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1つです。ブロックチェーンネットワークは、不変で追記のみが可能であり、暗号化メカニズムによって保護される分散型データ台帳の一種です。ブロックチェーンは、中央管理者に依存することなく、データの整合性と改ざんへの耐性を維持しながら、参加者のネットワークが記録を保存および更新することを可能にします。

これらの特性を実現するためには、ネットワークが継続的に単一の有効な取引の分散型台帳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、そ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基本となります。

この記事では、コンセンサスアルゴリズムとは何か、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人気のあるコンセンサスアルゴリズムについて説明します。

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耐性のある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ぎ、分散型システム内で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は、ブロックチェーンネットワークのすべてのノードが分散型台帳の状態に合意することを保証するメカニズムです。

• 最も一般的に使用され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、デリゲーテッド・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、およびプルーフ・オブ・オーソリティが含まれます。

コンセンサスアルゴリズムとは何ですか？

ブロックチェーンネットワークは、複数のノードが取引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ーであり、台帳の少なくとも部分的なコピーを保持し、取引データの検証と中継に参加します。取引はブロックにグループ化され、各新しいブロックは前のブロックを参照し、年代順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ずに変更することはできず、これにより台帳は改ざん耐性を持ち、不変になります。

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、異なる時間帯に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になります。

コンセンサスアルゴリズムは、どの取引が有効で、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参加者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信頼できる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いと、ネットワークの異なる部分でトランザクションの順序や内容についての意見の相違が生じ、二重支払い、データの不整合、システムの完全性に対する信頼の喪失などの問題を引き起こす可能性があります。

コンセンサスのプロセスは単なる多数決ではなく、不正または機能不全のノードの可能性を考慮する必要があります。つまり、システムは操作に対して堅牢であり、改ざんやチェーンの競合するバージョンに対して耐性を持たなければなりません。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を与えます。これはブロックチェーンアーキテクチャの最も基本的なコンポーネントの1つであり、ネットワークが信頼性の高い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、すべての参加者が分散型ネットワークの単一のバージョンに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。最初のプロセスは、トランザクションが収集され、1つ以上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するものです。2番目のプロセスは、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するものです。

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、ネットワークはトランザクションのバッチをブロックにグループ化します。各ブロックには、トランザクションのコレクションと、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が含まれます。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、時間順序を確保し、改ざんを防ぎます。

しかし、ノードは自由にブロックチェーンにブロックを追加できるわけではありません。ネットワークは、ど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。コンセンサスアルゴリズムにおける最初の主要なプロセスであるこの割り当ては、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、ノードは暗号パズルを解く競争をしたり、次のブロックを提案する権利を獲得するためにステークや権威の形態を証明したりします。他のシステムは、選挙やローテーションメカニズムを使用します。どの方法であっても、選択プロセスは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ブロックの提案を制御す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、レビューのために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ます。この事前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が、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、ネットワーク全体のノードが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規則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ことを検証し、台帳の順序の完全性を維持します。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前のブロックやトランザクションで消費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、トランザクションのサイズ制限、形式、手数料の要件などのプロトコルの規則に準拠しているかどうかの確認も含まれます。ノードは、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するために、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べます。さらに、ノードは、ブロックを送信する提案者の適格性または権限を示す暗号の証明または署名を（使用中のコンセンサスメカニズムによって決定されるように）検証します。

検証ステップのいずれかが失敗した場合、ノードは提案されたブロックを拒否します。拒否は、ブロックがブロックチェーンに追加されず、すべての正直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、無効なデータや潜在的な攻撃からネットワークが保護されます。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引き続き依存します。

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はブロックを承認し、ブロックチェーンのローカルコピーに永続的に追加します。この集団的合意により、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します。

この2段階のアプローチ（つまり、責任あるノードによる提案されたブロックの形成と、より広いネットワークによる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プロセス全体を表しています。選択と検証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、ネットワークは中央集権的な制御なしに確実に動作することが保証されます。ブロックチェーンのシステムに対する信頼を損なう可能性のあるエラー、悪意のある行動、矛盾を防ぎます。

モジュラーシフト

近年、モジュール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。モジュール型ブロックチェーンは、従来のモノリシックなものとは異なり、主要な運用レイヤーを別々のコンポーネントに分割します。多くの場合、コンセンサスレイヤーは、決済およびデータ可用性（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は、より効率的で、より高速で、より安価な全体的な機能を実現するのに役立ちます。 

