V God: なぜイーサリアムは PoS を選択したのですか?

POW と比較した POS の利点は何ですか?

著者:ヴィタリック・ブテリン

編集者: Tyronepan - Bifrost Finance

編集者注: 本日9月15日、イーサリアムは、史上最大のプロトコルアップグレードである「マージ」を実施します。完了後、コンセンサス メカニズムは POW から POS に切り替わります。この特別な日に、編集者は、2020年にVitalik ButerinがTwitterで公開した「なぜProof of Stakeなのか（2020年11月）」という記事をレビューします。Vitalik Buterinは、PoS（Proof of Stake）コンセンサスメカニズムに基づくブロックチェーンネットワークは、PoW（Proof of Work）よりも安全で、後者よりも攻撃に対する防御策が完全であり、検証への参加のハードルが低いと考えています。

文章：

なぜプルーフ・オブ・ステーク（PoS）なのか？

PoW (プルーフ・オブ・ワーク) コンセンサス メカニズムと比較すると、PoS は主に次の 3 つの理由から、ブロックチェーンのセキュリティ メカニズムとして優れています。

1. PoSは同じコストでより安全

最も簡単な比較方法は、2 つを並べて、1 日あたり 1 ドルのブロック報酬ごとにネットワークを攻撃するのにどれくらいのコストがかかるかを確認することです。

- GPUマイニングに基づくPoW

GPU のレンタルは安価なので、ネットワークを攻撃するためのコストは、既存のマイナーのコストを上回るだけの GPU をレンタルするだけで済みます。ブロック報酬 1 ドルごとに、既存のマイナーは約 1 ドルのコストを費やす必要があります (コストが高すぎると、採算が取れないためマイナーは辞めてしまいます。コストが低ければ、新しいマイナーが参加して高い利益を得ることができます)。したがって、ネットワークを攻撃するには、一時的に 1 日あたり 1 ドル以上を費やすだけで済み、数時間しかかかりません。

総攻撃コスト: 約 0.26 ドル (攻撃に 6 時間かかると想定)。攻撃者がブロック報酬を受け取ると、ゼロになる可能性があります。

- ASICチップマイニングに基づくPoW

ASIC チップは資本コストであり、摩耗するか、より優れたハードウェアによって時代遅れになるまで、約 2 年間は持続すると予想されます。チェーンが 51% 攻撃された場合、コミュニティは PoW アルゴリズムを変更することで対応する可能性が高く、その結果 ASIC チップの価値が失われます。平均すると、マイニングは継続コストの約 1/3、資本コストの約 2/3 になります。したがって、1 日あたりのブロック報酬 1 ドルごとに、マイナーは電気代 + メンテナンス料として約 0.33 ドル、ASIC コストとして約 0.67 ドルを支出することになります。 ASIC チップの寿命が約 2 年であると仮定すると、マイナーはその量の ASIC ハードウェアに 486.67 ドルを費やす必要があります。

攻撃の総コスト: $486.67 (ASIC) + $0.08 (電気代 + 修理費) = $486.75

ASIC チップを使用した PoW マイニングでは攻撃コストが増加するだけでなく、この高コストの攻撃に対する保護を提供することで、マイナーが参加するためのしきい値も高くなるため、ネットワーク全体がより集中化されます。

- プルーフ・オブ・ステーク（PoS）

プルーフ・オブ・ステークでは、コストはほぼ完全に資本（預けられたコイン）であり、唯一の運用コストはノードを実行するコストです。さて、毎日 1 ドルの報酬を得るために、どれだけの資本をロックするつもりですか? ASIC を使用する場合とは異なり、預けられたコインは価値が下がらず、誓約が完了すると、短い待機期間の後に賭けられたコインを引き出すことができます。したがって、参加者は同じ金額の報酬を得るために、より高い資本コストを支払う用意があるはずです。

