ブロックチェーンにおけるコンセンサスアルゴリズムとは？

ブロックチェーンは、過去20年間で最も重要な技術革新の一つです。ブロックチェーンネットワークは分散型台帳の一種であり、不変かつ追記のみが可能で、暗号化メカニズムによって保護されています。ブロックチェーンにより、参加者のネットワークは中央集権的な機関に依存することなく記録の保存や更新を行うことができ、同時にデータの整合性と改ざん耐性を維持することができます。

これらの特性を実現するために、ネットワークは取引台帳の単一の有効なバージョンについて継続的に合意する必要があります。この共有された合意はコンセンサスと呼ばれ、これを維持することはあらゆるブロックチェーンシステムの信頼性とセキュリティにとって不可欠です。

この記事では、コンセンサスアルゴリズムとは何か、それがより広範なブロックチェーンプロセスの一部としてどのように機能するか、分散型ネットワークがどのようにコンセンサスを達成するか、そして現在業界で実装されている一般的なコンセンサスアルゴリズムにはどのようなものがあるかについて解説します。

主なポイント:

• コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーンネットワークにとって重要です。それらは、すべてのノードが単一の改ざん防止された台帳の状態に合意することを保証し、競合を解決し、二重支払いなどの問題を防止し、その結果、分散型システム内の信頼と完全性を維持します。

• コンセンサスアルゴリズムとは、ブロックチェーンネットワーク内のすべてのノードが分散型台帳の状態について合意することを保証する仕組みです。

• 最も一般的に使用されているコンセンサスアルゴリズムには、プルーフ・オブ・ワーク、プルーフ・オブ・ステーク、デリゲート・プルーフ・オブ・ステーク、実用的なビザンチン・フォールト・トレランス、プルーフ・オブ・オーソリティなどがあります。

コンセンサスアルゴリズムとは？

ブロックチェーンネットワークは、複数のノードがトランザクションの共有台帳を維持する分散型システムです。各ノードは（ネットワークに接続された）コンピュータであり、台帳の少なくとも部分的なコピーを保持し、トランザクションデータの検証と中継に参加します。トランザクションはブロックにまとめられ、新しい各ブロックは前のブロックを参照することで、時系列のチェーンを形成します。一度チェーンに追加されると、ブロック内のデータは後続のすべてのブロックに影響を与えることなく変更することができないため、台帳は改ざん耐性を持ち、不変のものとなります。

このシステムが確実に機能するためには、参加するすべてのノードが台帳の現在の状態について合意する必要があります。ノードは独立して動作し、異なるタイミングでデータを受け取る可能性があるため、競合を解決し、すべての誠実なノードが同じバージョンの台帳を見て受け入れることを保証するメカニズムが必要です。ここでコンセンサスアルゴリズムが不可欠となります。

コンセンサスアルゴリズムとは、どの取引が有効であり、どのブロックを次に台帳に追加すべきかについて、ノード間で合意に達するために使用されるプロセスです。その役割は、遅延、障害、あるいは悪意のあるアクターが存在する場合でも、すべての誠実な参加者がブロックチェーンの単一の正当なバージョンに収束することを保証することです。効果的なコンセンサスメカニズムがなければ、ネットワークの異なる部分で取引の順序や内容についての不一致が生じ、二重支払い、データの不整合、そしてシステムの完全性に対する信頼の喪失といった問題につながる可能性があります。

コンセンサスのプロセスは単なる多数決ではなく、不正なノードや誤動作するノードの可能性を考慮しなければなりません。つまり、システムは操作に対して堅牢であり、チェーンの変更や競合するバージョンに対して耐性がなければならないということです。コンセンサスアルゴリズムの設計は、ブロックチェーンのセキュリティ、パフォーマンス、および分散化のレベルに直接影響します。それはブロックチェーンアーキテクチャの最も基本的な構成要素の一つであり、ネットワークが信頼できる統一されたシステムとして機能することを保証するための前提条件です。

コンセンサスアルゴリズムの仕組み

ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムは、分散型ネットワークの単一のバージョンに対して全参加者が合意することを保証する、相互に接続された2つのプロセスに依存しています。第一のプロセスは、トランザクションが集められ、一つまたは複数のノードがそれらのトランザクションを含む新しいブロックを提案する権利を獲得する方法に関わるものであり、第二のプロセスは、提案されたブロックがネットワーク全体で共有され、台帳に恒久的に追加される前に他のノードによって検証される方法に関わるものです。

