ブロックチェーンコア技術の進化 - コンセンサスメカニズムの進化 (1)

一般的に、ブロックチェーンを紹介する際には、2 つの例がよく挙げられます。1 つは古代の会計モデルの分散型台帳への拡張であり、もう 1 つはビザンチン将軍問題です。分散型台帳を使用する目的は、各ノードがトランザクションを検証できるようにすることですが、ビザンチン将軍問題は台帳の一貫性に関係しており、これがこの記事で議論するコンセンサス機構（コンセンサス）です。

ブロックチェーン上のコンセンサスメカニズムは、主に誰がブロックを構築するか、ブロックチェーンの統一性をどのように維持するかという問題を解決します。この問題の理論的根拠はビザンチンフォールトトレラント (BFT) です。 BFT は 1980 年代から研究されており、現在では比較的徹底的に研究された理論となっています。ソリューションの前提条件と特定の実装のための既製のアルゴリズムがあります。しかし、この記事は BFT から始めるつもりはありません。なぜなら、私たちが分析したいのはブロックチェーンのコンセンサス メカニズムの進化であり、サトシ ナカモトは BFT を採用していなかったからです。実際、私がビットコインを勉強し始めたとき、POW の仕組みを理解してから長い間、ビザンチン将軍問題を理解していませんでした。ビザンチン将軍問題と従来の分散コンセンサス アルゴリズム (PAXOS、RAFT) については、HyperLedger Fabric の PBFT と Antminer の DBFT を分析するときに後で詳しく説明します。

コンセンサスメカニズムの中核は、ブロックの構築と検証です。 POWシステムでブロックを構築するプロセスは一般的に「マイニング」と呼ばれ、POSシステムPPCのブロック構築方法は一般的に「ミント」と呼ばれ、NXTのブロック構築方法は一般的に「フォージング」と呼ばれます。

捕虜

ビットコインは Proof-Of-Work (POW) を使用しているため、コンセンサス メカニズムは以前は一般に Proof と呼ばれていました。分散型台帳の一貫性の問題が研究され続けるにつれて、多くの方法が提案されてきました。特に、最近多くのブロックチェーンプロジェクトは伝統的な BFT アルゴリズムの改良に戻り、その考え方は「証明」の意味論を超えており、さらにコンセンサスメカニズムとしてまとめられています。初めてプルーフ・オブ・ワークの概念に出会ったとき、私は非常に混乱し、この表現方法に頭を悩ませたことを覚えています。 POW の仕組みを習得して初めて、平たく言えば「仕事を通じて特定の結果を得て、その結果を使ってこれまでの努力を証明する」という意味だと本当に理解できました。実際、学生のテストのスコア、卒業証明書、運転免許証など、私たちは日常の仕事や生活の中で、勤務証明をよく利用しています。このタイプの証明の注目すべき特徴は、指定された結果を得るには多くの作業が必要になることが多いが、その結果は簡単に検証できることです。通常、人が実際に作業を行ったかどうかをリアルタイムで監視することは難しいため、作業負荷の結果を使用して証明することしかできません。

ビットコインの設計思想に戻ると、サトシ・ナカモトは非対称暗号化を使用して電子通貨の所有権問題を解決し、ブロックタイムスタンプを使用してトランザクションの存在問題を解決し、サードパーティ構造を排除した後、分散型台帳を使用してトランザクションの検証問題を解決しました。解決する必要がある残りの問題は二重支払いであり、すべてのノード台帳を統一する必要があり、真の平等のためにはすべての人にアカウントを保持する権利を与える必要があります。簿記は誰でもできる簡単なことです。明らかに、最終的には同様の元帳が多数存在することになりますが、必要なのはそのうちの 1 つだけです。

サトシ・ナカモトは簿記にコストを追加することを考えました。総勘定元帳は時系列順にページごとに分類されており、各元帳ページごとに判定基準が設定され、元帳ページが適格かどうかを判別します。これにより簿記の難易度が増します。同時に、各帳簿ページにランダム要素を追加して帳簿作成の難易度を調整し、一定期間内に 1 人だけが適格な帳簿ページを生成できるようにします。追加コストはワークロードであり、適格な元帳ページングは​​ワークロードの証明です。ビットコインの場合、いわゆる元帳ページングは​​ブロックです。ブロックはブロックチェーンを形成するために巧妙に設計されています。修飾ブロックは次のように表現できます。

