イーサリアム（ETH）の主要コンセンサスアルゴリズム解説
イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築・実行するためのプラットフォームとして、ブロックチェーン技術を基盤としています。その中核をなすのが、ブロックチェーンの整合性とセキュリティを維持するためのコンセンサスアルゴリズムです。イーサリアムは、その歴史の中で複数のコンセンサスアルゴリズムを採用・移行しており、それぞれに特徴と課題が存在します。本稿では、イーサリアムが採用してきた主要なコンセンサスアルゴリズムについて、詳細に解説します。
1. Proof of Work (PoW) – 労働の証明
イーサリアムは、当初Proof of Work (PoW)というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWは、ビットコインでも採用されている最も初期のコンセンサスアルゴリズムの一つであり、その基本的な仕組みは、複雑な計算問題を解くことで新しいブロックを生成する権利を得るというものです。この計算問題を解く作業は「マイニング」と呼ばれ、マイナーと呼ばれる参加者が専用のハードウェアを用いて競い合います。
1.1 PoWの仕組み
PoWにおけるブロック生成プロセスは、以下のステップで構成されます。
- トランザクションの収集：ネットワーク上で発生したトランザクションが収集されます。
- ブロックの作成：マイナーは、収集されたトランザクションをブロックにまとめます。
- ナンスの探索：マイナーは、ブロックヘッダーに含まれるナンスと呼ばれる値を変更しながら、特定の条件を満たすハッシュ値を探索します。
- ハッシュ値の検証：条件を満たすハッシュ値を見つけたマイナーは、そのブロックをネットワークにブロードキャストします。
- ブロックの承認：他のノードは、そのブロックに含まれるトランザクションの正当性と、ハッシュ値の条件を満たしていることを検証します。
- ブロックチェーンへの追加：検証が成功したブロックは、ブロックチェーンに追加されます。
この計算問題は、意図的に解くのが困難に設計されており、マイナーは膨大な計算資源を消費する必要があります。この計算資源の消費が、ネットワークのセキュリティを担保する役割を果たしています。攻撃者が不正なブロックを生成しようとする場合、正当なマイナーよりも多くの計算資源を投入する必要があり、そのコストが高くなるため、攻撃を抑制することができます。
1.2 PoWの課題
PoWは、その堅牢性から広く採用されてきましたが、いくつかの課題も抱えています。
- 高いエネルギー消費：マイニングには膨大な電力が必要であり、環境への負荷が大きくなるという問題があります。
- スケーラビリティの問題：ブロック生成に時間がかかるため、トランザクション処理能力が低いという問題があります。
- 51%攻撃のリスク：特定のマイナーがネットワーク全体の計算能力の51%以上を掌握した場合、不正なトランザクションを承認したり、ブロックチェーンを改ざんしたりする可能性があります。
2. Proof of Stake (PoS) – 持ち分の証明
PoWの課題を克服するために、イーサリアムはProof of Stake (PoS)への移行を進めてきました。PoSは、PoWとは異なり、計算資源ではなく、ネットワーク上で保有するETHの量（ステーク）に応じてブロックを生成する権利を得るというものです。PoSでは、マイナーの代わりに「バリデーター」と呼ばれる参加者がブロック生成と検証を行います。
2.1 PoSの仕組み
PoSにおけるブロック生成プロセスは、以下のステップで構成されます。
- バリデーターの選出：ネットワークは、ETHのステーク量に基づいてバリデーターを選出します。ステーク量が多いほど、選出される確率が高くなります。
- ブロックの提案：選出されたバリデーターは、新しいブロックを提案します。
- ブロックの検証：他のバリデーターは、提案されたブロックに含まれるトランザクションの正当性を検証します。
- ブロックの承認：検証が成功したブロックは、ネットワークによって承認されます。
- ブロックチェーンへの追加：承認されたブロックは、ブロックチェーンに追加されます。
PoSでは、バリデーターはETHをステークすることで、ネットワークのセキュリティに貢献します。不正な行為を行った場合、ステークしたETHが没収されるペナルティが科せられるため、不正行為を抑制することができます。
2.2 The Merge – PoSへの移行
イーサリアムは、2022年9月に「The Merge」と呼ばれる大規模なアップデートを実施し、PoWからPoSへの移行を完了しました。The Mergeによって、イーサリアムのエネルギー消費量は大幅に削減され、スケーラビリティの改善も期待されています。
2.3 PoSの利点
PoSは、PoWと比較して、以下の利点があります。
- 低いエネルギー消費：計算資源を必要としないため、エネルギー消費量を大幅に削減することができます。
- 高いスケーラビリティ：ブロック生成時間が短縮されるため、トランザクション処理能力を向上させることができます。
- セキュリティの向上：51%攻撃のリスクを軽減することができます。
3. Casper FFG (Friendly Finality Gadget)
イーサリアムのPoS実装において、Casper FFG (Friendly Finality Gadget)は重要な役割を果たしています。Casper FFGは、ブロックの確定性を高めるためのメカニズムであり、バリデーターがブロックに対して「賛成」または「反対」の投票を行うことで、ブロックの最終性を決定します。
3.1 Casper FFGの仕組み
Casper FFGでは、バリデーターは定期的に「チェックポイント」と呼ばれるブロックに対して投票を行います。チェックポイントは、一定数のブロックが積み重なった時点で生成されます。バリデーターは、チェックポイントに対して賛成票を投じることで、そのチェックポイントが最終的なブロックチェーンの一部であることを保証します。反対票を投じることは、不正なブロックチェーンを排除するための手段となります。
Casper FFGは、2段階の最終性を採用しており、まず「経済的最終性」を達成し、その後「絶対的最終性」を達成します。経済的最終性は、不正なブロックチェーンを生成するために必要なコストが、正当なブロックチェーンを維持するためのコストよりも高くなることを意味します。絶対的最終性は、ブロックチェーンが完全に確定され、改ざんが不可能になることを意味します。
4. 今後の展望
イーサリアムは、PoSへの移行を完了しましたが、さらなる改善に向けて開発が進められています。今後の展望としては、以下の点が挙げられます。
- シャーディング：ブロックチェーンを複数のシャードに分割することで、トランザクション処理能力をさらに向上させる技術です。
- EIP-4844 (Proto-Danksharding)：シャーディング導入に向けた中間段階として、データ可用性レイヤーを改善する提案です。
- Layer 2ソリューションの発展：イーサリアムのメインチェーンの負荷を軽減し、スケーラビリティを向上させるためのソリューションです。
まとめ
イーサリアムは、PoWからPoSへの移行を通じて、エネルギー効率の向上、スケーラビリティの改善、セキュリティの強化を実現しました。Casper FFGは、PoSの最終性を高めるための重要なメカニズムであり、イーサリアムの信頼性を支えています。今後の開発によって、イーサリアムは、より多くのDAppsをサポートし、より多くのユーザーに利用されるプラットフォームへと進化していくことが期待されます。コンセンサスアルゴリズムの進化は、ブロックチェーン技術の発展において不可欠であり、イーサリアムはその最前線に立って、革新的な技術を追求し続けています。