ブロックチェーン上では、ユーザーはトランザクションをネットワークに送信することで継続的にトランザクションを開始します。これらのトランザクションはすべてのノードにブロードキャストされ、収集されて一時的に未確認トランザクションのプールに保存されます。各トランザクションを即座に台帳に追加するのではなく、ネットワークは一連のトランザクションをブロックにグループ化します。各ブロックには、前のブロックへの参照、タイムスタンプ、その他のプロトコル固有のデータなどのメタデータとともに、トランザクションの集合が含まれています。この構造は連続したチェーンを形成し、各新しいブロックが前のブロックを参照することで、時系列順序を保証し、改ざんを防止します。

しかし、ノードは勝手にブロックをブロックチェーンに追加することはできません。ネットワークは、どのノード（または複数のノード）が次のブロックを提案する権限を持つかを決定する必要があります。この割り当てはコンセンサスアルゴリズムにおける最初の重要なプロセスを表しており、ブロックチェーンによって異なります。一部のシステムは競争プロセスに依存しており、ノードが暗号パズルを解く競争を行ったり、次のブロックを提案する権利を得るためにステーク（賭け金）や権限の形態を証明したりします。選挙やローテーションのメカニズムを使用するものもあります。方法にかかわらず、選定プロセスはブロックの提案を制御し、競合するブロックを最小限に抑え、ネットワークが整然と進行できるように設計されています。

次のブロックを台帳に追加する権利を獲得したノード（または複数のノード）は、提案されたブロックを他のノードにブロードキャストしてレビューを受けます。予備的に検証されたブロックを最終確認のためにネットワーク全体に伝播させることは、コンセンサスアルゴリズムの2番目の重要な段階です。

次のステップ

提案されたブロックを受け取ると、ネットワーク上のノードは検証プロセスを開始します。このプロセスは、ブロックがブロックチェーンプロトコルのルールに従っていることを確認するための複数のチェックで構成されています。ノードはまず、提案されたブロックがチェーン内の前のブロックを正しく参照しているか検証し、台帳の順序の整合性を維持します。次に、ブロックに含まれる各トランザクションを検証し、デジタル署名が有効であること、およびトランザクションの入力が以前のブロックやトランザクションで既に使用されていないことを確認します。これにより、二重支払いが防止され、台帳の一貫性が維持されます。

検証には、すべてのトランザクションが、トランザクションサイズの制限、フォーマット、手数料要件などのプロトコルルールに適合しているかどうかの確認も含まれます。ノードは、タイムスタンプを含む提案されたブロックのメタデータを調査し、ブロックが許可された時間枠外で作成されていないことを確認します。さらに、ノードは、提案者がブロックを提出する適格性または権限を持っていることを証明する暗号証明または署名を検証します（これは使用されているコンセンサスメカニズムによって決定されます）。

いずれかの検証ステップが失敗した場合、ノードは提案されたブロックを拒否します。拒否とは、ブロックがブロックチェーンに追加されず、すべての誠実なノードによって破棄されることを意味します。この拒否により、ネットワークは無効なデータや潜在的な攻撃から保護されます。有効な次のブロックを提案するプロセスが繰り返される間、ネットワークは最後に承認されたブロックに依存し続けます。

提案されたブロックがすべての検証チェックに合格すると、コンセンサスが達成されます。すべての正直なノードがそのブロックを受け入れ、ローカルにあるブロックチェーンのコピーに永久に追加します。この集団的な合意により、ブロックチェーンがすべてのノードにわたって単一の一貫した記録であり続けることが保証されます。ブロックが追加されると、ノードは新しいトランザクションの収集に移行し、次のブロック提案サイクルの準備を始めます。

この2段階のアプローチ、すなわち、責任あるノードによる提案ブロックの形成と、より広範なネットワークによるそのブロックのさらなる検証は、ブロックチェーンコンセンサスの全プロセスを表しています。選択と検証のための具体的なメカニズムはコンセンサスアルゴリズムによって異なりますが、この一般的な枠組みにより、ネットワークが中央集権的な管理なしに確実に動作することが保証されます。それは、ブロックチェーンシステムへの信頼を損なう可能性のあるエラー、悪意のある行動、および不整合から保護します。