F(ノンス) < ターゲット

Nonce はランダムな要素であり、Target は適格なブロックの定量化であり、各アカウンティング ノードの Target は一貫しています。さらに、POW の運用を成功させるには、次の 2 つの合意も必要です。
ベスト チェーンの原則: 最長のチェーンが正しいチェーンとみなされます。

インセンティブ原則: 適格なブロックを見つけると報酬が与えられます。

最初の合意は無条件に従わなければならない厳格なルールです。誰もがこの原則を守ったり、プレイしたりしない必要があります。結局のところ、共通の目標は一貫性のある台帳を見つけることであり、最も長いチェーンは最大の作業負荷を表します。この合意がなければ、誰もが独自のブロックチェーンを構築するだけとなり、統一は行われません。第2条は、作業負荷インセンティブです。簿記にはコストがかかるため、すべての人が簿記を続けるのはメリットがあるからにほかなりません。簿記に参加し、ブロックを構築することは投資行動になります。そのコストと利益のリスクは、第 1 条の制約の下でゲームを形成し、すべてのノードが合意されたルールに従って正直にブロックを作成し、最終的にナッシュ均衡に到達するように促します。

具体的な実装に関しては、ビットコインはハッシュアルゴリズムを使用します。ハッシュ アルゴリズムの原理と特性については、前の記事 (マイニングの進化) で詳しく説明しました。論理的には、ビットコインはブロック全体に対してハッシュ操作を実行しますが、実際の実装ではブロックデータ全体をハッシュ関数のパラメータとして使用するわけではありません。ブロックは、ブロックチェーン ヘッダーとトランザクション リストの 2 つの部分に大まかに分けられます。トランザクション リストは Merkle ツリーに構築され、最終的にブロック ヘッダーに組み込まれた Merkleroot に凝縮されます。ブロック ヘッダーには 6 つのフィールドのみがあり、合計 80 バイトになります。この設計の最初の利点は、ハッシュ操作が容易になることです。各操作では、ブロック全体のデータではなく、80 バイトのパラメータ入力のみが必要ですが、トランザクション リストの変更はハッシュ操作の結果に反映されます。

Bitcoin は SHA256 ハッシュ演算を使用し、最終結果を取得するために毎回 2 つの SHA256 演算が連続して実行されます。前の操作の結果は、次の操作、つまり Double SHA256 (一般に SHA256D と呼ばれる) の入力として使用されます。上記の式を展開すると、適格なビットコイン ブロックを判断する基準は次のようになります。

SHA256D(nVersion,hashPreBlock,hashMerkleRoot,nTimes,nBits,Nonce)<MAXTARGET/Diff

数式の左側（ブロックヘッダー）にある 6 つのパラメータについては、前回の記事で説明しました。 MAXTARGET は最大目標値、定数です。 Diff は難易度を表し、ネットワーク全体で同じです。 MAXTARGET/Diff は通常、現在のターゲット値と呼ばれます。

明らかに、POW の核心は、計算能力が高ければ高いほど、ブロックをマイニングする可能性が高くなり、ブロックチェーンのセキュリティを維持する重要性が増すということです。他のコンセンサスメカニズムと比較して、POW はロジックがシンプルで実装が容易であり、フォールトトレランスは 50% であり、そのセキュリティは厳密に数学的に証明されています。

POS

POWは完璧ではありません。批判されている主な点は2つあります。一つはエネルギーの浪費です。もう 1 つは、リスクと利益のゲームは必然的に共同マイニングにつながり、大規模な計算パワーのマイニング プールがシステムの分散化に脅威を与える可能性があることです。

そこで2011年に、Quantum Mechanicという名のデジタル通貨愛好家が、BitcointalkフォーラムでProof-of-Stake（POS）メカニズムを提案しました。十分な議論の末、このメカニズムは実行可能であることが証明されました。 POW が主に計算能力で競争する場合、計算能力が高ければ高いほどブロックをマイニングする確率が高くなりますが、POS はバランスで競争します。簡単に言えば、持っているコインが多ければ多いほど、ブロックをマイニングできる可能性が高くなります。 POS 修飾ブロックは次のように表現できます。

