イーサリアムプルーフ・オブ・ステークとは？

By Gaurav Roy

Aug 23, 2024 | Updated Aug 23, 2024

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重要なポイント

— イーサリアムは、トランザクションを検証し、ブロックチェーンに新しいブロックを追加するためのより安全でエネルギー効率の高い方法として、2022年にプルーフ・オブ・ステーク（Proof-of-Stake：PoS）コンセンサス（合意）メカニズムに正式に切り替えました。

— PoSのようなコンセンサスメカニズムは、ネットワークのセキュリティに不可欠です。これは複雑なシステムで、情報に基づいた意思決定を行うには、基礎となるシステムを理解することが重要です。

— この記事では、イーサリアムのPoSコンセンサスアルゴリズムの背後にある複雑な概念をわかりやすくご説明し、読者の皆様に、明確かつ包括的にご理解いただくことを目的としています。

プルーフ・オブ・ステーク（Proof-of-Stake：PoS）は、イーサリアムのコンセンサス（合意）アルゴリズムの基礎となるメカニズムです。この変化についてよく知らない方のためにご説明すると、イーサリアムは、2022年に正式にPoSメカニズムに切り替えました。これはエネルギー消費が少なく、新しいスケーリング（規模調整）ソリューションを実装するためのプラットフォームを提供すると考えられていました。

この記事では、Ledger Academyが、イーサリアムのPoSコンセンサスアルゴリズムの複雑さを、シンプルかつ簡潔な方法でご理解いただけるようにご説明します。それでは、始めましょう！

プルーフ・オブ・ステーク（Proof-of-Stake：PoS）とは？

プルーフ・オブ・ステーク（Proof-of-Stake：PoS）は、ブロックチェーンネットワークを保護するために使用されるコンセンサス（合意）メカニズムの一種です。コンセンサスメカニズムは、ネットワークがどのように機能するかを決定する基礎となるルールとして、すべてのブロックチェーンの支柱です。

コンセンサスメカニズムとは？

まず、コンセンサス（合意）の考え方を理解することから始めましょう。一般に、コンセンサスとは、人々のグループ間で合意に達するために使用されるプロセスです。

ブロックチェーンの観点から見ると、コンセンサスは、ネットワーク上のノードのグループが、どのブロックチェーントランザクションが有効であるかを決定するプロセスです。コンセンサスメカニズムは、この合意を達成するための方法論です。

つまり、ブロックチェーンとは、分散化され、非中央集中化され、しばしば公開されるトランザクションのデジタル台帳です。ブロックチェーン上の各トランザクションは、データの「ブロック」として記録され、当該チェーンに追加される前に、P2P（Peer to Peer：ピア・ツー・ピア）コンピューターネットワークによって承認される必要があります。このシステムは、ブロックチェーンを不正行為や二重支払いから保護するのに役立ちます。

コンセンサスメカニズムにはさまざまな種類があります。それぞれ機能は異なりますが、目的は1つです。それは、ブロックチェーン上のトランザクション記録が、真実で正直であることを保証することです。プルーフ・オブ・ステーク（Proof-of-Stake：PoS）は、最も一般的なコンセンサスメカニズムの1つです。

PoSコンセンサスメカニズム

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）ネットワークは、ステーキングされた暗号資産を使用してネットワーク自体を保護するシステムです。コンセンサスに参加するために、バリデーターノードはすべて、ネットワーク上のETHからなるセキュリティデポジットを「ロック」しておく必要があります。暗号資産を担保として使用することで、ノードが適切に動作するように強制され、ネットワークの安全性を維持するのに役立ちます。

バリデーターとは何ですか?

バリデーターノードはブロックチェーンネットワークの重要な部分です。これは、プルーフ・オブ・ステークブロックチェーンの合意形成プロセスに参加する責任があります。バリデーターノードは、トランザクションの新しいブロックの真正性について投票します。それにより、当該ブロックチェーンに永続的に追加する前に、新しいブロックが有効であることを共同で確認します。一方、1つの特定のノードが、現在のタイムスロット（ブロック生成の区切り）の「ブロック提案者」として選択されます。このノードは、トランザクションの新しいブロックを構築し、それを承認対象の他のノードにブロードキャストする（送る）役割を果たします。

新しいブロックの承認方法は？

各バリデーターノードには、当該ブロックチェーン履歴の同じコピーがあります。この共通の履歴を使用して、バリデーターノードはトランザクションの新しいブロックが有効かどうかを評価します。次に、バリデーターノードは、ブロックをメインチェーンに追加する前に、グループとしてこの点について投票します。

イーサリアムネットワークがバリデーターを選択する方法は？

イーサリアムのプルーフ・オブ・ステーク（PoS）システムにおけるバリデーターの選択は、同ネットワークにおけるバリデーターのステーキングに基づいています。ご説明すると、ステーキングが大きくなるほど、そのノードがチェーンに新しいブロックを追加するのに選択される可能性が高くなります。