モジュラーシフト

近年、モジュラー型のブロックチェーン設計がますます人気を集めています。モジュラー型ブロックチェーンは、従来のモノリシックな（一枚岩のような）ブロックチェーンとは異なり、主要な運用レイヤーを個別のコンポーネントに分割しています。多くの場合、コンセンサスレイヤーは、決済レイヤーやデータ可用性（DA）レイヤーとは異なる環境で処理されます。このようなモジュール性により、全体的な機能において、より効率的で、より速く、あるいはより安価な運用が可能になります。 

また、プルーフ・オブ・ヒストリー(PoH)を使用することで、コンセンサスシステムのスケーラビリティも向上しています。PoHは、ノード同士が通信することなく、トランザクションの正確な順序を証明するために、検証可能でタイムスタンプが押されたイベント記録を作成する暗号技術です。

セキュリティとプライバシー機能における最近の改善は、ゼロ知識（ZK）技術の使用によっても達成されています。ZKによるコンセンサスの強化は、基礎となるデータを明らかにしたり、ノードが再処理したりすることなく、トランザクションのバッチが正しいことを検証するために数学的証明を使用する検証プロトコルを活用しています。

ブロックチェーンにおけるコンセンサスアルゴリズムの種類

前述のように、すべてのコンセンサスアルゴリズムは、2つの重要な機能を実行します。1つ目は、次のブロックの提案を担当するノードまたはノードグループを選択すること、2つ目は、提案されたブロックをより広いネットワーク全体で検証することです。 

このプロセスの2番目の部分（ネットワーク全体での検証）は、通常、ほとんどのブロックチェーンで非常に似ており、トランザクション署名の検証、正しいブロックリンクの確保、二重支払いのチェックなど、さまざまな確認が含まれます。しかし、1番目の部分は、使用されるコンセンサスアルゴリズムによって大きく異なる場合があります。これらの違いは、ネットワークの分散化、エネルギー使用量、パフォーマンス、および攻撃に対する脆弱性に大きな影響を与えます。

さらに、PoHやZK証明などのコンセンサスアルゴリズムへの拡張機能が、優れたスケーラビリティやセキュリティを実現するために、一部のプラットフォームで実装されています。例えば、Solana (SOL) は、その中核となるプルーフ・オブ・ステーク(PoS)コンセンサスプロトコル内にPoH処理メカニズムを備えており、この設計により、業界で最も高いスループット能力の一部をブロックチェーンが達成できるようになっています。

以下は、現在ブロックチェーンネットワークで使用されている最も一般的な5つのコンセンサスアルゴリズムです。他にも多くのコンセンサスアルゴリズムが使用されていますが、これら5つはブロックチェーン業界で最も人気のあるネットワークの大多数によって利用されています。

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)

プルーフ・オブ・ワーク(PoW) は、2009年に登場した最初の実用的なブロックチェーンであるビットコイン(BTC)と共に導入された、最も人気のある2つのコンセンサスアルゴリズムのうちの1つです。PoWコンセンサスアルゴリズムでは、マイナー（専用ノード）が複雑な数学的パズルを解くために競争します。このパズルを解くには多大な計算努力が必要であり、そのため「ワーク（仕事）」と呼ばれています。最初にパズルを解いたマイナーは、次のブロックを提案し、通常は新しいコインと取引手数料の形で報酬を得る権利を獲得します。

PoWは非常に安全であると広く考えられています。なぜなら、攻撃者がチェーンを操作するためにはネットワークの計算能力の過半数を支配する必要があるからです。2026年初頭までに、ビットコインの総計算支出量、通称ハッシュレートは過去最高を記録し、平均で毎秒1ゼタハッシュ (1 ZH/s)を超えました。これにより、ネットワークへの攻撃を行うための経済的コストが大幅に増加しました。

しかし、このセキュリティはPoWプロセスに伴う高いエネルギー消費という代償を伴っており、これが世界的な持続可能性基準への注目の高まりと相反しています。これが、多くの新しいブロックチェーンプロジェクトがもはやPoWを採用しない主な理由です。ビットコイン以外にも、PoWはライトコイン（LTC）やドージコイン（DOGE）などで使用されています。

プルーフ・オブ・ステーク(PoS)