約 15% のリターンがあれば、人々にステーキングのインセンティブを与えるのに十分であると想定しています (これは Ethereum 2.0 の予想リターンです)。すると、1 日あたり 1 ドルのボーナスにより、6.667 年間、つまり 2,433 ドルの預金収益が得られます。ノードのハードウェアと電気のコストは非常に低く、1,000 ドル相当のコンピューターのコストで数十万ドルの寄付を支えることができます。こうしたニーズを満たすには、月額約 100 ドルの電気代とインターネット料金で十分です。しかし、控えめに言っても、これらの継続的なコストは総ステーキングコストの約 10% を占めるため、1 日あたりの報酬は約 0.9 ドルしかなく、これが最終的に資金コストに相当するため、上記のデータは 10% ほど削減する必要があります。

攻撃の総コスト: 1日あたり0.9ドル×6.667年 = 2,189ドル

長期的には、ステーキング比率が増加するにつれてこのコストも高くなると予想されます。個人的には、この数字は最終的に約 10,000 ドルまで上昇すると予想しています。

このセキュリティ システムを維持するための唯一の「コスト」は、賭けられている資産が流動性がないことです。これらの資産がロックされていることが一般に知られることでコインの価格が上昇し、コミュニティ内で流通している投資可能なお金の合計額は変わらない可能性もあります。 PoW では、コンセンサスを維持するための「コスト」は大量の電力の消費です。

- セキュリティを強化するか、コストを削減するか?

低コストで 5 ～ 20 倍の安全性の向上を実現する方法は 2 つあります。 1 つは、ブロック報酬を変更せずに、セキュリティの向上による利益を得ることです。もう 1 つは、ブロック報酬を大幅に削減し (それによってコンセンサス メカニズムの「無駄」を削減)、セキュリティ レベルを変更せずに維持することです。

どちらの方法でも大丈夫です。私は個人的に後者を好みます。なぜなら、以下で説明するように、Proof of Stake では、たとえ攻撃が成功しても、Proof of Work での攻撃よりも被害がはるかに少なく、回復もはるかに簡単だからです。

2. PoSコンセンサスメカニズムでは、攻撃からの回復が容易になります。

PoW ネットワークで、チェーンの 51% が攻撃を受けた場合、何ができるでしょうか?これまでのところ、唯一の実用的な対応は「攻撃者が積極的に攻撃を撤回するまで待つ」ことです。しかし、これはポーン キャンプ攻撃と呼ばれる、より危険な攻撃の可能性を無視しています。ポーン キャンプ攻撃では、攻撃者はチェーン全体を麻痺させることを明確な目的として、何度も攻撃を続けます。

GPU ベースのシステムでは、防御策がなければ、執拗な攻撃者が簡単にチェーン全体を永久にダウンさせる（または PoS または PoA に切り替える）可能性があります。実際、攻撃の数日後には、正直なマイナーは攻撃されたチェーンでブロック報酬を獲得できず、退出できるため、攻撃者のコストは非常に低くなる可能性があります。

ASIC ベースのシステムでは、コミュニティは最初の攻撃に対処できますが、その後は無力な状態になります。まず、コミュニティはハードフォークを通じて PoW アルゴリズムを変更することで最初の攻撃に対応し、それによってすべての ASIC (攻撃者の ASIC と正直なマイナーの ASIC の両方) を「ロック」します。しかし、攻撃者がこの初期コストを負担する意思がある場合、その後は状況は GPU の場合と同じになります (ASIC 用の新しいアルゴリズムを構築して配布する時間が十分にないため)。そのため、攻撃者は安価に攻撃を継続的に発生させることができます。これは避けられません。

もちろん、PoS の場合はさらに良くなります。特定の種類の 51% 攻撃 (具体的には、確定したブロックのロールバック) に対しては、Proof of Stake に「スラッシング」メカニズムが組み込まれており、攻撃者のステーク (他の全員のステークではない) の大部分が自動的に破壊されます。検出がより困難なその他の攻撃（51% の連合が他の全員を検閲する）の場合、コミュニティは少数のユーザーがアクティブにするソフトフォーク (UASF) を調整することができ、この場合も攻撃者の資金の大部分が破壊されます (Ethereum では、これは「非アクティブ リーク メカニズム」によって行われます)。明示的な「ハードフォーク通貨の排除」は必要ありません。 UASF 上のいくつかのブロックの調整と選択を必要とする以外は、すべて自動で行われ、プロトコル ルールに従って実行されるだけです。

