プルーフ・オブ・ワーク（PoW）のコンセプト

プルーフ・オブ・ワークは、神秘的または無駄なシステムとしてではなく、むしろ機能的かつ自然で、あらゆる通信プロトコルの設計にとって潜在的に価値のあるものとして捉えるべきです。

テキスト |ダニエル・クラウィス。プルーフ・オブ・ワークのコンセプト。 2013/6/24.

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おそらく、ビットコインネットワークの最も直感的でない部分は、作業証明の概念です。この定義に基づいて新しいトランザクション セット (「ブロック」) を生成し、分散トランザクション データベース (「ブロックチェーン」) に追加します。この概念は初期のサイファーパンク運動[1]に起源を持ち、貨幣理論にとっては新しいものであり、コンピュータサイエンスの分野においては少々場違いな感じがします。生物学がそれを理解するための最も適切な枠組みを提供していることを示します。

ビットコイン ブロックチェーン内のすべてのブロックには、意味のないデータの小さな文字列 (nonce と呼ばれる) が添付されています。マイナーは、ブロック全体が特定の任意の条件を満たすように、正しい意味のない文字列を見つける必要があります。具体的には、ブロックのSHA-256ハッシュには、先頭に一定数のゼロが必要です[2]。ハッシュは一方向関数なので、正しい nonce を見つけたり、正しいブロックを生成したりする簡単な方法はありません。適切な nonce 値を見つける唯一の既知の方法は、成功するまでランダムに試してみることです。カーン アカデミーは、プルーフ オブ ワークの視覚的な説明を提供しています。

https://www.khanacademy.org/economics-finance-domain/core-finance/money-and-banking/bitcoin/v/bitcoin-proof-of-work

覚えておいてください、このプロセスは完全に恣意的です。これは、ブロックの生成を困難にするための、儀式のような余分な複雑さにすぎません。計算上困難であれば、他のものでも構いません。他の暗号通貨では、他のハッシュ アルゴリズムが使用されます。数論には望月新一のような人だけが理解できるような特別な条件は存在しません。 [3]

マイナーの役割はブロックチェーンの会計を行うことですが、実際にマイナーが行う作業のほとんどは、簿記とはまったく関係なく、適切な nonce 値を見つけることです。 nonce を見つけるために使用されたエネルギーは永久に失われます。一部の人が主張しているように、金が正当な紙幣を裏付けるのと同じように、エネルギーはビットコインの価値を「裏付ける」ものではない。ビットコインのマイニングに投入される膨大な計算能力のうち、ごく一部を除いてすべてが無目的に費やされています。

マイニング装置をアップグレードすると、マイニング速度が上がり、より多くのビットコインを獲得できるようになります。しかし、全員がアップグレードしても、採掘全体の効率は上がりませんでした。ネットワークがどれだけ懸命に動作しても、10 分ごとに新しいブロックが 1 つだけ生成されるはずです。代わりに、ネットワークは難易度を更新して、将来のブロックにさらに厳しい条件を課します。鉱夫たちは全員一生懸命働くかもしれないが、誰も裕福にはならないだろう。それは、それぞれの木が他の木よりも多くの光を吸収するためにできるだけ高く成長しようとする森に似ています。そして、最終的に太陽エネルギーのほとんどが長くて乾燥した幹を育てるのに使われます。

なぜビットコインのブロックすべてを難しいプロクルステスのベッドに結び付けるのでしょうか?プルーフ・オブ・ワークの概念を正しく考える方法は、合意を拒否する大きな動機に反して、誰にも従属しない利己的な個人のグループ間で合意を形成する手段として考えることです。もし誰もが完全に正直で無私であれば、ビットコインはおそらく作業証明なしでも完璧に機能するでしょう。そうしないと合意に達するのが難しくなります。

新しいブロックが生成される前に、ネットワーク上には、これらの支払いがどこに送られるべきかという客観的な答えがないまま、多くの支払いが存在する可能性があります。一部は無効である可能性があるため、すべてを確認する必要があります。取引手数料が含まれていない場合もあるため、これらのフリーライダーを丁寧に通過させるか、無視するかを決める必要もあります。最後に、2 つ以上の支払いを含むセットが存在する場合があり、すべての支払いが同時に有効になるわけではありませんが、一部の支払いのサブセットは有効です。たとえば、ウォレットが同じビットコインを同時に 2 回使用しようとする場合があります。この場合、どの支払いを許可するかの選択は任意です。