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、PoWと並んで広く使用されているコンセンサス方式です。ブロック提案権を競うために計算能力を使用する代わりに、PoSではネットワーク上にどれだけのトークンを「ステーキング」（ロックアップ）しているかに基づいてブロックバリデーターを選択します。ステーキングされたトークンが多ければ多いほど、次のブロックを提案するために選ばれる可能性が高くなります。

PoWとは異なり、PoSははるかにエネルギー効率が高く、多くの場合、より高速なトランザクション処理を可能にします。PoSはCardano（ADA）やPolkadot（DOT）などのチェーンの立ち上げに伴い広く普及し、イーサリアム（ETH）が2022年にPoWからPoSへ移行したことでさらに注目を集めました。各ネットワークは通常、独自のPoSのバリエーションを持っており、選択基準に微調整が加えられています。

PoWと比較してエネルギー効率やパフォーマンスに優れているにもかかわらず、PoSには独自の脆弱性があります。このコンセンサスメカニズムは、多額のトークンをステーキングしている少数のバリデーターノードによるネットワークの乗っ取りにつながる可能性があります。この問題はイーサリアムのように高度に分散化されたチェーンではそれほど顕著ではないかもしれませんが、ネットワーク上のアクティブなバリデーター数で測定される分散化が限られている場合、現実的なリスクとなる可能性があります。

近年、EigenLayer（EIGEN）のようなリステーキングプロトコルが、PoSエコシステムの世界における重要なイノベーションとして登場しました。リステーキングにより、あるチェーン（通常はイーサリアムのような大規模でリソース豊富なネットワーク）にロックされたステークを、他のネットワークやブリッジ、オラクルなどのブロックチェーンサービスのコンセンサスメカニズムを保護するために同時に再利用することが可能になります。

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（DPoS）は、標準的なPoSの、より民主的で代表制を取り入れた変種です。DPoSでは、一般ユーザーを含むトークン保有者が、自身の保有分を信頼できるバリデーターノードのグループに委任（デリゲート）します。より多くの委任を集めたバリデーターは、次のブロックを提案する権利を得る確率が高くなります。要するに、この少人数のバリデーターノードグループが、より広範なコミュニティを代表して交代でトランザクションブロックの提案と検証を行うのです。

このモデルでは、ブロック提案に関与するノード数が常に少ないため、より迅速なコンセンサス形成と優れたスケーラビリティが可能になります。また、少額のトークン保有者でも委任を通じてコンセンサスの結果に影響を与えることができるため、ユーザーの参加も促進されます。しかし批評家たちは、権力が一握りの代表者に集中するため、分散化が損なわれる可能性があると主張しています。DPoSを使用しているネットワークの例としては、EOS（EOS）やTRON（TRX）があります。

プラクティカル・ビザンチン・フォールト・トレランス（PBFT）

プラクティカル・ビザンチン・フォールト・トレランス（PBFT）は元々、1990年代に分散コンピューティングシステム向けに開発され、後にブロックチェーン技術での利用に適応されました。これは、既知のバリデーター（検証者）の数が限られている分散型コンピュータネットワーク（通常はプライベートブロックチェーン）で効率的に機能するように設計されています。PBFTでは、ノードはブロックの提案、それに対する投票、そして最終的な合意形成を含む一連のラウンドを通じてコンセンサスに達します（3分の2のノードが同意する限り）。

PBFTは高速なトランザクションファイナリティと高いスループットを提供するため、企業のユースケースにとって魅力的です。しかし、数千のノード規模にはうまく拡張できないため、オープンな分散型ネットワークでの使用は制限されます。PBFTに触発されたモデルは、Hyperledger FabricやTendermintなどのブロックチェーンで使用されており、後者は Cosmos（ATOM）エコシステムの基盤となっています。

プルーフ・オブ・オーソリティー(PoA)

Proof of authority (PoA) is a consensus algorithm in which block proposers are preapproved and identified entities, often companies or individuals with a strong reputation. Rather than competing through computing power or staked tokens, validators are selected based on their identity and trustworthiness.

PoA is typically used in permissioned blockchains in which speed, efficiency and identity-based trust are more important than decentralization. It enables fast finality and high transaction throughput, but is often criticized for being too centralized. Networks like VeChain (VET) and numerous permissioned enterprise chains have implemented PoA consensus.

