PoS、DPoS、PBFT…革新的なコンセンサスが次々と生まれています。 PoW は時代遅れですか?

さまざまな革新的なコンセンサス（PoS、DPoS、PBFT）が溢れる今日のブロックチェーンの世界では、PoW は時代遅れなのでしょうか? PoW の将来はどうなるのでしょうか? PoW に基づいてコンセンサスの最適化とイノベーションの作業を行う必要がありますか?

私たちは、PoW が依然として他のコンセンサスの中核または基盤であり、かけがえのない位置を占めていると信じています。なぜそんなことを言うのですか？私たちはこれらのコンセンサス間のつながりを理解しようと努めています。

分散型コンセンサス

歴史を振り返ると、サトシ・ナカモトの PoW は分散合意に関する学術研究の継続ではありませんでした。彼は当初、自分が提案した解決策が特定の学術的テーマに対応しているかどうかわからなかった。後になって、サトシ・ナカモトの PoW がビザンチン環境における分散型合意のソリューションを大まかに提供したと誰もが考えるようになりました。そのとき初めて、私たちは PoW に関する学術的な視点を持ち、PoW 研究の問題を分散コンセンサスに関する学術研究と結び付けることができました。

分散型コンセンサスに関しては、「FLP 不可能性」定理について言及する必要があります。ネットワークは信頼できるが、ノード障害 (たとえ 1 つだけであっても) が許容される最小限の非同期モデル システムでは、一貫性の問題を解決できる決定論的なコンセンサス アルゴリズムは存在しません。この定理を提案し証明した論文「1 つの障害のあるプロセスによる分散合意の不可能性」は、1985 年に 3 人の科学者、フィッシャー、リンチ、パターソンによって出版されました。この定理が私たちに与える啓示は、現在エンジニアリングで実現可能な分散コンセンサスは、いくつかの側面で妥協しなければならないということです。

実際、現在、妥協の方向性は 2 つあります。1 つは非同期性について妥協すること、もう 1 つは決定論について妥協することです。

非同期性とのいわゆる妥協策は、メッセージが無期限に遅延されないことを前提として、タイムアウト メカニズムを設定することです。 DLS アルゴリズム (「部分的同期の存在下での合意」) と PBFT アルゴリズム (実用的なビザンチン フォールト トレランス) は、どちらもこの方向へのソリューションです。さらに、DLS の論文では、ビザンチン環境における非同期コンセンサスの 2 つの目標、つまりセキュリティ (一貫性) とライブネス (可用性) を明らかにしています。これら両方のスキームは、セキュリティではなく、活性のために同期を前提としています。つまり、実際の環境が同期の仮定を満たしていない場合は、一貫性の問題ではなく、可用性の問題のみが発生します。このため、PBFT は可用性よりも一貫性を優先するコンセンサス アルゴリズムであるとよく言われます。

いわゆる確実性に関する妥協は、確実性が確率的である、サトシ・ナカモトによって導入された新しい世界です。この方向では、作業証明、ブロック報酬、ピアツーピア ネットワークを通じて、確率的に安全なコンセンサス スキームが共同で構築されます。アーキテクチャの点では、ナカモト・コンセンサスは、コンセンサス研究者によって定義された非同期ビザンチン・コンセンサス問題に対する妥協案の 1 つにすぎないと思われますが、確率的ファイナリティの導入により、従来の非同期ビザンチン問題が解決されるだけでなく、より大きな問題も解決されます。つまり、任意の数のノードがオープンな方法でシステムに参加できるようになり、どの参加者も参加者の完全なセットを知る必要がなくなります。これは非常に注目すべきことであり、まさにパブリックチェーンシステムが直面している環境です。実際には、最終性に関して妥協したナカモトコンセンサスは大きな成功を収めました。

実際、革新的なパブリックチェーンのコンセンサスメカニズムは、これら 2 つの妥協の方向性に他なりません。以下にその代表的なものをいくつか紹介します。

異なる合意の妥協分析

ポス

Pos は本質的には PoW であり、確実性に関して妥協したものです。ステーキングは参加に対する参入障壁として考えることができます。障壁を上げると、参加者セットのサイズが縮小されます。参加者の数が少なくなると、2 つの利点があります。1. システム全体の総作業負荷が軽減され、エネルギー消費が削減されます。 2. 非同期通信ネットワークは規模が小さく、遅延による分断の可能性も小さいため、ブロック間隔を小さく設定できる。このため、PoS は TPS が高く、エネルギー効率が高いと主張しています。

