ステーク証明

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）プロトコルは、関連する暗号通貨の保有量に比例してバリデータを選択することで機能するブロックチェーンのコンセンサスメカニズムの一種です。これは、プルーフ・オブ・ワーク（POW）スキームの計算コストを回避するために行われます。暗号通貨でPoSが初めて機能したのは2012年のPeercoinでしたが、そのスキームは表面的にはまだPOWに似ていました。^[1]

ブロックチェーン取引が認識されるためには、ブロックチェーンに追加される必要がある。プルーフオブステークブロックチェーンでは、追加するエンティティはミンターまたはバリデーター（プルーフオブマイナーによって実行されます）^[2]ほとんどのプロトコルでは、バリデーターはこれを行うことで報酬を受け取ります。^[3]ブロックチェーンの安全性を維持するには、悪意のあるユーザーまたはグループが検証の大部分を乗っ取るのを防ぐメカニズムが必要です。PoSは、バリデーターが一定量のブロックチェーントークンを持っていることを要求することでこれを実現し、潜在的な攻撃者が攻撃を仕掛けるにはブロックチェーン上のトークンの大部分を取得することが必要になります。^[4]

もう一つの一般的な合意形成メカニズムであるプルーフ・オブ・ワーク（PoW）は、トランザクションを検証するために計算能力の検証を使用し、潜在的な攻撃者は検証ネットワークの計算能力の大部分を獲得する必要があります。^[4]これにより、大量のエネルギーを消費するインセンティブが生まれます。PoSはよりエネルギー効率に優れています。^[5]

初期のPoS実装は、PoSプロトコルの固有の脆弱性を悪用した数々の新しい攻撃に悩まされました。最終的に、ビザンチンフォールトトレランスベースとチェーンベースのアプローチと呼ばれる2つの主要な設計が出現しました。^[6] バシールはさらに3つのタイプのPoSを特定しています。^[7]

• 委員会ベースの PoS（別名指名 PoS、NPoS）
• 委任型ステーキング証明（DPoS）
• 流動的なステーク証明（LPoS）。

PoSスキームのさらなる脆弱性は、ブロックチェーンを構築する際に必要な計算量が比較的少ないという利点に直接関係しています。^[8]

必要な計算能力が低いため、メインブロックチェーンの無視できない部分を乗っ取ったバージョンに置き換える攻撃が可能になります。これらの攻撃は、文献ではロングレンジ、オルタナティブヒストリー、オルタナティブヒストリー、ヒストリーリビジョンなどさまざまな名前で呼ばれていますが、膨大な計算量が必要なため、PoWスキームでは実行不可能です。^[9]ブロックチェーンの初期段階では、関与する利害関係者のグループがはるかに少なく、共謀が簡単になるので、書き換えがはるかに容易です。ブロックごと、トランザクションごとの報酬が提供された場合、悪意のあるグループは、たとえば、履歴全体をやり直してこれらの報酬を集めることができます。^[10]

チェーンの末端部分のみを書き換える古典的な「短距離」攻撃（賄賂攻撃）も可能です。^[9]

バリデータは、プロセスにかなりの量の計算能力（したがってお金）を費やす必要がないため、Nothing-at-Stake攻撃を受けやすい傾向があります。つまり、成功した検証に参加するとバリデータの収入が増加するため、バリデータには、提出されたすべてのチェーンフォークを受け入れるというインセンティブが組み込まれており、検証料金を稼ぐ可能性が高くなります。 PoSスキームは、履歴のどの時点からでもブロックチェーンの代替手段を低コストで作成することを可能にします（コストのないシミュレーション）。これらのフォークを熱心なバリデータに提出すると、システムの安定性が危険にさらされます。^[8]この状況が続くと、二重支出が可能になり、デジタルトークンが複数回使用される可能性があります。^[10]これは、競合するチェーンを検証するバリデータにペナルティを課すことにより緩和できます^[10]（「経済的ファイナリティ」^[11]）、または競合を作成する経済的インセンティブがないように報酬を構成することにより緩和できます。^[3] ビザンチンフォールトトレランスベースのPoSは、一般にこの脅威に対して堅牢であると考えられています（以下を参照）。^[12]

賄賂攻撃は、攻撃者が金銭的にバリデーターの一部を誘導してブロックチェーンのフォークを承認させる攻撃であるが、PoSでは強化されている。なぜなら、歴史の大部分を書き換えることで、かつては裕福だったが今は多額の資金を保有していない利害関係者が共謀して、ある時点で必要な過半数を主張し、そこから代替ブロックチェーンを成長させることが可能になるからだ。これは、PoSスキームでブロックを追加する際の計算コストが低いために可能になった操作である。^[10]

これは本質的には PoW スキームの修正版であり、競争は同一のパズルを最短時間で解くために力ずくで挑戦するのではなく、参加者の賭け金に応じてパズルの難易度を変えることに基づいています。パズルは時計の刻みで解けます (|| は連結です)。

${\displaystyle Hash(ProposedNewBlock||ClockTime)<target*StakeValue}$

高価値ステークホルダーにとってパズルを解くために必要な計算量が少ないことは、過剰なハードウェアを回避するのに役立ちます。^[13]

「委員会ベース」としても知られるこの方式では、検証可能なランダム関数を使用してバリデーター委員会を選出し、ステーク量が多いほど選出される確率が高くなります。バリデーターはランダムに交代でブロックを生成します。NPoSはOuroboros PraosとBABEによって利用されています。^[14]

BFT PoS「エポック」（チェーンにブロックを追加すること）の概要は次のとおりです。^[15]

