イーサリアムはどのようにして PoS にスムーズに移行できるのでしょうか?鉱山労働者の悪夢「ディフィカルティボム」が唯一の解決策かもしれない

イーサリアムの創設者は、イーサリアムの開発をフロンティア、ホームステッド、メトロポリス、セレニティという 4 つのマイルストーン段階に分けました。イーサリアムは現在、フェーズ 3: メトロポリス-ビザンティウムにあります。 「ディフィカルティ・ボム」（ETH マイニングの難易度を上げるプロトコル）は、初期段階からイーサリアム ブロックチェーンに組み込まれています。

「困難爆弾」はなぜ生まれたのか？

イーサリアムの最終マイルストーンであるセレニティは、大きな変化をもたらします。イーサリアムのブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）に変更されます。つまり、イーサリアム ネットワークが PoW から PoS に切り替える前に、マイナーを PoW ブロックチェーンから PoS ブロックチェーンに切り替える必要があります。

マイナーがマイニング用の機器を購入するために多額の費用を費やしているのに、PoS の登場によりこれらの機器が無価値になってしまうことを想像してみてください。マイナーが PoW に留まり、マイニングを続けることを阻止できない場合、ETC、ETH-PoW、ETH-PoS という 3 つの Ethereum 暗号通貨が作成される可能性があり、これは間違いなく Ethereum にとって悪夢です。理由は簡単です。これにより、イーサリアムの信頼性と経済的価値が低下するだけでなく、システム全体のハッシュレート比も希薄化され、ハッカーの攻撃に対してより脆弱になります。

そのため、イーサリアムマイナーが新しいブロックチェーンに参加できることを保証するために、開発チームは「難易度爆弾」メカニズムを導入しました。

2015年8月4日、イーサリアムの元最高業務責任者ステファン・トゥアル氏がブログ投稿で初めて「ディフィカルティ・ボム」について言及した。

「Serenity フェーズで PoW から PoS への切り替えをどのように実装するかについて、多くの人が疑問を抱いています。これは、今後 16 か月間でハードフォーク ポイントをスムーズに保証する、新たに導入された難易度調整スケジュールによって処理されます... 仕組みは次のとおりです。ブロック高 200,000 (2015 年 8 月下旬頃) から、マイニング難易度が急激に増加し始め、約 1 年後には難易度が大幅に増加します。その時点で (Serenity マイルストーンの頃)、マイニング難易度の大幅な増加により、ブロック時間が長くなります。」

ホームランドフェーズにおけるイーサリアムの難易度調整アルゴリズムは、ブロック時間を 15 秒で安定させます。 「難易度爆弾」は難易度係数を飛躍的に増加させ、ブロックを採掘する時間が大幅に増加し、最終的にはほとんどブロックを採掘できなくなります。その時点で、マイナーは新しい PoS プロトコルに切り替えるしか選択肢がなくなります。

イーサリアム氷河期

2016 年 9 月 7 日に、マイニングの難易度を上げるプロトコルが Ethereum ネットワークに導入されました。 Tual 氏の推定によると、2016 年 12 月までにブロックの検証が非常に遅くなり、Ethereum ネットワーク上のアクティビティが凍結したように見えるようになるとのことです。このため、「困難爆弾」は「氷河期」とも呼ばれます。

しかし、2016 年 12 月までにブロック時間は大幅に増加しませんでした。 2017年3月、イーサリアムの共同創設者であるヴィタリック・ブテリンは、Redditに「ディフィカルティ・ボム」について投稿した。

「前回のハードフォーク（ホームステッド）によってもたらされた難易度調整アルゴリズムの変更により、氷河期は非常にゆっくりと到来することが判明しました。ブロック高350万から始まり、次の10万ブロック（約1か月）の平均ブロック時間は25秒です。」

「次の 100,000 ブロック (約 1.4 か月) のブロック時間は 35 秒です。次の 2.2 か月のブロック時間は 55 秒です。次の 3.8 か月のブロック時間は 95 秒です。そして次の 26 か月のブロック時間は 655 秒になります。最終的な凍結は 2021 年まで行われません (ただし、2017 年後半には非常に煩わしくなります)。」

