて生産を増加させ、長期的な平均コストを削減します。しかし、PoS コンセンサスメカニズムにより、中央マイニングプールにおける規模の経済の要求が弱まり、コンピューティングパワーの集中独占の状況も緩和され、個別の競争力の差は相対的に縮小しました。
3. 51% 攻撃に関する限り、PoS コンセンサス メカニズムによって 1 時間の攻撃を開始するコストは、PoW コンセンサス メカニズムよりもはるかに高くなります。
ビットコインを例にとると、ビットコインの現在の流通供給量は 17,551,500 BTC ですが、コンセンサス アルゴリズムが PoS の場合、これに対する 51% の攻撃には 8,775,750 BTC を保持する必要があり、これは市場価値 34,906,510,958 米ドルに相当します。 242,051ドル。他のデジタル通貨の PoS に対する 51% 攻撃のコストと、1 時間の PoW に対する 51% 攻撃のコストを上の表 1 に示します。
では、PoS のコンセンサスメカニズムは完璧なのでしょうか?答えはいいえだ。
まず、PoS 自体の実装がより困難です。
1) トークン発行の問題。当初はジェネシスブロックでトークンのみが発見され、トークンマイニング権を配布することによってのみネットワークが成長できました。しかし、多くの国で ICO が禁止されている現在の環境では、準拠したバランスの取れた方法でトークンを配布することが困難な問題となっています。
2) 簿記ノードの数を決定するのは困難です。ほとんどの PoS は PBFT アルゴリズムに依存していますが、PBFT はブロックプロデューサーを選出するためにノードの数を決定する必要があります。 PoS メカニズムでは、ノードはいつでもマイニングに参加したりマイニングから撤退したりできるため、しきい値がない場合、選出の総数を決定できず、1/2 または 2/3 の合格率を測定できません。それだけでなく、アカウンティング ノードの不確実性により、ネットワーク分割の可能性が高まり、フォークにつながります。
また、PoS システムでは、さまざまなハッカー攻撃に耐える安全性の高いネットワークが必要ですが、現時点ではパブリックチェーンでそのような強度が証明されておらず、イーサリアムでもハッカー攻撃を受けることがよくあります。
第二に、受動的進化は予期せぬ集中化の結果です。 PoW コンセンサス メカニズム (ASIC マイニング マシンに対するマイニング アルゴリズム) を使用するパブリック チェーンの場合、そのブロックの生成とセキュリティは主にコンピューティング パワーの分散に依存します。グラフィックス カードとネットワークがあれば誰でもマイナーになれるため、ユーザーの利用敷居が下がり、より多くの人がマイニングに参加することが促進され、コンピューティング パワーの早期分散が実現します。コンピューティング能力の 51% 以上が誠実なマイナーによるものである限り、ブロックチェーン トランザクションは比較的安全であり、元に戻すことはできません。
ただし、PoS コンセンサスメカニズムを使用するパブリックチェーンの場合、メインネットの立ち上げの開始時に、ジェネシスブロックに割り当てられたトークンのほとんどは、限られた数のプロジェクト当事者と個人投資家に属します。ブロックチェーン内でブロックを生成する権利は、これらのプレーヤーのみが決定できます。これらの人々が共謀してブロックチェーンを攻撃すると、二重支払い攻撃（Double Spending Attack）が成功する可能性があります。開発者と投資家の利益はトークンの価値に完全に反映されており、彼らは利益のために悪意のある行為に参加することはありませんが、メインネットが稼動した後、PoS パブリックチェーンは必然的にこれらの人々によって独占され、支配されることになります。さらに悪いことに、ブロックが多額の報酬と取引手数料を得ることができれば、これらの独占企業は自らの手で大量の株式をしっかりと管理することになり、PoS パブリックチェーンは本質的に巨大企業によって管理されるネットワークになります。