F(タイムスタンプ) < 目標 * 残高

POW と比較すると、式の左側の検索空間が Nonce から Timestamp に変わります。 Nonce の値の範囲は無限ですが、Timestamp は非常に制限されています。適格ブロックのブロック時間は、前のブロック時間の指定された範囲内である必要があります。早すぎるブロックや進みすぎたブロックは他のノードに受け入れられません。式の右側の目標値は乗数バランスを導入します。残高が大きいほど、全体の目標値（目標値×残高）が大きくなり、ブロックを見つけやすくなることがわかります。タイムスタンプは限られているため、POS ブロックキャストの成功率は主に残高に関係します。

POS はコンセンサス メカニズムの概念のみを表し、さまざまな方法で実装できます。以下では、さらに 2 つの典型的な実装アイデアの分析に焦点を当てます。

ピアコイン

Peercoin (PPC) は 2012 年 8 月にリリースされました。その最大の革新点は、マイニング方法が POW プルーフ・オブ・ワークと POS プルーフ・オブ・ステークを組み合わせたものであることです。 POWは主に通貨を発行するために使用されます。今後は、マイニングの難易度が上がり、産出量が減少するにつれて、システムのセキュリティは主にPOSによって維持されることが予想されます。現在、ブロックチェーンには POW ブロックと POS ブロックの 2 種類のブロックがあります。 PPC の作者は、暗号通貨オタクの Sunny King 氏ですが、彼も自分の身元を明かすことを望んでいません。彼はPrimecoinの発明者でもあります。

Peercoin の POS メカニズムを習得するには、Sunny King が PPC 専用に設計したいくつかのコア コンセプト (Coinstake、Kernel、Stake Modifier、Modifier Interval、Stake Reward、Coinage など) を理解することに重点を置く必要があります。

コインステーク

POS を実装するために、Sunny King は Coinstake と呼ばれる特別なトランザクションを特別に設計しました。 Coinstake のデザインは、Satoshi Nakamoto の Coinbase のデザインに触発されました。本質的には、Coinbase と Coinsake はどちらもトランザクションですが、入力と出力にはいくつかの厳しい制限があります。

システムの本来の POW メカニズムを妨げないように、Coinstake の設計は Coinbase とは異なる必要があります。構造の違いを簡単に比較してみましょう。

Coinbase 構造の要件:

入力数量は 1 に等しくなければならず、入力の prevout フィールド (前のトランザクションの出力を指定) は空でなければなりません。
出力数は 1 以上である必要があります。

コインステーク構造の要件:

入力数は 1 以上であり、最初の入力の prevout フィールドは空にできません。つまり、カーネルが存在する必要があります。
出力の数は 2 以上である必要があり、最初の出力は null 値に設定する必要があります。

これら 2 つの特別なトランザクションがブロックチェーンに保存される場所についても特別な要件があります。サトシ・ナカモトは、各ブロックの最初のトランザクションは Coinbase に配置する必要があると規定しています。逆に、Coinbase はブロック内の他の場所に出現することはできません。 Sunny King は明らかにこのルールを破りたくなかったので、POS ブロックの場合、2 番目のトランザクションで Coinstake を配置する必要があり、そうでない場合、Coinstake は他のどこにも出現できないというルールを追加しました。つまり、2 番目のトランザクションがコインステークである限り、このブロックは POS ブロックとして扱われます。

Coinbase も Coinstake も個別にブロードキャストされることはなく、ブロック内にのみ存在するため、クライアント ノードは通常、メモリ プールに入ることはできません。これら 2 つのトランザクションを使用する場合、それらが成熟しているかどうかを確認する必要があります。

カーネルプロトコル

coinstake の最初の入力 (入力 0) はカーネルと呼ばれます。カーネルは POS メカニズムにおいて中心的な役割を果たしており、適格ブロックの決定はそれに密接に関連しています。 PPC 適格ブロック判定条件は次のとおりです。