イーサリアムのステーキング要件

イーサリアムPoSシステムでは、各バリデーターは同ネットワークのネイティブトークン（この場合は32ETH）をステーキングする必要があります。 ETHをステーキングするという要件により、バリデーターは同ネットワークの最善の利益のために行動するようになります。これは、バリデーターが同システムを破壊しようとした場合や、確実かつ効果的に検証できなかった場合に、バリデーターは投資を失う恐れがあるためです。

Ledger Liveアプリでは、イーサリアムコインを簡単かつ安全にバリデーターにステーキングし、受動的にETH報酬を獲得し始めることができます。

ファイナリティとは？

ファイナリティは、ブロックチェーン上のトランザクションを保護するのにかかる時間です。ファイナリティは、ブロックチェーン内の特定のブロックが変更または元に戻せないことを保証します。したがって、当該ブロック内のトランザクションは不変です。

トランザクションが最新のブロックの一部として承認された後でも、変更したり元に戻したりできないわけではありません。その後の短期間、トランザクションは、ブロックチェーンの弱点を悪用しようとする悪意のある者からの攻撃に対して、脆弱になる可能性があります。

イーサリアムプルーフ・オブ・ステークにおけるブロックファイナリティ

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）では、イーサリアムは「チェックポイント」ブロックを使用してバリデーターの投票を管理します。各エポックの最初のブロック（当該バリデーターがブロックを提案および証明する32スロットの期間、6.4分）がチェックポイントです。

バリデーターは、個々のブロックの有効性に投票するだけでなく、その後、チェックポイント全体にも投票します。当該チェックポイントが、ステーキングされたETHの合計の少なくとも3分の2から投票を受け取った場合、そのチェックポイントはアップグレードされます。その後、最新のチェックポイントが「正当化」されます。以前のチェックポイントは、前のエポックのターゲットであったためすでに正当化されており、「ファイナライズ済み（finalized：最終確定で不変）」にアップグレードされます。

したがって、攻撃者がファイナライズ済みのブロックを元に戻したい場合は、ステーキングされた全ETHの少なくとも3分の1を失うことを覚悟する必要があります。

スラッシング（Slashing）とは？

スラッシングは、PoSプロトコルで使用される懲罰システムで、バリデーターが有害または無責任な行為を行った場合に、ペナルティを与えます。これには通常、同ネットワークがセキュリティデポジット（最初にステーキングしたコイン）の一部を差し引くことが含まれます。

さらに理解するために、スラッシングの重要な要素の一部を見てみましょう。

バリデーターにインセンティブを与える

イーサリアムPoSシステムでは、バリデーターノードによってステーキングされた暗号資産の合計（32ETH）が、セキュリティデポジットとして機能します。同ネットワークによって金額が「スラッシュ（削減）」される可能性があるため（バリデーターが適切に行動しない場合）、バリデーターノードは同ブロックチェーンに利益をもたらす方法で動作することに、利益に基づいた確たる理由を持っています。

ダウンタイムの防止

スラッシングにつながる最も一般的な行為の1つはダウンタイムです。「ダウンタイム」という用語は、バリデーターがオフラインになり、新しいブロックを生成できない期間を指します。これは、ネットワークの遅延、ソフトウェアの問題、またはハードウェアの問題が原因である可能性があります。

バリデーターがダウンすると、バリデーターはコンセンサスプロセスに参加できなくなります。これは同ネットワーク全体の機能に有害なため、同ネットワークによって、スラッシングによってペナルティが課されます。

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）はプルーフ・オブ・ワーク（Proof-of-Work：PoW）とどう違うのか？

PoWとPoSはどちらも、一種のコンセンサスメカニズムで、中央の管理当局なしで暗号資産ネットワークを運用できるようにします。ただし、それを実現する方法が異なり、セキュリティと信頼性の程度も異なります。

プルーフ・オブ・ワーク：エネルギー消費によるセキュリティ

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）コンセンサスメカニズムでは、ブロックハッシュが非常に複雑な方程式を介して計算された場合にのみ、新しいブロックを追加できます。その値がマイナーによってランダムに発見されるまでには、何兆回もの推測が必要になる場合があります。これは、大量の電力を消費する可能性があります。これを最初に達成したマイナーのみがブロックを承認し、報酬を受け取ります。このシステムでは、エネルギーは、ネットワークがネットワーク自体を保護するために使用するリソースです。ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムを克服するには膨大なエネルギーが必要であり、これが、悪者に対する重要な抑止力となります。

プルーフ・オブ・ステーク：ステーキングされたコインによるセキュリティ

イーサリアムのようなプルーフ・オブ・ステークネットワークは、ステーキングされた暗号資産によってネットワーク自体を保護します。新しいトランザクションを承認するノードは、パズルを解くためにコンピューティングエネルギーを費やす代わりに、担保として自身の価値をステーキングします。また、これらのノードは、自身の担保の損失を避けるために効率的かつ誠実に実行されます。

一方、ネットワークを制御しようとする悪意のある者は、その時点でステーキングされているコインの51%以上を所有する必要があります。ネットワーク上でステーキングされている全コインの51%を制御することは非常に困難であるため、そのような攻撃が行われる可能性は非常に低くなります。これが、プルーフ・オブ・ステークネットワークを保護するコンセンサスメカニズムの仕組みです。