「難易度爆弾」は当初、2017年末に爆発する予定だった。しかし、2017年10月にアイスエイジは再び延期された。 10月16日、イーサリアムネットワークはメトロポリスステージにアップグレードされました。このハードフォークにより、「難易度爆弾」の発生は 4,200 万秒 (1.33 年) 遅れました。そのため、2018 年末頃にはブロック時間が 30 秒に増加する可能性があります。

Metropolis の登場により、開発チームはさらに 2 つの対策を通じて PoS へのスムーズな移行を実現します。まず、Casper アルゴリズムを導入し、100 ブロックのうち 1 つが PoS プロトコルを使用してマイニングされます。 2 つ目は、各ブロックの報酬がこれまでの 5 ETH から 3 ETH に減額されることです。これらの措置は、イーサリアムの最終段階である「セレニティ」の到来前に、すべてのノードが PoS プロトコルを導入し、これまでの問題を排除できるようにすることを目的としています。

（図）「難易度爆弾」の影響によるブロック速度の変化

PoW 対 PoS

PoW メカニズムでは、コンピューターはアルゴリズムで競争します。問題を最初に解決し、新しいブロックをネットワークにブロードキャストしたコンピューターには、新しい暗号通貨とブロックに含まれる取引手数料が報酬として与えられます。最初に答えを見つけたコンピューターが報酬を得るため、マイナーはブロック報酬を得るためにできるだけ多くの計算能力を使用するインセンティブを持ちます。しかし、より多くのハッシュパワーを得るためには、マイナーはより多くのリソースを費やし、マイニング機器を稼働させるためにより多くの電気代を支払う必要があり、それはシステムが大量の計算能力と電力を消費する必要があることを意味します。

（図）プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステーク

PoS: このメカニズムでは、マイナーではなくバリデータが役割を果たします。その原則は、検証ノードとして、まず一定量の ETH を保有する必要があるということです。 ETHの量と時間に応じて、ブロックへの賭けや検証に使用される権利と利益が生成されます。エクイティを持つノードだけがブロックを効果的に検証できます。検証したブロックがブロックチェーンにパッケージ化されると、所有するエクイティに比例したブロック報酬を受け取ります。悪意のあるブロックや誤ったブロックを検証すると、ステークした金額が差し引かれます。無効なブロックをサポートすると厳しく罰せられるため、PoW メカニズムよりも個人が正直に行動するインセンティブが強くなります。

ブロックチェーン設計者のデイビッド・ドゥッチーニ氏は、「マイナーは電気代やマイニングハードウェアのアップグレードのために暗号通貨を法定通貨に換金する必要があるため、マイニングプロセスは暗号通貨の基礎価格に常に下向きの圧力をかけます。マイナーは主に暗号通貨を投機家に販売します。PoSベースのブロックチェーンでは、暗号通貨保有者は直接報酬を受け取り、その報酬は保有量に比例します。」と指摘しています。

エネルギーコスト

PoS メカニズムのエネルギーコストは PoW メカニズムよりもはるかに低くなります。バリデーターは、ハードウェアでアルゴリズムを解決するのではなく、ブロックに資金を賭けます。 MLG Blockchainの創設者マイケル・ゴード氏は次のように述べた。

「PoS ネットワークは常に PoW ネットワークよりも効率的です。PoS ネットワークのセキュリティは、ユーザーが PoW ネットワークのセキュリティを確保するために計算能力を提供するのではなく、ユーザーがネットワーク上でトークンを保有することによって保証されます。」

PoS メカニズムでは、高価で強力なマイニング機器を使用しても、何の利点もありません。つまり、ネットワークのテストとサポートに高額な電気代をかける必要はありません。

David Duccini 氏は、PoS は PoW よりも効率的であるため優れているとも述べています。

「PoSの利点は、エネルギー消費量が少ないことです。その理由は2つあります。1つ目は、電力を消費するのではなく、保有するコインの量と時間だけを消費することです。2つ目は、純粋な意味で、ステークホルダーであるため、ブロックチェーンの長期的な実行可能性を気にするということです。これは、すぐに利益を得たいだけの参加者とはまったく異なります。」