SHA256D(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime) < bnTarget * nCoinDayWeight

式の左側の各パラメータには明確な設計目的があり、その中には、

nStakeModifier : POS 専用に設計されたレギュレーター。上記の式によると、パラメータ nStakeModifier がない場合、人がコインを受け取ってネットワークから確認を得ると、将来いつブロックを偽造できるかをすぐに事前に計算できます。これは明らかに設計目標と一致していません。サニー・キングは、POS マイナーが POW マイナーのように盲目的探索を行い、ブロックチェーンをリアルタイムでオンラインに維持することを期待しています。 nStakeModifier の設計は、POS マイナーが事前に計算するのを防ぐことを目的としています。 nStakeModifier は POS ブロックのプロパティとして理解できます。各ブロックは nStakeModifier 値に対応しますが、nStakeModifier はブロックごとに変化しません。ただし、プロトコルでは、一定の間隔 (Modifier Interval) で再計算する必要があることが規定されています。この値は、以前の nStakeModifier と最新のブロック ハッシュ値に関連しています。したがって、POS マイナーは将来のブロックのハッシュ値を知らないため、事前に計算することはできません。

つまり、PPC システムには、ブロックチェーンとコイン チェーン (コインのトランザクション署名履歴) に加えて、あまり言及されないチェーン、つまりエクイティ レギュレーター チェーンも隠されています。

Sunny King がこのレギュレーターを PPC の後のバージョンに追加したことは注目に値します。当初、彼はnBitsを使用していました。

txPrev : カーネルに対応する前のトランザクション。

txPrev.block.nTime : txPrev が配置されているブロックのタイムスタンプ。トランザクションがブロックに含まれるタイミングは、トランザクションの開始者によって決定することはできません。ノードは事前計算によって、自身にとって有利な将来のタイムスタンプを推定することができます。このパラメータは、ノードがこの推定の利点を利用して事前に大量のトランザクションを生成することを防ぐためのものです。

txPrev.offset : ブロック内の txPrev のオフセット。ネットワーク ノードが同時にコインステークを生成する可能性を減らすために使用されます。

txPrev.nTime : txPrev の構築時間。設計ターゲットは txPrev.offset と同じです。

txPrev.vout.n : txPrev 内のカーネル出力インデックス。設計ターゲットは txPrev.offset のようになります。

方程式の右側を見てみると、
bnTarget : ネットワーク全体の現在の目標難易度ベンチマーク値。POW の現在の難易度値に似ており、nbits で記録されます。
nCoinDayWeight : カーネルのコインの年齢。

上記の式から、Sunny King は一方では POS マイナーに十分なランダム性を提供したいと考えている一方で、他方では、適格なブロックチェーンを見つける上で最も大きな要因がカーネルのコインの年齢であることを保証するために、検索空間が Coinstake のタイムスタンプ フィールドに厳密に制限されていることがわかります。

ノードがブロックを生成するとき、まずすべての UTXO から 1 つをカーネルとして選択し、コインステークを構築してハッシュを計算します。不適格の場合、コインステークは再構築されます。再構築中にタイムスタンプの時刻が変更され、カーネルを変更して異なる Coinstake を取得することもできます。このサイクルは、適格なブロックが見つかるまで繰り返されます。

貨幣

コイン時代（コインデイとも呼ばれる）については上記で説明しました。ブロックチェーン内に 1.5 枚のコインが 10 日間存在する場合、コインの年齢の値は次のようになります。

貨幣数 = 1.5*10 = 15

PPC は、計算に残高を直接使用するのではなく、コインの年齢を使用します。 UTXO が使用されると、そのコインの有効期間はゼロにリセットされ、新しい UTXO コインの有効期間は 0 から始まります。