The blockchain trilemma

Since its birth, the blockchain industry has struggled with the so-called blockchain trilemma. この用語は、分散性（非中央集権性）、セキュリティ、スケーラビリティという3つの重要な指標のうち、ブロックチェーンは1つまたは2つしか向上させることができず、多くの場合、3つ目を犠牲にしているという事実を指しています。従来のコンセンサスアルゴリズムで、この3つを同時に改善できたものはまだありません。

このことがブロックチェーン分野における多大な研究とイノベーションを促し、トリレンマの3つの要素すべてに可能な限り効果的に対処するソリューションの開発が進められてきました。トリレンマに取り組むための探求の中で、様々な持続可能な代替案、ニッチな技術、コンセンサスの強化が導入されてきました。

持続可能な代替案とニッチなアプローチ

Proof of Space（PoSpace）とProof of Spacetime（PoSt）は、リソースを大量に消費するPoWのアプローチに対し、「環境に優しい」かつ平等主義的な代替案として設計されました。

PoSpaceでは、ネットワークバリデーターは、単なる計算能力ではなく、特定の量の未使用ハードドライブ容量をトランザクション処理のためにネットワークに割り当てたことを証明します。PoSpaceはかなりのストレージ容量を必要としますが、計算コストは（少なくともPoWと比較して）低く抑えられます。 

PoStはさらに一歩進み、バリデーター志望者が割り当てたスペースがタスク専用であり続け、一定期間変更されていないという証拠を要求します。このアプローチは、ハードドライブが特殊なマイニングチップよりも入手しやすく広く普及しているため、高い分散性を促進することを目指しています。

Two innovative networks have been active in the implementation of solutions based on PoSpace and PoST. Chia (XCH) pioneered this approach in order to exponentially increase its decentralization while keeping energy costs down. Meanwhile, Filecoin (FIL) has used it to secure a functional decentralized storage marketplace. However, despite their theoretical promise of these platforms, mainstream adoption remains limited.

Modern consensus enhancements

As noted in earlier sections, PoH and ZK proofs have been among the most popular technologies introduced in recent years to address the limitations of traditional consensus algorithms. For example, by implementing PoH within its mostly PoS-based consensus model, Solana has achieved a maximum throughput of 65,000 transactions per second (TPS). Although highly scalable Layer 2 networks with similar or even faster TPS capacities have emerged over the past several years, these platforms shift some of the processing work to off-chain environments, compromising security to a certain degree. レイヤー1チェーンのみに注目した場合、Solanaは依然として、少なくとも人気のある代替手段の中では最もスケーラビリティに優れたネットワークとして際立っています。

PoHは主にスケーラビリティの向上に関するものですが、ZK証明は特にレイヤー2チェーンにおいてセキュリティの強化に優れています。前述したように、これらのチェーンはトランザクション処理の一部をオフチェーンに移動させることで、ブロックチェーンのトリレンマのセキュリティ要素をある程度犠牲にしています。同時に、レイヤー2チェーンは、ZK-SNARKやZK-STARKのような非常に安全なモデルを含むZK証明を積極的に採用し、セキュリティリスクを軽減しています。そして、AggLayerやOptimismのSuperchainのようなレイヤー2チェーン向けの統合環境の台頭により、これらのレイヤー2ネットワークはセキュリティプロファイルをさらに強化しています。

適切なコンセンサスメカニズムの選択 

下の表は、主要なコンセンサスアルゴリズムと、それぞれの主な強みおよびユースケースを比較したものです。

まとめ

コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーンネットワークのバックボーンです。これらは、すべての参加者が台帳の単一かつ改ざん不可能なバージョンに合意することを保証するために不可欠です。全体的なプロセスには、ブロック提案者の選出とネットワーク全体でのブロック検証の両方が含まれますが、これらのアルゴリズムを真に区別するのは、提案者選出の特定の方法です。

時が経つにつれ、基礎となるコンセンサスアルゴリズムだけではブロックチェーンのトリレンマを完全には解決できないことが明らかになってきました。この問題に対処するため、近年、PoHやZK証明といった、コアとなるコンセンサスモデルへの拡張機能が導入されています。

今日、コンセンサスアルゴリズムの設計を評価することは、セキュリティ、速度、または分散化を比較するだけにとどまりません。相互運用性はますます重要な考慮事項として浮上しています。そのため、多くの現代のブロックチェーンプラットフォーム、特にレイヤー2レベルでは、AggLayerやOptimism Superchainのような革新的なソリューションを通じて他のネットワークとのシームレスな通信を確保するように構築されています。

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