したがって、特定の支払いセットに対して、構築できるブロックが複数存在する可能性がありますが、そのどれもが客観的に正しいとは限りません。さまざまなブロックがさまざまな人々にさまざまな利益をもたらすため、どの結果がより適切であるかについては必ずしも合意が得られません。まず、報酬は新しいビットコインのバッチを含むブロックを生成することで得られます。これが必要なのは、それがなければ、そもそも誰も元帳を保管するインセンティブを持たないからです。しかし、報酬があれば、各マイナーは当然、自分が提案した新しいブロックを他の人が提案したブロックよりも優先するでしょう。

報酬を別にしても、他にももっと微妙な問題があります。マイナーは敵からのトランザクションの検証を拒否するかもしれませんし、受け取る手数料に関して多かれ少なかれ利他的であるかもしれません。犯人は二重支払いによって他人を騙そうとさえしているかもしれません。この場合、犯人は被害者に商品と引き換えに支払い、同時に自分が所有する別のウォレットに矛盾する支払いを行ったことを確認することになります。これにより最初の支払いが無効になり、結局支払っていない商品を受け取ることになります。

ブロックチェーンを自分の目的のために操作したい理由がたくさんあるため、マイナーは特定の提案に同意することなく、コンセンサスの必要性について理論的に同意する可能性があります。ビットコインの解決策は、裏切りのコストが大幅に増加する追加の要件をプロトコルに追加することである。ブロックが難しい計算によってランダムに生成される場合、一度に提案される新しいブロックは 1 つだけです。新しいブロックが提案されると、マイナーは、自分にとってより有益な代替ブロックを探し続けるか、新しい提案を受け入れて次のブロックを探すかを選択する必要があります。最新のブロックを受け入れる人は皆、自然なコンセンサスに従っていることを理解しており、幸運にも次のブロックを生成できれば、おそらく前のブロックを受け入れたのと同じ理由で受け入れられるでしょう。一方、より有利なブロックを生成しようと主張することは、新たな合意を確立する前に、十分な数の他のマイナーを説得​​して同意させる必要があるため、非常に危険です。

一般的なルールは、誰も最初になることを計画できないため、最初に採掘されるブロックは利己的ではないということです。ナンバーワンになれるのは運だけだ。いかなる持続性も疑わしい。持続性を生成するには、マイナーが選択を行い、完全に適切で、潜在的に利他的な選択肢を拒否する必要があるからだ。これは簡単なことではありません。 [4]

不利益原則

このプロセスは、生物学における「不利原理」と呼ばれる考え方によって説明されます[5]。 2 匹の動物が協力する動機を持つ場合、信頼できる方法で互いに善意を伝えなければならないとされています。嘘をつくのを不可能にするためには、信号は信号を送る人にコストを課す必要があり、それによって不正行為に非常にコストがかかることになります。つまり、信号自体が不利になるはずです。

これは、幅広い現象に当てはまるゲーム理論の有名な考え方である「囚人のジレンマ」を使って理解できます。囚人のジレンマには 2 人のプレイヤーがいて、それぞれに協力するか裏切るかという 2 つの選択肢があります。通常、このゲームは 2 人の囚人の物語に基づいて説明され、それぞれの囚人は沈黙を守るか、相手を叱責するかを選択できます。囚人のジレンマの基本的な特徴は、他のプレイヤーの選択に関係なく、各プレイヤーが裏切りを選択する方が有利であり、裏切ったプレイヤーが他のプレイヤーが協力した場合に最大の利益を得るという点です。おそらく、両者が裏切るよりも協力したほうが両者にとって有利になりますが、協力を保証できないため、両者とも裏切ることを選択します。

不利原則は、各プレイヤーがゲームの一歩先を行く行動を選択できるようにすることで囚人のジレンマを解決し、裏切りの利益を排除すると考えられます。ハンディキャップ原理が2人の囚人の話にどのように当てはまるかは分かりませんが、彼らが同時に検察官と一緒に時間を過ごしていて、ゲーム理論に特に詳しい囚人の1人が検察官に「もう1人の囚人が有罪なら、私も同じくらい有罪です」と言ったとします。この発言は、協力することを選択した他の囚人を裏切る能力を奪うため、彼自身にとって明らかに犠牲を伴います。その後、別の囚人がその声明を繰り返すことを選択できます。これを行わない場合、最初の囚人にとって唯一の実行可能な選択肢は逃亡することであると彼は知っていますが、これを行った場合、両方の囚人が協力することを選択できます。これが不利原則です。