ステーク報酬

一般的に利息と呼ばれる株式インセンティブは、次のように計算されます。

ステーク報酬 = nCoinAge * 33 / (365 * 33 + 8) * 0.01 * COIN

式は次のように簡略化できます。

ステーク報酬 = (0.01 * nCoinAge / 365) * COIN

このうち、nCoinAge は Coinstake によって入力されたすべてのコインの年齢の合計です。この式から、収入は年率 1% で計算されていることがわかります。理想的には、すべてのコインが年間を通じて採掘されると仮定すると、トークンの合計量の年間インフレ率は 1% になります。このデザインは多くの人から批判されています。さらに、この設計では、マイナーが積極的にマイニングに参加してブロックチェーンのセキュリティを維持するインセンティブを与えることができません。手数料を考慮しない場合、コイン保有者は数か月ごとにノードを開いてコインを鋳造するか、オンラインでリアルタイムにコインを鋳造し、理論的にはメリットは同じだからです。

ステーク最小年齢

POS システムには、51% コイン エイジ攻撃のリスクもあります。攻撃の難易度を高めるために、Sunny King は各 UTXO の鋳造資格に最小年齢 (stakeMinAge) 制限を設定しました。UTXO がブロックチェーン内に stakeMinAge 未満で存在する場合、鋳造の資格はありません。 PPC の最小コイン有効期間は 8 時間です。

その後、競合する通貨の中には、最大有効期間 (stakeMaxAge) の制限を追加したものもあります。UTXO がブロックチェーン内に stakeMaxAge より長い期間存在する場合、コインの有効期間は常に stakeMaxAge に従って計算されます。

Sunny King が設計した POS メカニズムでは、UTXO はマイナーのようなものです。ブロックの鋳造が成功するたびに、マイナーはしばらく休憩する必要があります。したがって、スムーズなブロック出力速度を実現するために、システム全体で十分な数の「マイナー」が同時にオンラインでブロックを鋳造していることを確認する必要があります。

ネクストコイン

2013 年 9 月、BCNext というユーザーが Bitcointalk フォーラムに投稿を開始し、新しい純粋な POS 通貨の発行を発表しました。この通貨は後に Nextcoin、略して NXT と名付けられました。当時のビットコインのソースコードから直接分岐した他のアルトコインとは異なり、BCNext はゼロからスタートし、JAVA 言語を使用して NXT をゼロから開発し、ブロック構造、トランザクション構造、非対称暗号化などに多くの改良を加えました。NXT には多くの革新がありますが、ここでは最も重要なもの、透過的フォージングについてのみ説明します。

NXT の POS 実装は PPC とはまったく異なります。適格ブロックの決定方法は次のとおりです。

ヒット < ベースターゲット * 実効残高 * 経過時間

で、
打つ：
NXT は Satoshi Nakamoto の UTXO 設計を放棄し、各アカウントが秘密鍵に対応するアカウント残高ソリューションを採用しています。各ブロックには生成署名フィールドがあり、ヒットの生成はこのフィールドに関連しています。ユーザーがブロックを偽造する必要がある場合、まず独自のヒットを計算します。計算プロセスは次のとおりです。

ユーザーは、自分の秘密鍵を使用して前のブロックの generationSignature に署名し、自分のブロックの generationSignature を取得します。
前のステップの結果に対して SHA256 操作を実行してハッシュデータを取得します。
ハッシュデータの最初の 8 バイト (合計 64 ビット) をヒット変数として取得します。

署名を生成する設計は、PPC の stakeModifier と多少似ています。つまり、NXT ブロックチェーンの下に署名チェーンが隠されています。

式の右側には、
baseTarget : ネットワーク全体のベースライン難易度。この難易度は、1 分あたり 1 ブロックの目標に応じて調整されます。
effectiveBalance : アカウントの有効残高。コインをアカウントに転送するには、コインを発行する権利を得るための十分な確認が必要であり、これを有効残高と呼びます。
elapseTime : 現在の時刻と最後のブロック間の時間間隔。currentTime-lastBlockTime として計算されます。

上記の式を分析すると、式の左側をマイニング、右側を目標値と見なすと、ネットワーク全体が最新のブロックを生成するときに、各ユーザーが次のブロックを生成するためのヒットが固定されているため、ユーザーには検索スペースがまったくないことがわかります。方程式の右側では、各ユーザーの目標値はそのユーザーのアカウントの有効残高に比例します。さらに、時間が経つにつれて目標値は増加し続け、最終的に不平等が成立することになります。つまり、理論上はすべてのノードがそのブロックをマイニングできますが、ルールでは最も早く生成されたブロックが優先されます。