1. 「提案ブロック」を持つ「提案者」は、合意ブロックを 1 つだけ選択するために使用される一時プールに追加することによってランダムに選択されます。
2. 他の参加者、バリデーターはプールを取得し、検証し、1 つに投票します。
3. BFT コンセンサスは、最も投票されたブロックを確定するために使用されます。

このスキームは、バリデーターの3分の1以上が不正でない限り機能します。BFTスキームは、TendermintとCasper FFGで使用されています。^[15]

プルーフオブステーク委任システムは2段階のプロセスを使用します。まず、^[16] ステークホルダーがステークに比例して投票することで検証委員会^[17] 、別名証人を選出します。次に証人はラウンドロビン方式で交代で新しいブロックを提案し、証人は通常BFTのような方法で投票します。DPoSでは他の多くのPoSスキームよりもバリデータが少ないため、コンセンサスをより早く確立できます。このスキームは、EOS、Lisk、Tronを含む多くのチェーンで使用されています。^[16]

流動性PoSでは、ステークを持つ人なら誰でもバリデーターであると宣言できますが、小規模保有者にとっては、何らかの利益（定期的な支払いなど）と引き換えに、投票権を大規模プレーヤーに委任する方が理にかなっています。バリデーターが手数料、評判、その他の要素で競争する市場が確立されます。トークン保有者はいつでも自由に別のバリデーターにサポートを切り替えることができます。LPoSはTezosで使用されています。^[18]

「ステーク」の正確な定義は実装ごとに異なります。たとえば、一部の暗号通貨では、バリデーターのステークを定義するために、トークンの数だけでなく、トークンの数と単一のユーザーがトークンを保有していた時間の積である「コイン年齢」という概念を使用しています。^{[4] [13]}

プルーフ・オブ・ステーク型暗号通貨の最初の機能実装は、2012年に導入されたPeercoinでした。 ^{[3]ブラックコイン、} Nxt、カルダノ、アルゴランドなどの他の暗号通貨が続きました。^[3]しかし、2017年時点では^{[アップデート]}、PoS暗号通貨はまだプルーフ・オブ・ワーク型暗号通貨ほど広く使用されていませんでした。^{[19] [20] [21]}

2022年9月、2022年に世界第2位の暗号通貨であるイーサリアムは、いくつかの提案^{[23] [24]}といくつかの遅延^{[24] [25]を経て、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークのコンセンサスメカニズムシステムに切り替えました[22] 。}

批評家は、プルーフ・オブ・ステーク・モデルはプルーフ・オブ・ワーク・モデルに比べて安全性が低いと主張している。^[26]

批評家は、プルーフ・オブ・ステークは、大量の暗号通貨を保有するユーザーを優遇するシステムであるため、プルーフ・オブ・ワークと比較して暗号通貨ブロックチェーンをより中央集権化させる可能性があり、その結果、大量の暗号通貨を保有するユーザーが暗号通貨ブロックチェーンの管理と方向性に大きな影響を与える可能性があると主張している。^{[27] [28]}

米国の規制当局はプルーフ・オブ・ステークモデルの法的地位をめぐって議論しており、証券取引委員会はステーキング報酬は利息と同等であるため、イーサリアムやエイダなどのコインは金融証券であると主張している。^[29]しかし、2024年にSECは、コインをステーキングしないことを条件にイーサリアム市場ファンドを認めることで、この問題を回避した。イーサリアムのステーキングレベルは総供給量の27％で、カルダノ（66％）やソラナ（63％）と比較して低い。しかし、トークンをステーキングしないことは、ファンドが年間約3％の潜在的収益を失っていることを意味した。^{[30] [31]}

2021年にロンドン大学が行った研究では、一般的にプルーフ・オブ・ワークベースのビットコインのエネルギー消費量は、最も好ましい条件下でも研究された最もエネルギー消費量の多いプルーフ・オブ・ステークシステムの約1000倍であり、ほとんどのプルーフ・オブ・ステークシステムではほとんどの構成でエネルギー消費量が少ないことが判明しました。^[32]

2022年1月、欧州証券市場監督局 の副議長エリック・テディーン氏は、EUに対し、エネルギー消費量が少ないことからプルーフ・オブ・ワークモデルを禁止し、代わりにプルーフ・オブ・ステークモデルを導入するよう求めた。^[33]

2022年9月15日、イーサリアムは「マージ」と呼ばれるアップグレードプロセスでコンセンサスメカニズムをプルーフオブワークからプルーフオブステークに移行しました。これにより、イーサリアムのエネルギー使用量は99％削減されました。^[34]

• Deirmentzoglou, Evangelos; Papakyriakopoulos, Georgios; Patsakis, Constantinos (2019). 「Proof of Stake プロトコルに対する長距離攻撃の調査」. IEEE Access . 7 : 28712–28725. Bibcode :2019IEEEA...728712D. doi : 10.1109/ACCESS.2019.2901858 . eISSN  2169-3536. S2CID  84185792.
• Xiao, Y.; Zhang, N.; Lou, W.; Hou, YT (2020). 「ブロックチェーンネットワーク向け分散コンセンサスプロトコルの調査」. IEEE Communications Surveys and Tutorials . 22 (2): 1432–1465. arXiv : 1904.04098 . doi :10.1109/COMST.2020.2969706. ISSN  1553-877X. S2CID  102352657.
• バシール、イムラン（2022）。「ブロックチェーン時代のプロトコル」。ブロックチェーンコンセンサス。Apress。pp.331–376。doi ：10.1007/ 978-1-4842-8179-6_8。ISBN 978-1-4842-8178-9。