スケーラビリティの向上は、プルーフ・オブ・ヒストリー(PoH)の使用によるコンセンサスシステムでも達成されています。プルーフ・オブ・ヒストリー(PoH)は、検証可能なタイムスタンプ付きのイベント記録を作成し、ノードが互いに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暗号化手法です。

セキュリティおよびプライバシー機能の最近の改善は、ゼロ知識（ZK）テクノロジーの使用を通じても達成されています。ZKコンセンサスの強化は、基盤となるデータを公開したり、ノードに再処理を要求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の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

上記で説明したように、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つは、次のブロックを提案する責任を負うノードまたはノードグループを選択すること、もう1つは、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（ネットワーク全体の検証）は、ほとんどのブロックチェーンで一般的に非常に似ており、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のさまざまなチェックが含まれます。ただし、最初の部分は、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の強化が、優れたスケーラビリティやセキュリティを達成するために一部のプラットフォームによって実装されています。たとえば、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、ブロックチェーンは業界最高レベルのスループット容量を達成できます。

以下は、今日の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部分で利用されています。

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)

プルーフ・オブ・ワーク (PoW)は、2009年に立ち上げられた最初の実行可能なブロックチェーンであるビットコイン(BTC)で導入された、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(特殊なノード)が複雑な数学的パズルを解くために競い合います。パズルを解くには多大な計算上の労力が必要であり、それが「ワーク(作業)」と呼ばれる理由です。最初にそれを解いたマイナーは、次のブロックを提案する権利を持ち、通常は新しいコインや取引手数料の形で報酬を得ます。

PoWは、攻撃者がチェーンを操作するためにネットワークの計算能力の過半数を制御する必要があるため、非常に安全であると広く考えられています。2026年初頭までに、ハッシュレートとして知られるビットコインの総計算支出は記録的な高水準に達し、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、ネットワークに対する攻撃を仕掛ける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プロセスに関わる高いエネルギー消費を代償としており、これは持続可能性の基準に対する世界的な関心の高まりと衝突します。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。ビットコインの他に、PoWはライトコイン（LTC）やドージコイン（DOGE）などでも使用されています。

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もう一つのコンセンサス方式です。PoSでは、計算能力を使用してブロックの提案権を競う代わりに、ネットワークに「ステーク」またはロックアップしたトークンの数に基づいてブロックバリデーターを選択します。ステークされたトークンが多いほど、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に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、選択基準にわずかな調整が加えられています。

PoWと比較してエネルギー効率が高く、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。このコンセンサスアルゴリズムは、大量のトークンをステーク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簒奪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な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の数によって測定される分散化が制限されている場合、現実のリスクになる可能性があります。

近年、リステーキングプロトコルであるEigenLayer（EIGEN）などは、PoSエコシステムの世界における重要な革新として浮上しています。リステーキングにより、通常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などの1つのチェーンにロックされたステークを同時に再利用して、ブリッジやオラクルなどの他のネットワークや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ことができます。

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的なバリアントです。DPoSでは、一般ユーザーを含むトークン保有者が、信頼できるバリデーターノードのグループにステークを委任します。より多くのステーク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受け取る可能性が高くなります。本質的に、この小さなバリデーターノードのグループは、幅広いコミュニティを代表してトランザクションブロックの提案と検証を交代で行います。

このモデルは、任意の時点でブロックを提案するノードが少ないため、より迅速なコンセンサスとより高いスケーラビリティを可能にします。また、少額のトークン保有者であっても、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、ユーザーのエンゲージメントが促進されます。しかし、一部の代表者に権力が集中するため、分散化が弱まる可能性があると批判する声もあります。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。

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・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用に開発され、後にブロックチェーン技術に適合するように改良されました。これは、限られた数の既知のバリデーター（通常はプライベートブロックチェーン）を持つ分散型コンピューターネットワーク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、投票、最終合意に至る一連のラウンドを通じてコンセンサスに達します（ノードの3分の2が同意する限り）。

PBFTは高速なトランザクションのファイナリティと高いスループットを提供し、エンタープライズのユースケースにとって魅力的です。しかし、数千のノードにうまくスケールしないため、オープンで分散化されたネットワークでの使用は制限されます。PBFTにインスパイアされたモデルは、Hyperledger FabricやTendermintのようなブロックチェーンで使用されており、後者は Cosmos (ATOM)エコシステムを支えています。