上の図をNXTの鍛造機構に例えると、各シリンダーの高さ（当たり）は一定です。高さ制限ロッドが上昇し続ける（目標値ターゲットが時間の経過とともに増加し続ける）と仮定すると、最終的にはすべてのシリンダが通過できますが（適格ブロック）、高さが最も低いシリンダが最初に通過できます。

ノード セグメント ブロックの作成プロセスは次のとおりです。アカウントはリアルタイムでオンラインである必要があります。ネットワーク全体で最新のブロックが生成されると、各アカウントは対応するヒットを直ちに計算し、elapseTime = hit/(baseTaret * effectiveBalance) という式に従って自身のブロックを生成する予想時間値を計算し、この予想時間をネットワーク内の他のノードにブロードキャストします。このようにして、ネットワーク全体の各ノードは他のノードの予想時間を把握し、次のブロックを優先的に作成するノードが誰であるかを把握します。アカウントは独自の時間枠内でブロックを偽造し、それをすぐにネットワーク全体にブロードキャストします。他のノードは新しいブロックが有効かどうかを確認します。まず、ブロックの生成署名が有効かどうかを確認し、新しいブロックのタイムスタンプが、ブロックを生成したノードによって以前に公開された予想時間と一致するかどうかも確認する必要があります。クライアントは、ネットワーク内で新しいブロックが生成されたことを検知するたびに、予想時間を再計算し、ネットワーク全体に公開します。

ヒットはユーザーが自分の秘密鍵で署名した結果であるため、ユーザーごとに非常にランダムです。残高が少ないユーザーでも、運が良ければヒット値が小さければ、ブロックを素早く偽造できる可能性があります。

NXT ブロックの生成では、競争の概念が完全に放棄されます。これは、「神がすでにすべてを整えている」ようなものです。次のブロックを生成するのは誰なのかはすでに決まっており、ネットワーク全体のノードにできることは、その瞬間が来るのを静かに待つことだけです。

図に示すように、ノード A がフォージング時間ウィンドウ内にブロックをブロードキャストしない場合はどうなるでしょうか?問題ありません。ネットワークは B のブロックを待機します。ただし、A と B がそれほど離れていない場合、またはネットワーク伝送の理由により、一部のノードが A のブロックを最初に受信し、一部のノードが B のブロックを最初に受信する場合、ネットワークは分岐します。現時点では、Bestchain の原則は、依然として、最長のチェーン、同じ長さのブランチ、および最も小さい最高ブロック タイムスタンプを持つブランチを優先することです。ノードがすべてのブランチのブロックを偽造してブロードキャストするとどうなるでしょうか?それは攻撃となり、ネットワークの最新ブロックをめぐるフォークが激化するだろう。この問題を軽減する方法は、ノードが最適なブランチのみをマイニングできるようにすることです。これはプロトコルに反映できず、正直なノードの自己規律にのみ依存することになります。

競争の概念を放棄すると、NXT のコンセンサスはタイムラインに大きく依存することになります。ノードは将来いつブロックを生成できるかを予測できますが、ブロックをブロードキャストするにはそのときまで待つ必要があります。ノードが事前にブロードキャストすると、ネットワーク内の他のノードはそれを受け入れません。 BCNext はクライアントの実装に制限を設けています。最新のブロックの場合、クライアントはローカル マシンの現在の時刻の前後 15 秒以内にブロードキャストされたブロックのみを受け入れます。この制限はプロトコルに反映することはできず、クライアントのリアルタイムの支援によってのみ実装できます。

すべての NXT トークンが事前にマイニングされているのも不思議ではありません。ビットコインのようにマイナーによってゆっくりと発行される場合、ブロック作成の競争は避けられません。競争が発生すると、ブロックチェーンはすぐにフォーク状態に陥ります。 NXT コンセンサス ルール セット全体の正常な運用には、実際には潜在的な利益ゲームが背後にあります。つまり、コイン保有者はシステムのユーザーであり受益者です。誰もが団結してブロックチェーンを共同で維持し、正直なノードになる必要があります。

