暗号通貨のPoWマイニング原理と課題の簡潔な解説

この記事は11月26日にWeChat公式アカウント「暗号谷Live」に掲載され、著者はJerry Qiです。

私が中学1年生の時、私はすでに暗号通貨の世界に魅了されていました。最初は、これはまるで無料の通貨生成器のようだと思っていました。私のノートパソコンを風火輪のように動かしてCrypto-miningソフトウェアを実行すれば、無料の暗号通貨が手に入ると考えていました。

結局、私のノートパソコンは確かに暗号通貨を生成しましたが、非常に非常に少量の暗号通貨だけでした。

私がノートパソコンで行ったことは、本質的に「暗号マイニング」です。

出典：btcwires

「マイニング」

あなたは暗号通貨のビットコインについて聞いたことがあるかもしれませんし、「マイニング」という用語がこの種の暗号通貨に関連していることも聞いたことがあるかもしれません。

暗号通貨のマイニングは、簡単に言えば、マイナーまたは個人がデバイスを使用してブロックチェーンネットワークをサポートする「作業」を行い、暗号通貨の報酬を得るプロセスです。

Onenote上の小型P2Pネットワークの草図

ブロックチェーン：これは、ネットワーク上の人々の行動を記録する分散型の記録または分散型台帳です。したがって、暗号通貨のブロックチェーンネットワークにとって、ブロックチェーンの機能はネットワーク上の個人の取引を記録することになります。

この記事では、ビットコインを例に挙げて、マイニングの背後にある意味を解説します。

マイナーの「作業」という話題に戻ります。マイナーがビットコインの報酬を得るために行う簡単な「作業」は、ビットコインのブロックチェーン上の取引を検証することです。

検証時、マイナーは一連のチェックを実行して、割り当てられた取引が合法であり、取引参加者が同じ量の暗号通貨を二重に支払わないことを確認します。たとえば、JoeがBrandonに12ビットコインを送信し、BrandonがTonyに7ビットコイン、Maxに8ビットコインを送信しようとした場合、これは詐欺的な取引と見なされます。なぜなら、7+8>12だからです。私が先ほど挙げた状況は「二重支払い問題」の一例です：Brandonは同じビットコインを二度消費しようとしています。

マイナーが0-4メガバイトの間のビットコイン取引（約1500-3000件の取引）を検証した場合、それは1つのブロックの近似最大サイズに相当します。彼らはビットコインの報酬を得るための比較的簡単な作業の半分を完了しました。しかし、検証前のタスクは最も複雑であり、マイナーが取引を検証する資格を得るためのものです。

マイニング業界の運の部分

文字列のシーケンスを最初に解決すること、つまりいわゆる作業証明（Proof of Work）を作成することです。作業証明（Proof of Work）を作成することは、マイナーが最も計算能力を必要とするプロセスです。（以下の章でなぜ作業証明（Proof of Work）と呼ばれるのかを説明します）

作業証明（Proof of Work）アルゴリズムを理解するためには、まずブロックチェーン内の「ハッシュ」という言葉に慣れる必要があります。

ネットワークがブロックチェーン内のブロックの改ざんを検出する方法は、そのハッシュ値を通じて行われます。これは、ブロック内の情報によって定義される数字と文字で構成された長い文字列です。データをハッシュ関数を通じて処理することで、たとえばビットコインが使用するSHA-256を使用すると、その特定の入力に対するシーケンスが生成されます。つまり、入力データが1文字でも変更されれば、出力されるハッシュ値は完全に変わります。また、ハッシュは暗号化可能ですが復号化不可能な結果であるため、元のデータを取得するためには使用できず、ハッシュの入力データが同じであるかどうかを検証する方法としてのみ使用されます。

作業証明（Proof of Work）を作成するには、マイナーがハッシュアルゴリズムを実行して「問題の適切な答え」を「推測」する必要があります。ビットコインのブロックチェーンネットワークにとって、マイナーは特定の要件を満たすハッシュ値を最初に作成しなければなりません。このハッシュ値は「ターゲットハッシュ」と呼ばれます。

