プルーフオブワーク(Proof of Work)とは|仕組みや課題を解説

本記事では、ビットコインなどの仮想通貨を支えるプルーフオブワークの仕組みについてわかりやすく解説していきます。

※前提として、一概にプルーフオブワークといっても様々なアルゴリズムの違いがあるため、本記事におけるプルーフオブワークとはビットコインのものを指すこととします。

プルーフオブワーク(Proof of Work)とは

プルーフオブワークとは、運営者が不在の状況で仮想通貨の取引を正常に行うための仕組みです。

このプルーフオブワークを行うことにより、報酬として仮想通貨を受け取ることができます。

これをコンセンサスアルゴリズム(合意形成の手順)といい、プルーフオブワークの他にもプルーフオブステーク(Proof of Stake)やプルーフオブインポータンス(Proof of Importance)などがあります。

プルーフオブワークはなぜ必要なのか

普段の生活の中で、日本円などの法定通貨を送金する際は銀行を仲介させることですぐに実現できますが、仮想通貨の場合は銀行のような第三者が存在しないため、代わりにプルーフオブワークの仕組みを活用することで送金を実現しています。

また、仮想通貨を取引する際には、不正を行おうとしている者の存在を考慮して送金を行わなければなりません。 なぜなら、仮想通貨の取引には、不正抑制を行う主体が存在しないからです。

そのため、仮想通貨の取引における不正抑制の観点からも、プルーフオブワークは非常に重要な役割を果たしています。

プルーフオブワークを活用している仮想通貨

コンセンサスアルゴリズムの一種であるプルーフオブワークを活用している仮想通貨の例としては、ビットコインをはじめとしてイーサリアムやライトコインなどが挙げられます。(イーサリアムはプルーフオブワークとプルーフオブステークのハイブリッド型(併用)へ移行を計画しています)

その他にも、匿名性の高いモネロやジーキャッシュにもプルーフオブワークが活用されています。

プルーフオブワークの仕組み

それでは、プルーフオブワークが実際どのような仕組みなのか解説していきたいと思います。 その前に、プルーフオブワークはブロックチェーンを構成する各ブロックを生成するために必要な作業の一つであるため、まずはブロックチェーンがどのように生成されるのか、簡単に説明しておきたいと思います。 なお、ここではビットコインのブロックチェーンを例に出します。

ブロックチェーンにおけるプルーフオブワーク

ブロックチェーンとは、無数のブロックが鎖のように一列に連なっている様子からそのように呼ばれるようになったといわれており、各ブロックの中身は以下の図のように構成されています。

ブロックチェーンを構成する各ブロックの中身

このブロックが無数に連なっているため、ブロックチェーンと呼ばれています。 ブロックの中身は、ブロックヘッダと呼ばれる部分と無数の取引データの集まりから構成されています。

このブロックヘッダに含まれる要素は、主に以下の4つであり、この中でも乱数(ノンスと呼ばれます)がプルーフオブワークと最も関係のある部分です。

直前のブロックのハッシュ値

ブロックチェーンを構成する各ブロックは一列に連なっており、直前のブロック全体をハッシュ化(暗号化)した値(ハッシュ値)を次のブロック内に取り込んでいきます。

この構成こそがブロックチェーンの耐改ざん性を高める要因となっています。 ※ブロックチェーンのハッシュ化に関する詳細は、ブロックチェーンはなぜ安全といえるのか、耐改ざん性を解説を参照ください。

取引データのハッシュ値

ブロック内に含まれる無数の取引データをハッシュ化した値が含まれています。

乱数(ノンス)

ブロックチェーンを生成するには、ブロックに含まれるデータと乱数を組み合わせて暗号化した値(ブロックのハッシュ値)の先頭に、0が指定の数(2018年5月時点では18個)続くようにする必要があります。

ブロック生成時刻

そのブロックが生成される時刻が記録されます。

上記のブロックを生成する手順を整理すると、

①直前のブロックのハッシュ値をブロックヘッダに取り込む
②そのブロック内の取引データを全てハッシュ化して、そのハッシュ値をブロックヘッダに取り込む
③そのブロック全体をハッシュ化した際に、先頭に0が18個並ぶような乱数を探す
④乱数が見つかったら時刻が記録される
⑤ブロックが生成される

①と②は固定値であるため、ブロックを生成するには乱数をひたすら探す必要があるということです。

プルーフオブワークとは乱数(ノンス)を探すこと

前置きが長くなりましたが、上記で説明した乱数を探す作業こそ、本記事のテーマであるプルーフオブワークそのものなのです。 プルーフオブワークとは、直訳すると「作業量の証明」となりますが、まさにこの乱数を探す作業に多くの時間を費やすことで、そのブロック内の取引データが正しいものであるという証明を行なっているのです。

ちなみに、ビットコインのブロックが生成される時間は10分に1回である、といった話をよく耳にする方もいるかと思いますが、正確には、乱数が見つかる確率が約10分に1回となるよう難易度調整されているため、結果的に約10分に1ブロック生成されているということです。

この難易度調整は、具体的にはブロックのハッシュ値の先頭に並ぶ0の数を増減させることによって行われています。 もしも、強力なコンピュータパワーを持ったマシンが登場した場合、0の数を増やすことでより多くの作業が必要となるように調整することができるのです。