おそらく、あなたは攻撃方法を思いつくでしょう。それは、たとえ少量のコインしか持っていなくても、大量のアカウントを生成し、各アカウントに少量のコインを転送することで、その都度小さなヒットを見つけて、素早くブロックを偽造することができるというものです。このように、POS は POW と同様の恥ずかしい状況に陥ります。 BCNext は、ビットコインの ECDSA の代わりに ED25519 を使用する非対称署名アルゴリズムから始まりました。前者は後者よりも計算が困難です。さらに、満期期間は 1440 ブロック (1 日) に延長されます。つまり、アカウントの有効な残高がブロックを正常に偽造すると、残高は偽造資格を回復するために 1 日待つ必要があります。

短期的なフォークは依然として避けられません。最新の NXT ブロックの近くには多くのブランチがあります。トランザクションが十分に安全であるためには、より多くの確認が必要です。 NXT は公式に 10 回の確認を推奨しています。

POS2.0

PPC の成功した運用はすぐにフォロワーのグループを引き付けましたが、その中でも有名なものとしては Novacoin (NVC) や blackcoin (BLK) などがあります。 Blackcoin コミュニティは、コイン エイジが悪意のあるノードによって悪用され、ネットワークの重みが高まり、二重支払い攻撃が成功する可能性があると考え、POS2.0 ホワイト ペーパーを公開し、PPC に対していくつかの詳細な最適化を行い、潜在的なセキュリティ問題をいくつか解決しました。最も重要な改善点は、コインの年齢を残高に置き換えることです。適格ブロックの条件は次のとおりです。

F(タイムスタンプ) < 対象 * コインの枚数 * コインの年代

次のように変わります:

F(ティマスタンプ) < 対象 * コイン

このように、UTXO がどれだけ長く残っていても、ブロックを偽造する能力は変わりません。これにより、ノードがより頻繁にオンライン状態を維持してコインを発行するようになり、システムのセキュリティが向上し、攻撃パスが最小限に抑えられ、ネットワークを稼働させ続けるノードの数が大幅に増加します。

POS3.0

Blackcoin コミュニティはその後さらにアップグレードし、取引手数料と難易度の調整を最適化した POS3.0 バージョンをリリースしました。最も重要な変更点は、年利 1% の報酬メカニズムが固定額報酬 (ブロックごとに 1.5 BLK が固定) に変更されたことです。これにより、トークンのインフレ率が低減しただけでなく（トークンが永久に失われる可能性があることを考慮すると、低報酬メカニズムは一定の総額という設計思想に戻ります）、コイン保有ノードは収入を得るためにリアルタイムでオンラインである必要があることも意味しました。

個人情報

Bitshares プロジェクトは 2013 年 8 月に開始されました。これは、ブロックチェーンに多くの変更を加え、多くの新しい概念と機能を導入した野心的なプロジェクトでした。特に、Bitshares X、多形性デジタル資産取引プラットフォーム、資産アンカリングなどの目を見張るような新しい用語は、人々を非常に興奮させ、同時に混乱させました。現時点では、POW と POS はどちらも長い間成功裏に運用されており、その長所と短所は繰り返し議論されており、2 つの主要陣営は現在でも論争を続けています。プロジェクト計画によれば、BitShares はトランザクション容量とブロック速度に対して非常に高い要件を持っています。明らかに、POW も POS も要件を満たすことはできないため、BitShares は新しいコンセンサス メカニズムである Delegated Proof-Of-Stake (DPOS) を発明しました。これは株式承認証明です。

DPOSはわかりやすいです。現代の企業の取締役会システムと同様に、BitShares システムではトークン保有者を株主と呼びます。株主は投票によって 101 人の代表者を選出し、代表者はブロックの生成を担当します。対処する必要がある中核的な問題には、代表者がどのように選出されるか、代表者が「取締役会」から自由に脱退できる方法、代表者がブロックを作成するためにどのように協力できるか、などがあります。

コイン保有者が代表者になりたい場合は、まずブロックチェーンに公開鍵を登録し、長さ 32 ビットの一意の ID 識別子を取得する必要があります。ユーザーはトランザクションの形でこの識別子に投票することができ、上位 101 票が代表として選出されます。
代表者は交代でブロックを生成し、収益（取引手数料）を平等に分配します。代表者が正直にブロックを生産しない場合は、他の代表者や株主に簡単に発見され、すぐに「取締役会」から追い出され、空席は自動的に投票数で102位の代表者によって埋められます。