ターゲットハッシュを推測するために必要な情報は、新しいブロックのブロックヘッダーに存在します。これには、ブロックのバージョン番号、タイムスタンプ、前のブロックのハッシュ値、およびターゲットハッシュ値が含まれます。

onenote上の推測プロセスの草図

ターゲットハッシュの答えは、前のブロックのハッシュ値、現在のブロックの取引データ、および0-4,294,967,296の整数（略してnonce）を加えたものをハッシュアルゴリズムに入れて生成されます。

もし答えがターゲットハッシュの要件を満たす場合、そのブロックはブロックチェーンに追加されます。最初に取引を検証し、そのブロックハッシュに追加されるnonceを見つけたマイナーは、ビットコインの報酬を得ます。そうでなければ、彼らは有効なターゲット値を見つけるために試行を続けます。

ハッシュアルゴリズムのランダム性のため、ターゲットハッシュを満たす数値を特定するために大量のランダムな推測を行う必要があります。

出典：Investopedia

nonceを見つけること自体が非常に困難であり、同じネットワーク上には≥百万の他の個体が競争しているため、デバイスがビットコインの報酬を得る確率は宝くじに当たる確率に似ています。したがって、処理能力を向上させたり、複数のデバイスを使用したりすることで、より速いHash Rate（単位にはKH/s、MH/s、GH/sなどがあります）を得ることができます。

Hash-rateという用語は、1つまたは一組のデバイスが数字を計算し、取引を検証する速度がどれだけ速いかを示す量（計算能力の尺度）として説明できます。

コンセンサスメカニズム

ビットコインのブロックチェーンのような分散型P2Pネットワークには、中心的な主要人物が存在せず、異なるコンセンサスメカニズムに基づいて意思決定を行う必要があります。コンセンサスメカニズムは、取引の検証と同時に、マイニングの目的を確立します。

出典：ウィキペディア

コンセンサスメカニズムには多くの形式がありますが、それらはすべて同じ目標のために存在します：「記録の真実性と完全性を確認し、保証すること」（出典：Tech in Asia）。

現在、主に3つのメカニズムがあります：作業証明（Proof of Work）、ステーク証明（Proof of Stake）、権限証明（Proof of Authority）。この記事では、コンセンサスの作業証明（Proof of Work）方式に重点を置いて説明します。

マイニングについて言えば、これは作業証明（Proof of Work）モデルの動作原理を要約しています：個人はまず作業証明（Proof of Work）を作成し、その後ビットコイン取引を検証してブロックチェーン内の記録が真実であることを確認します。しかし、取引を検証する前に、作業証明（Proof of Work）の目的について深く理解しましょう。

作業証明（Proof of Work）の歴史と目的

作業証明（Proof of Work）のアイデアは1993年に登場し、Cynthia DwardとMoni Naorが「スパム対策のためのメモリバウンド関数に関する論文」で提案しました。この論文では、スパムを防ぐためのさまざまな方法が説明されています。この論文の焦点は、計算能力を通じて電子メールを送信するアイデアです。

たとえば、私に電子メールでメッセージを送信したい場合、あなたは私にそのメッセージを送信するために30秒の計算能力を費やしたことを証明しなければなりません。

現代のコンピュータの速度が非常に速いため、この状況ではスパムメッセージ/メール/取引が大きな問題となります。しかし、各操作に「作業料金」を設定することで、スパムメッセージを大幅に減少させることができます。

onenote上での勤勉な門鍵の例の検証

簡単に言えば、「prover」は「verifier」に対して、一定の時間間隔内に一定の計算能力を投入したことを証明します。

時代が進むにつれて、ビットコインの創造者「中本聡」は、ビットコインマイナーがデータの断片を生成するというアイデアを修正しました。これは比較的困難な部分です。そして、ネットワーク上の他の人々は、それが本当にターゲットハッシュ値を満たしているかどうかを確認するのが非常に簡単です。なぜなら、彼らは必要なデータをSHA-256アルゴリズムを通じて処理するだけで済むからです。