同時に、PoS メカニズムにより、51% 攻撃の実行がより困難になり、コストも高くなります。 PoS メカニズムでは、ETH 時価総額の 51% を購入する必要があります。この偉業を達成できるほどの強力な資金を持っている人は多くなく、ネットワークが攻撃されると自分自身の損失につながる可能性もあり、明らかに費用対効果は高くありません。 PoW メカニズムでは、51% 攻撃を実行するには、マイニング パワーの 51% を制御する必要があります。これは以前にも発生しています。2014 年 7 月、ビットコイン ネットワークで、Ghash と呼ばれるビットコイン マイニング プールが 12 時間にわたってマイニング パワーの 51% を掌握しました。

極端なケースでは、マイニングが「武器化」され、合理的な行為者が「経済テロリスト」に変わり、能力不足のブロックチェーンが攻撃を受けやすくなります。 Ghash はマイニングパワーの 51% をコントロールしているため、理論的にはネットワーク上のトランザクションを制御し、支払いを複製する能力を持っています。

PoSコンセンサスアルゴリズムは公平ですか?

では、経済構造の面で PoS メカニズムと PoW メカニズムはどのように異なるのでしょうか?

PoS メカニズムでは、金持ちはさらに金持ちになります。ブロックチェーンでは、富裕層が多い個人は、富裕層が少ない個人よりもブロック作成手数料と取引手数料を受け取る可能性が高くなります。イーサリアムの市場シェアの 20% を保有している場合、ブロックを作成し、そのブロックに含まれる取引手数料を受け取る可能性は 20% あります。 0.005% を保有している場合、対応する確率は 0.005% です。

PoW メカニズムでは、高性能コンピュータを購入する余裕のない人に比べて、より高い計算能力を持つ人はより多くのリソースを採掘できます。

したがって、PoS であろうと PoW であろうと、富裕層はより多くの富を蓄積することになります。さらに、新しいブロックが作成されるたびに、富の格差は拡大します。

イーサリアムの最後のマイルストーン

ロードマップの最終マイルストーンである Serenity に Ethereum がアップグレードされると、PoS メカニズムが本格的に稼働することになります。この段階では、Ethereum はチューリング完全なプログラミング言語が組み込まれた商用ブロックチェーンになります。そのプログラミング言語は、他の開発者、企業、団体が契約、アプリケーション、システムを作成するために使用できます。

イーサリアム開発者のハドソン・ジェイムソン氏が、2017 年のローンチ イベントでイーサリアムのロードマップについて説明しています。ハドソン氏はセレニティの発売時期については言及しなかったが、最終マイルストーンに到達したときに「本当のブレークスルーが何であるかがわかるだろう」と語った。

デジタル資産ブロックを提供する他のブロックチェーン ネットワークやブロックチェーン関連企業と比較すると、Ethereum はよりビジネス的なブロックチェーン ネットワークの 1 つです。イーサリアムの 4 段階のロードマップとホワイトペーパーには、同社が達成しようとしていることが明確に記載されています。イーサリアムのホワイトペーパーには次のように記されている。

「イーサリアムが提供するのは、任意のトランザクション機能をエンコードする「コントラクト」を作成するために使用できる、成熟した組み込みチューリング完全なプログラミング言語を備えたブロックチェーンです。これにより、ユーザーは上記のシステムだけでなく、まだ想像されていない他のシステムも作成できます。システムを作成する方法は、数行のコードでロジックを記述するのと同じくらい簡単です。」

つまり、イーサリアムは、他のブロックチェーン関連企業がプログラミングを通じて、あらゆるタイプのアプリケーション、製品、システムを作成できるサービスを提供することを目的としています。 2018 年 1 月 13 日、イーサリアムのロードマップの 75% 未満が実行された時点で、ETH の価値は 1,430.81 ドルでした。 ETH の現在の価格はわずか 400 ドル程度ですが、これは依然として驚くべき現象です。

PoS メカニズムの実装により、より多くの分散ノードが参加するようになり、さまざまな分散アプリケーションの運用のための物理的な基盤が構築されます。イーサリアムは分散型分野のアプリストアとなり、インターネットの新しい時代も到来するでしょう。この観点から見ると、静かな段階についてのハドソンのコメントは納得がいきます。