DPOSは、ある観点から見ると、分散化と

要約する

最後に、上記のコンセンサスメカニズムの利点、欠点、特徴をいくつかの側面から簡単に比較して分析してみましょう。

安全

POW のセキュリティは数学的に完全に証明されており、これは POS と DPOS の比類のない利点です。ブロックチェーンのコンセンサス メカニズムでは、通常、DDOS 攻撃と二重支払い攻撃に対する防御を同時に考慮する必要があります。 POW は 51% のコンピューティング パワー攻撃の脅威にさらされています。ビットコインの現在の超強力な計算能力により、システムを破壊するにはコストがかかります。 POS も 51% コインエイジ攻撃の対象となりますが、DPOS のセキュリティは完全に担当者の誠実さに依存します。 NXT は理論上は高速トランザクションを実現できますが、IP アドレスを公開するためにノードを偽造する必要があり、DDOS 攻撃の標的になりやすくなります。 DPOS の代表者も DDOS 攻撃の格好の標的となります。

環境保護

不可能三角形理論（分散化、セキュリティ、環境保護は同時に達成できない）において、POW はエネルギー節約の必要性を完全に放棄し、巨大な計算能力を通じてシステムのセキュリティと分散特性を維持します。 POS と DPOS は余分な電力をほとんど消費しませんが、他の 2 つの機能は必然的に犠牲になります。

コンセンサス速度

POWではブロックタイムを短縮することは難しいですが、POSでは比較的ブロックタイムを短縮することができます。特に、NXT は PPC よりも高速になります。 DPOS は非常に短時間で合意に達することもできます。 BitShares は現在 30 秒でブロックを生成します。ただし、POS はフォークが発生しやすい傾向があり、特に NXT では、トランザクションが安全であると判断されるまでにさらに確認を待つ必要があります。

取引容量

これは、ブロックチェーンの将来の発展のために解決する必要がある中心的な問題です。膨大なトランザクションは、膨大な帯域幅とストレージスペースを意味します。 POWの取引容量は拡張が難しい。ただし、NXT の各ノードは、次のブロックを誰が偽造するかを予測できるため、偽造ノードにトランザクションを直接送信できます。したがって、NXT のトランザクション容量は優れたスケーラビリティを備えています。ある観点から見ると、DPOS は分散化と集中化の両方の利点を備えたマルチセンター システムとして理解できます。代表ノードがすべて強力なサーバーを実行し、それらの間の帯域幅が十分に大きい場合、理論的には、トランザクション処理能力は Visa などの従来の集中型システムに匹敵する可能性があります。

ブロックの滑らかさ

ハッシュアルゴリズムの特性により、POWはスムーズなブロック生成速度を達成し、間隔でネットワーク全体の難易度を調整できます。 POSブロックの生成は主にバランスに関連しており、ユーザーのバランスの違いの勾配は比較的大きいため、POSは一般に、各ブロックのネットワーク全体の基本的な難易度を調整します。 DPOは、限られた数の代表者の相乗効果に依存しています。代表者が頻繁に入力して出て行かない場合、ブロック間隔をほぼ固定できます。

最終性

PowとPPCは競争を通じてコン​​センサスに達し、最終性はありません。理論的には、十分なコンピューティング能力がある場合、ビットコインブロックチェーンはゼロからマイニングできますが、検出ポイントに依存することで最終性を達成できます。 NXTとDPOSはタイムラインに厳密に依存し、ノードによるリアルタイムのオンライン検出に依存するため、最終性があります。

すべての関係者の利点を組み合わせることで、私は個人的にPowは公共チェーンに適していると思います。プライベートチェーンが構築されている場合、検証ノードに信頼の問題がないため、POSがより適切です。ただし、DPOSは、信頼されていないローカルノードが存在するため、アライアンスチェーンに適しています。

次の記事では、PBFT、DBFT、RPCA（Ripple）などのコンセンサスメカニズムを分析します。