この作業証明（Proof of Work）システムを通じて、ブロックチェーンなどのシステムの安全性を保証し、検証のコンセンサスを確立することができます。なぜなら、実際にブロックを検証するのは、膨大な計算能力を投入したデバイスだからです。これにより、ネットワークは公平性と誠実性を保つ経済的理由を持つことができます。

それをどうやって実現するのか？

たとえば、詐欺的な取引が発生し、承認された場合、ユーザーは「ためらい」を感じ、他の暗号通貨を使用するようになり、価格が下がることになります。経済的に見れば、マイナー、つまりビットコインを「生産」する人々は、価格の下落に不満を感じるでしょう。そして同時に、詐欺的な検証を引き起こすためには、マイナーを制御することができるのは十分な計算能力を持つ者だけです。したがって、マイナーの作業動機は取引を保護し、価格が下がらないようにすることに向かいます。

作業証明（Proof of Work）メカニズムの欠点

作業証明（Proof of Work）は、ビットコインやイーサリアムなどのいくつかの最大の暗号通貨で使用されていますが、これが最も効率的で安全なシステムであるとは限りません。

出典：BBC

電力消費

作業証明（Proof of Work）のプロセスは、大量の作業を必要とします。なぜなら、コンピュータはすべての可能性を粗暴に推測して正しい答えを見つけるからです。この方法は大量の電力と資源を浪費します。大きな視点から見ると、全世界のすべてのマイナーがビットコインの報酬を得るために「マイニング」を試みていると想像してみてください。同時に、彼らはリソースを浪費しており、nonceを推測することができなければ、ネットワークに貢献することすらできません。

中央集権的な理念に反する

マイニングには大量の電力が必要なため、マイナーは中央のマイニングファームを設立し、大部分のブロック検証を制御しています。これはほぼP2Pの分散型のアイデアを無意味にします。なぜなら、制御するマイナーだけがネットワークを攻撃することに同意するからです。

電力コストは、マイナーが電力コストが低く、利益が高い場所に集まることを促進します。集中した意思決定権が生まれます。

作業証明（Proof of Work）の代替案

前述のように、PoWに代わる他のコンセンサスメカニズムがあります。たとえば、ステーク証明（Proof of Stake）、権限証明（Proof of Authority）、能力証明（Proof of Capacity）などです。

ステーク証明は、検証者のウォレット内の通貨の量によって取引の検証者を決定します。

たとえば、宝くじを買う人々のグループを想像してください。最も多くの宝くじを買った人が当選する可能性が高くなります。これはステーク証明に似ており、あなたのウォレットに最も多くの暗号通貨があれば、検証者になり、報酬を得る可能性が最も高くなります。

権限証明は、個人の「信頼性」に基づいて取引の検証者を決定します。

想像してみてください、一群の人々が最も信頼できる、評判の良い人々を選んで取引の有効性を検証します。

能力証明は、個人がネットワークのメモリ空間に貢献することによって検証者を決定します。

このメカニズムは、ネットワーク上の貢献ノードがメモリ空間を共有できるようにします。したがって、貢献するデバイスが持つメモリが多いほど、検証者になり、報酬を得る可能性が高くなります。

これらの方法は、必要な計算量を大幅に減少させ、取引の検証においてより省エネルギーです。

まとめ

• マイニング行為は、作業証明（Proof of Work）を検証し生成するプロセスです。

• 作業証明（Proof of Work）を生成することで、マイナーは取引を検証できます。

• 作業証明（Proof of Work）を生成することは、数字の推測と強制のプロセスです。

• 作業証明は電力を浪費します（Proof of Work wastes electricity）。作業証明（Proof of Work）以外にも、ステーク証明（Proof of Stake）、能力証明（Proof of Capacity）、権限証明（Proof of Authority）などの方法があります。