したがって、チェーンへの最初の攻撃では、攻撃者は数百万ドルの損害を被ることになりますが、コミュニティは数日のうちに通常の状態に戻ります。 2 回目の攻撃では、破壊された古いコインの代わりに新しいコインを購入する必要があるため、攻撃者にはまだ数百万ドルの費用がかかります。3 回目の攻撃では、さらに多くの費用がかかります。ゲームは非対称であり、攻撃者にとって非常に不利です。

3. ASIC と比較すると、PoS はより分散化されています。

PoW ベースの GPU マイニングは適度に分散化されており、GPU を入手するのは難しくありません。しかし、GPU ベースのマイニングは基本的に、上で述べた「セキュリティ」基準を満たしていません。一方、ASIC ベースのマイニングに参入するには、数百万ドルの資本が必要です (他の誰かから ASIC を購入すると、ほとんどの場合、マイニング マシンの製造会社がより多くの利益を上げます)。

これは、「プルーフ・オブ・ステークは金持ちがさらに金持ちになることを意味する」というよくある議論に対する正しい答えでもあります。 ASIC マイニングは、金持ちがさらに金持ちになることも意味し、ゲームは金持ちに限定されます。少なくとも PoS では、ステーキングに必要な最小金額は非常に低く、多くの一般の人々にとって手頃な価格です。

さらに、PoS は検閲に対してより耐性があります。 GPU マイニングと ASIC マイニングはどちらも非常に発見されやすく、大量の電力消費、高価なハードウェアの購入、大規模な倉庫が必要になります。一方、PoS は、簡易なラップトップや VPN 経由でも実行できます。

PoWの利点

PoW には 2 つの本当の利点があると思いますが、それらは弱いと思います。

1. PoS は「閉鎖的なシステム」に似ており、富が集中するまでに長い時間がかかります。

PoS では、コインを持っている場合は、それをステークしてより多くの報酬を得ることができます。 PoW では、より多くの報酬を獲得し続けることができますが、より多くの外部リソースが必要になります。したがって、長期的には、PoS におけるコインの配布はますます集中化される可能性があると言えます。

PoSでは、一般的な報酬（バリデーターの収入）は低いです。 Ethereum 2.0では、バリデーターの年間報酬はETHの総供給量の約0.5〜2％に相当すると予想されており、バリデーターの数が増えるほど、利息は低くなります。したがって、中央集権化が倍増するには 1 世紀以上かかる可能性があり、その時間スケールでは、他の圧力 (お金を使いたい、慈善団体や子供たちにそれを分配したいなど) が支配的になる可能性があります。

2. PoSは「弱い主観性」を必要とするが、PoWは必要としない

「弱い主体性」という概念については、（Vitalik のオリジナルの紹介を参照してください）。基本的に、ノードが初めてオンラインになるとき、または長期間 (数か月など) オフラインになった後にノードがオンラインになるときはいつでも、ノードは正しいチェーン ヘッドを決定するために何らかのサードパーティ ソースを見つける必要があります。これには、友人、取引所、ブロック検索サイト、クライアント開発者などが含まれます。ただし、PoW にはこの要件はありません。

この要件は実装が容易であると言えますが、ユーザーはクライアント開発者やコミュニティが提供するコンテンツをある程度信頼する必要があります。少なくとも、ユーザーは、プロトコルの内容やプロトコルの更新について教えてくれる誰か（通常はクライアント開発者）を信頼する必要があります。これはどのソフトウェア アプリケーションでも避けられません。したがって、PoS によってもたらされる限界的な追加信頼要件は依然として非常に低いです。

ここに一定のリスクがあるとしても、私は PoS ネットワークは PoW ネットワークよりもはるかに優れた効率性と回復力を持っていると信じています。