不利原理は、さまざまな生物学的現象にうまく適用されてきました。具体的な例を挙げると、獲物となる動物が捕食動物に狙われていることに気づいたとします。獲物が捕食者に、もはや気づかないわけではないことを伝えることができれば、両方の動物に利益がもたらされます。狩りがもはや驚きではなくなると、捕食者はそれ以上狩りをしたくないと思うようになり、獲物は殺されなくなります。しかし、獲物は突然「見えてるよ！」と言い出すかもしれません。たとえ捕食者が見えなくても、そこに偶然いるかもしれない仲間を阻止するためです。獲物が嘘をついている可能性がある限り、捕食者はその信号を額面通りに受け取ることはできず、無視しなければなりません。 [6]

ハンディキャップ原理は、種の中で動物がどのように互いに競争し、仲間と交流するかについて多くのことを説明します。例えば、鹿の中では、最も大きな角を持つものが最強かつ最善の象徴です。なぜなら、より大きな角を生やそうとする子鹿は、処理できる以上のエネルギーと栄養分を消費する危険があるからです。したがって、二流の鹿は結局二流の角が生え、三流の鹿は結局三流の角が生え、というように続きます。 [7]

社会的な種においては、不利原則が道徳と利他主義を説明します。ある種のメンバーが角や枝角などの不利な点を利用して自らの強さや適応度を示すことができるのと同様に、社会的な種のメンバーは利他主義を不利な点として利用して自らを他の種から区別することができます。たとえば、『不利の原理』という本では、利他主義で競争するアラビアチメドリと呼ばれる社会的な鳥のグループについて説明しています。最も強く優位な鳥は、群れを守ったり、雛や下位の鳥に餌を与えたりすることに時間を費やすことで、自らの優位性を誇示します。ツグミは劣等感を感じたくないので、同じ階級の他のツグミに餌を与えられることを好みません。不利原則では、鳥が他の鳥にミミズを与えたところ、同じミミズが自分の喉にまっすぐ押し戻されたという観察結果さえも説明されています。 [8]

したがって、プルーフ・オブ・ワークは、神秘的または無駄なシステムとしてではなく、むしろ機能的かつ自然で、あらゆる通信プロトコルの設計にとって潜在的に価値のあるものとして捉えるべきです。分散型コンピュータ システムを 1 人のユーザーが所有している場合、そのユーザーは各システムの挙動を制御できるため、すべてのシステムが協力すると想定できます。そうでない場合は、同じ目標に向かって動作していることを証明するために、異なるコンピューターが必要になります。生物学における不利益原則の普遍性は、ユーザーにコストを課さないプロトコルが乱用を招くのではないかと疑わせるのに十分なはずです。インターネットの問題のどれだけがこの原則を考慮に入れていないことに起因するのかを考えるのは興味深いことです。電子メールが発明されたときにプルーフ・オブ・ワークが理解されていたら、スパムの問題は発生しなかったかもしれません。インターネット プロトコルがクライアント要求に対して作業証明を要求できれば、分散型サービス拒否 (DDOS) 攻撃を心配する必要がなくなるかもしれません。 [9]

ビットコインのプルーフ・オブ・ワークシステムは、枝角と利他主義に例えることができます。ブロックを生成する能力は、ビットコイン ネットワークがすべてのトランザクションを検証するために必要な計算能力を反映しています。しかし、それはコミュニティ精神の表れでもあります。次のブロックをめぐる競争に参加することに同意することは、コミュニティの利益を尊重し、自分たちの利己的な利益のためにブロックチェーンを操作するつもりがないことを示すからです。これこそまさに、コミュニティをひとつにまとめるために期待される類のものである。