第三に、Nothing at Stake 問題です。 PoW メカニズムでは、ブロックチェーンでフォークが発生すると、マイナーはマイニングの方向を選択する必要があります。 PoS メカニズムの下では、PoS マイナーは利益を最大化するために両方向に掘る傾向があります。フォークはリソースを消費しないためです。マイナーは、自分のブロックでのみマイニングするフォークを作成しながら、最長のチェーンでマイニングできます。さらに、他の検証者もフォークを受け入れます。検証者は 2 つのチェーンで同時に「マイニング」できます。これは、その検証者が「マイニング」しても損失がないためです。逆に、彼が「マイニング」しない場合は、チェーンが受け入れられると損失が発生するため、正直な検証者でもすべてのチェーンを同時に「マイニング」する傾向があります。彼らはこの試みがトークン全体の価値を下げることを知っているにもかかわらず、資金がほとんどないため気にしませんでした。これがいわゆるコモンズの悲劇です。
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PoW+PoS ハイブリッドメカニズムが理想に近づく
ほとんどすべてのコンセンサス メカニズムには独自の利点がありますが、欠点もあります。ブロックチェーンの「不可能な三角形」問題を完全に解決できるコンセンサス メカニズムはありません。したがって、人々は、2 つのコンセンサスの利点を組み合わせ、いくつかの欠点を回避するために、2 つのコンセンサスを混合することが可能かどうかを考え始めました。つまり、「ハイブリッドコンセンサス」が存在します。 「ハイブリッド コンセンサス」では、PoW+PoS ハイブリッド メカニズムが最も人気があり、成功しているコンセンサス アルゴリズムの 1 つです。
2014 年 4 月、ラリー レン (Larry Ren) は、スピードの賭け金を提案しました (Proof of Stake Velocity，PoSV）コンセンサスメカニズム。 PoSV アルゴリズムは、初期段階では PoW を使用してトークン配布を実現し、後期段階では PoSV を使用して長期的なネットワーク セキュリティを維持します。 PoSV は、PoS の通貨年齢と時間の線形関数を指数関数的減衰関数に変更します。つまり、通貨年齢の増加率は時間とともに減少し、最終的にはゼロになる傾向があります。したがって、新硬貨の硬貨年齢は上限閾値に達するまで古い硬貨の硬貨年齢よりも速く成長し、硬貨保有者による硬貨の買いだめ現象がある程度緩和されます。
2014 年 5 月に発行されたスリムコインは、PoW と PoS に基づいたプルーフ・オブ・バーンを提案しています ( Proof of Burn，PoB）コンセンサスメカニズム。このうち、PoW コンセンサスはトークンの初期供給を生成するために使用され、時間の経過とともにブロックチェーン ネットワークに十分なトークンが蓄積されると、システムは PoB と PoS コンセンサスを利用して共同で維持するようになります。 PoB コンセンサスの特徴は、マイナーがスリムコインを特定の取得不可能なアドレスに送信（バーン）することで、新しいブロックの会計権を奪い合い、より多くのコインがバーンされるほど、新しいブロックが掘られる確率が高くなります。
2014 年 12 月に提出された行動証明 ( Proof of Activity，PoA ) コンセンサスも PoW + PoS に基づいており、PoW によってマイニングされたトークンの一部が宝くじですべてのアクティブなノードに分配され、ノードが所有する権利と利益は宝くじの枚数に比例します。勝つ確率。
2015 年に提案された Casper は、イーサリアムが Serenity と呼ばれるロードマップの第 4 フェーズで採用する予定のコンセンサス アルゴリズムであり、まだ設計、議論、改善の段階にあります。現在、Casper には 2 つのバージョンがあり、Vitalik Buterin 氏が率いる Casper Friendly Finality Gadget (CFFG) と Vlad Zamjir 氏が率いる Casper the Friendly Ghost (CBC) です。