DPoS+PBFT

DPoS + PBFT は、もちろん本質的には PBFT であり、非同期性に対する妥協点です。 DPoS の目的は、オープン パブリック チェーンの参加者から PBFT アルゴリズムを適用できる参加者のセットを選択することです。このセットは、次の 3 つの条件を満たしています。1. 規模が十分に小さい。そうでないと、通信量が膨大になります。 2. セットの総数が決定され、PBFT で解決できる非同期コンセンサス問題になります。 3. 悪意のある参加者（ビザンチンノード）の数は 1/3 未満です。ステーキングの仕組みには 2 つの役割があります。1. ユーザーをスクリーニングするためのしきい値として機能します。 2. 悪意のあるノードの割合を減らすインセンティブメカニズムとして機能します。

テトリス

テトリスは、YeeCo が開発した知識推論に基づくコンセンサス アルゴリズムです。これは本質的には BFT であり、非同期性の妥協点です。テトリス自体は、高いパフォーマンスと実証済みのセキュリティを重視した、標準的なビザンチン問題に対するソリューションです。 BFT 参加者セットは、PoW、DPoS、VRF などのプラグ可能な上位層プロトコルを通じて選択されます。

アルゴランド

Algorand は本質的には BFT であり、非同期性の妥協点です。 BFT アルゴリズムを適用できる参加者のセットを選択する Algorand の方法は非常に特殊かつ巧妙です。これは、各参加者が宝くじデバイスを携帯するのと同様の VRF (検証可能なランダム関数) を使用します。他の参加者とコミュニケーションを取らなくても、自分が選ばれたかどうかを知ることができます。エネルギー効率が非常に高いように思われますが、解決すべき問題がいくつかあります。1. ネットワークに参加できる秘密鍵を作成するコストが非常に低いため、参加者にしきい値を設定する必要があります。実際、アルゴランドは参加者のバランスに応じて重み付けを行います。 2. 宝くじでは当選率を設定する必要があり、参加者の総数を把握する必要があります。これ自体がコンセンサスの問題です。 Algorand はオンラインのノードに報酬を与え、オンライン残高がシステム全体の残高と等しくなる状況を実現しようとします。これにより、参加者の数を推測できます。これは実際には、ネットワーク全体がオンラインであり、正直なバランスが 2/3 を超えることを要求するビザンチン フォールト トレラント システムです。

ダグ

DAG (有向非巡回グラフ) は、トランザクションをグラフの頂点とする IOTA であれ、ブロックをグラフの頂点とする Conflux であれ、確実性に関して妥協した PoW でも機能します。これまでのコンセンサスがフォークを回避することであった場合、DAG はフォークを一定のレベルで制御し、それによってシステムの TPS を向上させます。 DAG の本質は依然として作業証明ですが、最長チェーンの原則は最も難しいグラフ構造の原則に変更されました。

PoWはコアまたは基盤です

コンセンサス モデルを大まかにまとめると次のようになります。

コンセンサス メカニズムの違いは、実際には「ネットワーク参加者のオープン セット」から「コンセンサス」までのパスの違いです。たとえば、「ネットワーク参加者のオープンセット」から「コンセンサス」に直接移行する、つまり PoW です。まず「会計参加者のオープンセット」に、次に「コンセンサス」、つまり PoS に。まず「会計参加者の閉じた集合」に、次に「コンセンサス」、つまり X+BFT に渡されます。 X は、「会計参加者のクローズドセット」が使用するツール（DPoS または VRF）によって異なります。

多くのコンセンサス アルゴリズムは、実際にはそれほど多くの新しいものを発明していないことがわかります。コンセンサスが「参加者のオープン セット」から形成される限り (ノードが自由に出入りできる)、このモデルのみを採用できます。つまり、ノードは、確率的確実性を備えたコンセンサス結果 (つまり、ナカモト コンセンサス) に基づいてコンセンサス結果を確立し続けるようにインセンティブが与えられます。

現在の革新的なコンセンサスにとって PoW の重要性は 2 つの点にあります。

1. コンセンサスが「参加者のオープンセット」（ノードは自由に出入りできる）からのコンセンサスの形成を伴う場合、それは本質的には依然としてナカモトコンセンサスであり、これは前述の「PoW は現在でも他のコンセンサスの中核または基盤である」という記述の「カーネル」です。

2. コンセンサスによって「オープン参加者セット」が「クローズド参加者セット」に変更される場合は、ステーキング メカニズムが依然として必要になります。ステーキングの価値コンセンサスはどこから来るのでしょうか?それはまだ PoW チェーンから渡されます。これは、前述の「PoW は現在でも他のコンセンサスの中核または基盤となっている」という記述の「基盤」です。

