【入門】コンセンサスアルゴリズムとは何か？主要５種類を比較・解説
「コンセンサスアルゴリズムってそもそも何？」
「コンセンサスアルゴリズムの種類とそれぞれの仕組みについて知りたい」
この記事では、仮想通貨投資を始める前に知っておきたい基礎知識「コンセンサスアルゴリズム」について比較・解説します。
全文を読めば利便性やリスクを正しく認識できるようになります。
※手早く知りたい方は＜目次＞から【一覧表】へ飛んでください
コンセンサスアルゴリズムとは「合意形成の仕組み」
ビットコインを始めとする多くの仮想通貨は、ブロックチェーン技術を活用した分散型・非中央集権型のP2Pネットワークにより取引を行います。
分散・非中央集権の仮想通貨では、特定の管理者でなくネットワーク参加者同士で取引が正しいか否かを検証し合意を行う仕組みが必要です。
この「合意形成の仕組み」をコンセンサスアルゴリズムと言います。
分散型ネットワークにおけるブロックチェーンの合意形成は、コンセンサスアルゴリズムのルールの下、参加者同士で不正な取引を監視・排除しながら新規の取引の正当性について合意し合い、新たなブロックに記録していきます。
ブロックを生成した人が報酬を得られる仕組みであり、その「ブロック生成を行う権利を誰が得るのか？」を決める仕組みがコンセンサスアルゴリズムに記されています。
コンセンサスアルゴリズムにはブロック生成者が万が一にも不正を起こさない様に、以下にある例のようなゲーム理論を考慮した仕組みが必要です。
例：「ピザンチン将軍問題（誠実に行動することは不誠実に行動するよりも多くの利益を得られる）」をいかに解決するか？
PoW（Proof of Work）：BTC・ETH(1.0）・LTC
世界初の仮想通貨であるBitcoinに使われているコンセンサスアルゴリズムであり、多くのあるとコインでも用いられています。
PoWは、「参加同士で計算速度を競争し、最速の人がブロック生成の権利を得る」仕組みです。
（「マイニング（採掘）」は一般的にはPoWのことを指します。）
メリット
・正当にマイニングを行って報酬を得た方が、不正を働くよりも効率が良い（攻撃リスクが低い）
・長年使用されてきたプロトコルで安定している
デメリット
・膨大な計算を行うため電力消費量が大きい
・高いマシンパワー、安い費用で行える人が優位に立ちやすい（集中化）
・スケーラビリティー問題（処理が詰まって遅延が起きる）
・51％攻撃（全ての計算力の51％以上の計算力を持つことでネットワークを乗っ取れる）
PoS（Proof of Stake）：ETH(2.0）・LSK・Nxt
PoWの膨大な電力消費の問題を解決するために新たに作られたコンセンサスアルゴリズムです。
PoWとは異なり、計算能力を使った競争ではなく、暗号資産の保有量・保有期間に応じて承認率を決定します。
一度フォージングに成功したら、次は承認率が下がる等の調整がなされます。
PoSは「通貨の保有量・保有期間が多いほど、ブロックを生成できる確率が高まる」仕組みです。
（PoSではブロック生成作業を「フォージング（採餌）」と呼びます。）
メリット
・膨大な電力を必要としない
・承認スピードが速い（スケーラビリティを高められる）
・より多くのトークンを保有する必要があり、不正をすればトークンの一部or全部を失う（攻撃リスクが低い）
・51％攻撃に強い
デメリット
・保有量確保の為、必然的に通貨の流通量が減り、通貨の流動性が落ちやすい
・資産を多く持つものがブロック生成・報酬を得る仕組みである為、集中化しやすい。
DPoS（Delegated Proof of Stake）：EOS・LiSK・Ark
2014年にダニエル・ラリマーによって開発されました。
DPoSはPoSの進化型であり、間接民主制のイメージです。
PoSのように単純に通過保有量の多い人が優先されるのではなく、通過保有量に応じた投票権を割り当て、その投票によりブロック生成者を決定し、
そしてブロック生成で得られた報酬を投票者に還元する仕組みです。
メリット
・高速トランザクション処理（ブロック生成時間は0.5秒）
・消費電力の抑制
・フォークするリスクの軽減
デメリット
・大量のトークン保有者のみが検証人を投票
・仕組み上、中央集権化しやすい
PoI（Proof of Importance）：NEM
「通貨の流動性の低下」を起こしてしまうPoSを改善するために作られたのがPoIです。
通貨の保有量、期間、取引回数、取引量などのいくつかの指標を設けて「その通貨に対する保有者の重要度」を基にブロック生成者を決定する仕組みです。
（PoIではブロック生成作業を「ハーベスト（収穫）」と呼びます）
メリット
・トークン保有者の評価方法がPoSより、流動性への影響が少ない
デメリット
・ブロック生成者に選ばれる参入障壁が高い
・結局資産が多い人が有利になる。集中化しやすい。
PoC（Proof of Consensus）：XRP
PoCは先までの４種とは異なり、完全に中央集権的なコンセンサスアルゴリズムです。
「バリデーター」と呼ばれるブロック生成者が既に存在しており、そのバリデーターの80％以上がトランザクションを承認すれば取引ができる仕組みです。
メリット
・悪意ある攻撃者を防ぐことができる
・PoWより処理スピードが速い
デメリット
・中央集権的である
・管理者の不正を見抜くことができないため、不透明である
【一覧表】コンセンサスアルゴリズム５種類を比較
＜まとめ＞コンセンサスアルゴリズムは思想・特徴であり、優劣はない
コンセンサスアルゴリズムを見ることは「開発者が何を大切にしているか？」「どんなコミュニティーにしたいか？」等の思想・特徴を知ることになります。
「誰に管理を頼むのか？」という問いに対し、
・通貨の発展に保有することで貢献してくれる人
・流通に貢献してくれることで貢献してくれる人
・事前にリスクをとって協力してくれる人
「誰に？」の答えが承認者決定の方式に現れます。
コンセンサスアルゴリズムは開発メンバーの思想によってできるものであり、そこには価値観の違いはあれど優劣はありません。
「ではなぜ仮想通貨同士の比較で見るのか？」
その答えは、
「適切にリスクと向き合うため」です。
コンセンサスアルゴリズムはそれぞれ異なる特徴を持っているということは、リスクの形も異なるということです。
「この仮想通貨はどこがリスクなのか？」を正しく理解し投資出来る様にコンセンサスアルゴリズムは必ず確認しましょう。
【追記】コンセンサスアルゴリズムが同じでも「TPS（１秒当たりの計算速度）」は違う
コンセンサスアルゴリズムの解説をしている際に計算速度について軽く書きましたが、PoWとPoSでは仕様上計算量が異なるために計算速度も異なります。
しかし、「同じPoSならTPSが同じなのか？」と言われれば、それは違います。
「ではどうすればTPSが分かるのか？」という方に向けて計算式をお伝えします。
※かなりマニアックな内容なので覚えなくても大丈夫です。
＜ TPSを求める計算式 ＞
TPS（１秒当たりのトランザクション処理数）は３つの数字が分かっていれば求められます。
１．最大ブロックサイズ（１つのブロックに入れられるデータ量）
２．トランザクションの平均サイズ（１取引あたりのデータサイズ）
３．ブロック承認時間
計算式の３要素の内、ブロック承認時間はコンセンサスアルゴリズムによって大体決まります。
「ETH（1.0）がPoWだったのにETH（2.0）でPoSに変更するのも何か関係があるの？」
と知識欲の強い方は私のtwitterにDMを頂ければ解説します。 笑笑