プルーフ・オブ・オーソリティー(PoA)

プルーフ・オブ・オーソリティー(PoA)は、ブロック提案者が事前に承認され、特定された事業体（多くの場合、高い評判を持つ企業や個人）であるコンセンサスアルゴリズムです。バリデーターは計算能力やステークされたトークンを通じて競争するのではなく、その身元と信頼性に基づいて選択されます。

PoAは通常、分散化よりも速度、効率、アイデンティティに基づく信頼が重要である許可型のブロックチェーンで使用されます。これにより高速なファイナリティと高いトランザクションスループットが可能になりますが、中央集権的すぎると批判されることがよくあります。VeChain（VET）のようなネットワークや多数の許可型エンタープライズチェーンがPoAコンセンサスを実装しています。

ブロックチェーンのトリレンマ

誕生以来、ブロックチェーン業界はいわゆるブロックチェーンのトリレンマと格闘してきました。この用語は、分散化、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つしか改善できず、多くの場合、3つ目を犠牲にするという事実を指しています。これまでのところ、3つすべてを同時に改善できる従来のコンセンサスアルゴリズムはありません。 

このため、ブロックチェーン空間では、トリレンマの3つの要素にできるだけ効果的に対処するソリューションを開発するための重要な研究とイノベーションが行われてきました。トリレンマに取り組むため、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、リソースを枯渇させるPoWのアプローチに代わる「環境に優しい」平等な代替手段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、トランザクションを処理するために、生の計算能力ではなく、特定量の未使用のハードドライブ容量をネットワークに割り当てたことを証明します。PoSpaceは大きなストレージ容量を必要としますが、計算の支出は軽く済みます — 少なくともPoWと比較した場合には。 

PoStはさらに一歩進んで、志願するバリデーターによって割り当てられたスペースが、継続的な期間にわたってそのタスク専用のままであり、変更されていないという証拠を要求します。ハードドライブは専用のマイニングチップよりもアクセスしやすく、広く分散しているため、このアプローチは高い分散化を促進することを目的としています。

2つの革新的なネットワークが、PoSpaceとPoSTに基づくソリューションの実装において活躍しています。Chia（XCH）は、エネルギーコストを抑えながら分散化を指数関数的に高めるために、このアプローチを開拓しました。一方、Filecoin（FIL）は、機能的な分散型ストレージのマーケットプレイスを確保するためにこれを使用しています。しかし、これらのプラットフォームの理論的な将来性にもかかわらず、主流への普及は依然として限定的です。

現代のコンセンサス強化

前のセクションで述べたように、PoHとZK証明は、従来のコンセンサスアルゴリズムの限界に対処するため、近年導入された最も人気のある技術の一部です。例えば、主にPoSベースのコンセンサスモデルにPoHを実装することで、Solanaは最大スループット65,000TPS（秒ごとの取引件数）を達成しました。同等またはさらに速いTPS容量を持つ高度なスケーラビリティを備えたレイヤー2ネットワークが過去数年間で出現していますが、これらのプラットフォームは処理作業の一部をオフチェーン環境に移行させるため、ある程度セキュリティを妥協しています。厳密にレイヤー1チェーンを見ると、少なくとも人気のある選択肢の中では、Solanaは依然として最もスケーラビリティの高いネットワークとして際立っています。

PoHが主にスケーラビリティの向上に関するものであるのに対し、ZK証明は特にレイヤー2チェーンのセキュリティ強化において輝きます。トランザクション処理のいくつかの要素をオフチェーンに移動することで、これらのチェーンが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妥協していることは上述の通りです。同時に、レイヤー2チェーンはセキュリティリスクを軽減するため、ZK-SNARKやZK-STARKのような高度に安全なモデルを含むZK証明の採用に積極的です。そして、AggLayerやOptimismのSuperchainなどのレイヤー2チェーンのため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ました。

適切なコンセンサスメカニズムの選択

以下の表は、主なコンセンサスアルゴリズムとその主要な強みと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で改ざん不可能なバージョンに合意することを保証する上で重要です。全体のプロセスには、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の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。

時間が経つにつれて、基本的なコンセンサスアルゴリズム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顕著になってきました。この問題に対処するため、近年、PoHやZK証明などのコアコンセンサスモデルの強化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、または分散化の比較にとどまりません。相互運用性が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、最新の多くのブロックチェーンプラットフォーム、特にレイヤー2レベルのものは、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ために構築されています。

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