PoWの本質的な利点

PoW 支持者は、自然であること、信頼できること、純粋であることなど、PoW の質的な利点を数多く挙げています。エネルギー消費に関しては、PoW の欠点だと考える人もいれば、コストがセキュリティの要だと考える人もいます。

私の意見では、PoW の本質的な利点についてお話ししたいと思います。

合意の究極のオープン性

PoW は、オープンな参加者向けに設計されています。このオープン性（参加者セットの不安定性）は、最も早いコールドスタート、マイニングプールの出現、ASIC マイニングマシン、コイン価格の変動、難易度の変動など、常にコンセンサスに挑戦しています。

PoW は、オープン性の問題を解決するために非常に単純なメカニズムを使用します。 PoW では、どのシナリオやステージでもパッチやガバナンスは必要ありません。システム全体の動作を駆動するために常にコアメカニズムに依存しており、時の試練に耐えてきました。私たちの意見では、本質を捉え、巧妙かつシンプルで、適応性が高いシステムもあれば、補償メカニズムに満ちており、環境の変化に合わせて常に変化するシステムもあります。 PoW は前者の優れた代表例です。

PoW は、ボトムラインの許可のないシステムです。いつでもコンピューティング パワーが市場に参入し、同じスタートラインで既存のコンピューティング パワーと競争することができます。ステーキング投資とコンピューティングパワー投資は似ているように見えますが、ゲーム環境では、開始点のパラメータの違いによってまったく異なる状況が発生する可能性があります。ブロックチェーンシステムが「マシュー効果」の影響を受けやすいシステムである場合、PoW の外部エンティティの計算能力投資は、この効果に抵抗するための重要なパラメータです。一方では、遅延調整メカニズムにより、システムが定常状態に入ることが困難になります。一方、外部エンティティのコンピューティング能力はステーキングよりも独立性が優れています。 PoW ではコンセンサス優位性がビジネス優位性に与える正のフィードバックは一方向ですが、ステーキングではコンセンサス優位性がビジネス優位性に与える正のフィードバックは双方向です。

究極のコンセンサスセキュリティ

51% 攻撃やビザンチン ノードの 1/3 以上など、コンセンサスでよく議論されるセキュリティ問題はすべてコンセンサス ルールの対象となります。ブロックチェーン システムは、究極的には物理ネットワーク上で実行されるシステムです。コンセンサスルールに基づく悪意のある行為と比較すると、物理ネットワークレベルでの攻撃は、ブロックチェーン システムに対する次元削減攻撃です。

Pure PoW では、ノードの重みは仮想リソース (ステーキング) ではなく、物理リソース (コンピューティング能力) によって決定されるべきだと考えています。

前者は、仮想リソースが継続的に投入されるものの、ネットワークノード規模の成長に対する推進力が十分でないという状況に陥りやすい。つまり、システムの経済規模とネットワークからの脅威に抵抗する能力が一致しておらず、その一致を促進する内生的メカニズムが存在しないのです。

後者のリソース投資は、実際にはネットワークの言説力への投資に対応しています。初期のコンピューティング能力への投資は、より多くのノードを実行するための投資です。その後、専門的なマイニングマシンとマイニングプールの出現により、コンピューティング能力とノードが完全に一致しない状況が発生しました。しかし、コンピューティングパワーに投資する人は、投資した以上、必ずそれに応じたネットワーク言論パワーを獲得するための対策を講じるでしょう。システムの経済規模とネットワークからの脅威に抵抗する能力は一致しています。ノードの重みが考慮する仮想リソースが多いほど、システム内のノードの音声と物理ネットワーク内の音声の差が大きくなります。仮想リソースの PoW を考慮せずに、システム内のノードの音声と物理ネットワーク内の音声は一致します。 PoW のセキュリティはここに反映されており、セキュリティを支えるコストは物理的なネットワーク環境にあります。

「コンセンサスのオープン性」と「コンセンサスのセキュリティ」という言葉は、あなたにとって馴染み深いものですか?これらはまさに「ブロックチェーン不可能三角形」の2つの頂点です（つまり、スケーラビリティ、分散化、セキュリティを同時に実現することは不可能であり、3つのうち2つしか実現できません）。

PoW の本質的な利点は、高度に分散化され、非常に安全なコンセンサス メカニズムを真に提供することです。スケーラビリティはまさに、PoW コンセンサスが発展し、革新する必要がある方向です。

著者: YeeCo、Babbitt Information より転載許可