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Web3 の関連概念を分かりやすくまとめてみる -マイニング、The merge、Sharding、コンセンサスアルゴリズムについて-

2022/09/11に公開約2,700字

Web3 の関連概念を分かりやすくまとめる試みの第二弾です。
他の記事についてもぜひご覧ください!

マイニング

第一弾のブロックチェーンのまとめ で紹介したとおり、チェーンに追加するブロックを生成するためには、ブロックに含まれた取引の正当性を検証するマイニングという作業が必要になります。

マイニングは、実際にはハッシュ計算と呼ばれる数値計算の形で行われ、その計算結果が特定の条件を満たすまで延々と繰り返されます。この計算には膨大な計算資源 (GPU や ASIC など) が必要ですが、この仕組みこそが、ブロックチェーンにおけるなりすまし・改ざんなどの不正を困難にしているのです。
つまり、ブロックチェーン上のある取引を改ざんするためには、そのブロックから現在のブロックまでの全てのマイニング作業をやり直す必要があり、そんな膨大な計算資源を集めることは事実上不可能ですし、そもそもコスト的に割に合わないのです。

なおこのような、マイニングによってブロック生成者を決定する方式を PoW (Proof of Work) と言います。

マイニングを真っ先に完了させてブロックを生成したマイナーには、報酬として新規発行されたビットコインが供給されます。
何度も計算を行い上手くいけば報酬を得られる点が、何度も地面を掘り進め上手くいけば価値のある鉱物を手に入れられる採掘者に似ているためマイニングと呼ばれているのです。

消費電力の問題、高額なガス代の問題

マイニングの報酬は、新しいブロックを生成したマイナーしか受け取ることができないため、世界中で競い合うようにマイニングが行われています。その結果問題になってきたのが消費電力の増大です。

ケンブリッジ大学の試算 によると、ビットコインのマイニングによる消費電力は 13.41GW ほどにものぼり、その規模は世界の消費電力合計の 0.57% ほど、国ごとの消費電力ランキングにビットコインを含めると 31 位に位置するほどです。

またビットコインとは別の暗号通貨であるイーサリアムも同様の問題を抱えており、それはガス代 (取引手数料のようなもの) の高騰という形で問題になっています。
イーサリアムではこの解決策として、The merge や Sharding の実施を試みています。

The merge

The merge とはブロック生成者の決定方法を PoW(Proof of Work) から PoS(Proof of Stake) に移行することです。

PoS ではブロック生成者をランダムに決定します。
そのためマイニング競争が必要なくなり、PoW と比較して消費電力を 99.95% 以上削減することができると予測されています。

この作業は非常に困難であり当初の予定よりも大幅に遅れていますが、2022 年 9 月に実施することが決まっています (この記事の執筆時まさに実施中です)。

Sharding

Sharding とはデータベースを分割することで負荷を分散させることです。

イーサリアムの場合、メインのネットワークを 64 の新しいチェーン (= シャードチェーンと呼ばれています) に分割することで、処理能力の向上を目指します。

この作業は The merge 以降、2023 年にかけて実施される予定です。

コンセンサスアルゴリズム

PoW や PoS という言葉がでてきましたが、こうしたブロック生成者を決定するアルゴリズムはコンセンサスアルゴリズムと呼ばれています。

PoW と PoS 以外にも様々なコンセンサスアルゴリズムが存在し、それぞれ特徴・メリット・デメリットが存在します。
個別の詳しい紹介はしませんが、代表的なものとしては次のようなものが挙げられます。

  • PoW (Proof of Work)
    • マイニング競争に勝った者がブロックを生成する方式。最も基本的なコンセンサスアルゴリズム。
  • PoS (Proof of Stake)
    • ブロック生成者をランダムに決定する方式。PoW と比較して消費電力を抑えられ、かつブロックの生成速度が速い。一方で通貨の保有量が多いほど、ブロック生成者に選ばれる確率が高まるため、通貨の流動性が落ちやすい。
  • PoI (Proof of Importance)
    • PoS を発展させたような形で、通貨の保有量に加えて取引回数や取引通貨量などの指標を元に参加者の重要度を数値化し、その数値を元にブロック生成者を決める方式。導入事例が少なく、まだメリット・デメリットが分かりきっていない。
  • PoC (Proof of Consensus)
    • 取引の承認を行うことができる者 (= バリデーターと呼ばれる) が元々決まっており、その中の一定数が承認を行うとブロックの生成を行うことができる方式。ブロックの生成速度が速い一方、実質中央集権的であり、管理人による不正や倒産などのリスクがある。

まとめ

以上、マイニング、The merge、Sharding、コンセンサスアルゴリズムについてまとめてみました。
その他の概念についても順にまとめていく予定です。ぜひフォローお願いします!
もし間違っている箇所があればご指摘お願いします。

Discussion

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