なお、乱数を探す作業は非常に膨大な量のコンピュータパワーを消費することになるため、プルーフオブワークによって取引データが正しいことを証明しておくと、その取引データを改ざんしようとした場合に再度プルーフオブワークを行う必要が生じます。 そして、そのブロックの後に次々とブロックが繋がっていくことにより、特定のブロック内の取引データを改ざんしようとすると、その後に連なる全てのブロックを改ざんしなければなりません。

そのため、プルーフオブワークはブロックチェーンを正常に動作させる上で、非常に重要な役割を担っている仕組みなのです。

プルーフオブワークとマイニング

マイニングってよく聞くけど、具体的に何をやっているの?
マイニングとプルーフオブワークの違いって何?
といった疑問を抱えている方も少なくないのではないでしょうか。 そのため、ここでは少しだけプルーフオブワークとマイニングについて触れておこうと思います。

結論からいうと、マイニング=プルーフオブワークです。 先述したプルーフオブワークのワークにあたるノンスを探す作業が、まるで鉱山を採掘して希少な金を探しているかのようなイメージから、マイニングという呼称が付いたといわれています。 そのため、プルーフオブワークを行う人=マイニングを行う人=マイナーと言い換えることができます。

実際、プルーフオブワークという言葉が登場したビットコインの論文内には、マイニングという言葉は登場しません。 マイニングはビットコイン登場後に生まれた言葉なのです。

なお、文脈によってはプルーフオブワークではなく、ブロックを生成すること自体をマイニングと呼んでいる場合もあるようです。 しかし厳密には、ブロックを生成する作業の一つがプルーフオブワークであるため、プルーフオブワークと同義のマイニングに関しても、ブロックを生成すること自体とは少し意味合いが異なってきます。

プルーフオブワークの課題

最後に、現状のプルーフオブワークが抱える課題について紹介しておこうと思います。

プルーフオブワークにおける51%攻撃

本記事の冒頭で、プルーフオブワークを行うことにより報酬として仮想通貨を受け取ることができると説明しましたが、厳密には全てのコンピュータの中で最初にプルーフオブワークに成功した場合のみ、報酬を受け取ることができるようになっています。要するに早い者勝ちということです。

プルーフオブワークには非常に膨大な量のコンピュータパワーが必要になると先述しましたが、プルーフオブワークを行う人たちは、文字通り性能の良いコンピュータをたくさん揃えることに躍起になっています。

マイニングプールの登場

競争が激化する中で誕生したのがマイニングプールと呼ばれる仕組みで、膨大な量のコンピュータパワーを世界中から少しずつかき集めて、一つのコンピュータパワーとしてプルーフオブワークを行うという仕組みです。 このマイニングプールが、プルーフオブワークが抱える51%攻撃という課題の原因となっています。

51%攻撃とは

51%攻撃とは、一つのコンピュータパワーがプルーフオブワークを独占してしまうことにより、取引データの正確性が損なわれてしまう可能性があるという問題です。

プルーフオブワークは元来、運営者が不在の状況で仮想通貨の取引を正常に行うための仕組みです。それが、一つのコンピュータパワーによりその仕組みが動作してしまうと、実質的に取引をコントロールできるようになってしまうのです。

この51%攻撃は、プルーフオブワークを行う全体の51%、すなわち過半数以上を一つのコンピュータパワーが占めてしまうことで可能となります。

攻撃という名称になっているのは、取引データをコントロールできるということは不正に利用することができるよね、という発想から付けられたと考えられます。

これまで、実際にこの51%攻撃が行われたことはありませんが、いくつかの大手マイニングプールによる寡占状態が続いているのが現状です。

ビットコインのマイニングプールのシェア

このグラフは、2018年5月時点のビットコインのマイニングプールのシェアを表しています。

実際に、過半数以上を3つのマイニングプールが占めているため、もし仮にこれらのマイニングプールが結託した場合、不正が実現してしまう可能性があるのです。

プルーフオブワークは環境に悪い

プルーフオブワークは膨大な量のコンピュータパワー=膨大な量の電力を消費しています。

そのため、プルーフオブワークは地球環境に悪影響を及ぼすという点が長年指摘され続けています。 仮想通貨の取引量とマイナーの数が少なかった時には、この環境問題はあまり指摘されていなかったのですが、取引量が増えることによってマイナーも増え、より多くのコンピュータパワーがプルーフオブワークに使用されるようになりました。

実際、英国のPower Compare社による2017年の調査によると、世界159ヶ国がそれぞれ消費している電力よりもビットコインのプルーフオブワークによって消費されている電力の方が多いことが判明しています。

今後もプルーフオブワークは継続して行われるため、この環境問題は非常に重要な課題となっているのです。一方で、プルーフオブワークによって消費される電力こそ、仮想通貨の価値の源泉であるとする意見もあります。

まとめ

・運営主体のいない仮想通貨では、プルーフオブワークなどのコンセンサスアルゴリズムによって動作している
・プルーフオブワークとは、ブロックチェーンの各ブロック内に含まれる乱数(ノンス)を探す作業である
・マイニングとプルーフオブワークは同義である

プルーフオブワークなどのコンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーンの中心的な仕組みであるため、興味のある方はプルーフオブステークなどについてもぜひ調べてみてください。

ブロックチェーン自体、誕生してから10年にも満たない技術であるため、今はまだ発展途中であるといえます。

プルーフオブワークについても、現状の課題を解決するような仕組みが登場したり、または新たなコンセンサスアルゴリズムが登場したりと、非常に変化の激しい分野であるため、今後の展開に要注目です。

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