ビットSMS

プルーフ・オブ・ワークの最新の応用例は、匿名で分散された暗号化メッセージングプロトコルであるBitmessageであり、将来的にはビットコインとほぼ同じくらい重要になる可能性がある[10]。これはビットコインに触発されたものですが、仕組みはまったく異なります。すべてのテキスト メッセージをデータベースに永久に保存する必要がないため、BitSMS プロトコルにはブロックチェーンは存在しません。対照的に、BitTorrent では、テキスト メッセージを送信する各人が、ネットワーク上で中継される前に何らかの作業を実行する必要があります。これにより、すべてのテキスト メッセージが意味のあるものになることが保証されます。スパマーは、送信するメッセージごとにコンピューターを 1 分程度稼働させておくことはできません。ユーザーが計算を寄付することに依存する分散ネットワークでは、ただ乗りを許すことができないため、作業証明は不可欠です。現時点ではまだ初期段階であり、安全性が認められるほど十分に研究されていませんが、電子メールの代替として大きな可能性を秘めています。

ピアコインとプルーフ・オブ・ステーク

ビットコインとライトコインに次いで3番目に人気のある暗号通貨であるピアコイン（PPCoin）について議論しなければ、プルーフ・オブ・ワークについての議論は完結しないでしょう[11]。 Peercoin も、脱退を不利益にするためにプルーフ オブ ワークを使用していますが、コストの分配はマイナー間で大きく異なります。長期間大量の Peercoin を保有するマイナーは、短期間少量の Peercoin を保有するマイナーよりも、ブロックを生成するための要件が​​はるかに低くなります。これは、人々は最も強力なコンピュータを持つ人が提案したコンセンサスに従う傾向はなく、むしろ通貨に最も多くの投資をしている人に従う傾向があることを意味します。鉱山労働者は能力よりも勤続年数によって分けられます。マイナーが Peercoin のブロックチェーンに新しいブロックを作成する場合、新しいコインを取得するために古いコインの一部を下取りする必要があります。つまり、ブロックを作成したすべての人が次のブロックを作成できる可能性が低くなります。このシステムは Proof-of-Stake と呼ばれます。

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークは、状況によってコストと利点が異なります。不利原則によれば、信号を生成するコストはメッセージの意味に関連している必要があります。プルーフ・オブ・ステーク システムはコイン自体への投資を示しますが、プルーフ・オブ・ワーク システムは基盤となるネットワークへの投資を示します。

したがって、プルーフ・オブ・ワーク・ネットワークとプルーフ・オブ・ステーク・ネットワークの時価総額が同じ場合、プルーフ・オブ・ワーク・コインのネットワーク容量はプルーフ・オブ・ステーク・ネットワークよりも大きく、流動性が高く、プルーフ・オブ・ステーク・コインの価格安定性が高いことが予想されます。

プルーフ・オブ・ワークシステムは、ネットワークが一貫してブロックを受け入れることを困難にすることで、反社会的なマイナーがブロックチェーンを操作することを防ぎます。対照的に、プルーフ・オブ・ステークシステムは、商品（通貨）が絶対的に信頼できるものであることを保証するインセンティブを持つマイナーからのブロックのみを受け入れることで、反社会的なマイナーを阻止します。新しいブロックが作成されるたびにプルーフ・オブ・ステークが使い果たされるため、マイニングできる人が絶えず入れ替わり、ブロックチェーンを独占的に維持するインセンティブがさらに少なくなります。

初期段階では、暗号通貨ネットワークは信頼性と価値を獲得するためにコイン自体への長期投資を必要としますが、より大規模で成熟したネットワークでは、適切に機能するためにネットワーク インフラストラクチャの専門化が必要になる可能性が高くなります。

これは学術的な議論です。ビットコイン以外の暗号通貨をサポートすることは逆効果となるでしょう。平均的な消費者は、お金としての使用に影響しない不明瞭な技術的詳細を理由に、ある通貨を他の通貨よりも選ぶことはありません。より広く受け入れられているものを選択する可能性が高くなります。 Peercoin の方が合理的だと考える人たちは、Peercoin が Bitcoin に勝つことはほとんど期待していませんが、Bitcoin のコミュニティに将来のバージョンの Bitcoin でプルーフ・オブ・ステーク システムを採用するよう説得するチャンスがあるかもしれません。これは理論的には可能であり、メリットもあるかもしれないが、ビットコインのマイナーは現在のシステムに既得権益を持っているため、このような革新に反対する傾向がある。