Casper FFG は、ハイブリッド PoW+PoS コンセンサス メカニズムです。これは、プルーフ・オブ・ステークの移行プロセスを緩衝するように設計されています。その設計方法では、プルーフ オブ ステーク プロトコルは、通常のイーサリアム バージョンのプルーフ オブ ワーク プロトコルに重ね合わされます。ブロックは引き続きプルーフ・オブ・ワーク経由でマイニングされますが、50 ブロックごとにプルーフ・オブ・ステーク チェックポイント (PoS ブロック) が存在し、ネットワーク内のバリデーターがファイナリティを評価します。 Casper CBC プロトコルには推定安全性のオラクルがあります。エラーの合理的な推定値を設定することを除いて、将来発生する可能性のあるすべてのエラーがリストされています。指定された間隔内で、その正しさはその構築プロセスによって決定され、保証されます。 。
Casper FFG は PoW + PoS コンセンサスですが、Casper CBC は明確な PoS コンセンサスです。同時に、PoS コンセンサスの 2 つの主な原則は、チェーンベースの PoS とビザンチンフォールトトレラント PoS です。 CBC はチェーンベースの PoS 設計であり、CFFG は 2 つを組み合わせたものです。
Casper と他の PoS コンセンサスの違いは次のとおりです。Casper は、すべての悪意のある要素を罰するプロセスを実装しています。
バリデーターは、所有するイーサの一定の割合を保証金として賭けます。
次に、ブロックの検証を開始します。つまり、チェーンに追加できると思われるブロックを見つけたら、賭けをしてそれを検証します。
ブロックがチェーンに追加されると、バリデーターは賭け金に比例した報酬を受け取ります。
ただし、バリデーターが悪意を持って行動し、「何も危険にさらさない」ことを試みた場合、直ちに罰せられ、すべての賭け金がカットされます。
実際、イーサリアムがPoWからPoSに変わった理由はさまざまな考慮によるものです。パフォーマンスのプレッシャー、コンピューティング能力に対する現実の脅威、そして他のパブリック チェーンとの競争による課題があります。しかし全体的に見て、イーサリアムが提案している「まずPoW+PoSに移行し、その後PoWを完全に放棄する」という現在の道筋もコンセンサスメカニズムの革新である。
しかし現実には、この方法の実装には比較的時間がかかります。これは、イーサリアムが巨大なコミュニティであるためであり、コンセンサスメカニズムを変更すると、コミュニティ内でプロデューサーとして機能するマイナーの利益が矛盾することになりますが、PoWメカニズムのイーサリアムではマイナーがブロックチェーンの意思決定者であり、 PoW から PoS への直接移行は困難になるはずです。
つまり、イーサリアムのアップグレードは技術的な問題ではなく、コミュニティで合意に達することが難しいため、ハードフォークに対して直接アップグレードを行うと、コミュニティの分裂を引き起こす可能性があり、環境のほとんどが損なわれる可能性があります。イーサリアムも分裂するだろう。
PoS に直接変換してみませんか? Vitalik Burterin 氏の答えは簡潔かつ直接的です。
「PoWメカニズムからPoW+PoSトランザクションハイブリッドメカニズムへの変更は非常に小さく、より高速かつ安全であり、比較してユーザーにとってより有益です。メカニズムの変更によってもたらされる危険を回避したいため、システムの安全性が高まって初めて、より大きな投資を行うことができます。」
2017 年 8 月にカルダノによって提案されたウロボロス コンセンサスは、PoS ベースのブロックチェーン プロトコルであり、厳格なセキュリティ保証があり、新しい報酬メカニズムを使用して PoS コンセンサス プロセスを推進することが特徴で、正直なノードの動作が近似値を構成します。ナッシュ均衡 、ブロック傍受や利己的マイニングなど、マイナーの戦略的行動によって引き起こされるセキュリティ攻撃を効果的に防御するために使用されます。
参考文献:
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2. イーサリアムキャスパープロトコルとは何ですか? https://ethfans.org/posts/ethereum-casper
3. なぜ PoS は PoW よりも 51% 攻撃を回避できるのですか? https://www.odaily.com/post/5135670
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