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【図解】プルーフオブワークとは?仕組みを分かりやすく解説!

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この記事から分かること
  • プルーフオブワーク(PoW)の仕組み
  • プルーフオブワークとプルーフオブステークの違い
  • プルーフオブワークの問題点
  • プルーフオブワークで仮想通貨を稼ぐ方法
この記事を書いた人
  • 米国公認会計士ワシントン州
  • Core30経理職
  • 2021年上期の仮想通貨バブル期にアルトコイン投資とBCGに夢中になりクリプトの世界へ
  • 現在は強気相場が予想される2024年の半減期に向けてビットコイン&アルトコインを仕込み中
  • 仮想通貨投資は500万円以上、NFTは50点以上保有、BCGは20作以上プレイ。一番やさしい丁寧なクリプト情報を発信しています
  • 詳しい運営者情報はこちら

プルーフオブワーク(Proof of Work)とは、ブロックチェーンの取引の承認ルールの1つで、直訳すると「作業による承認」という意味です。

名前の通り、コンピューターにたくさん作業をさせ、電気コストを費やすことで取引を承認することができ、報酬として仮想通貨を貰える仕組みです。

プルーフオブワークとは?仕組みを分かりやすく解説

ビットコインといったプルーフオブワークを採用している仮想通貨は全てこの承認ルール(コンセンサスアルゴリズム)で取引が承認され、実行されています。

この記事を最後まで読むことで、プルーフオブワークの仕組みと特徴を学び、ブロックチェーンに関する理解を深めることができるようになります。

さとう

本記事後半では、自宅のパソコンでも簡単にプルーフオブワークに参加して報酬を貰う方法も解説しているので、是非最後までご覧ください!

目次

※当メディアでは、金融庁の「暗号資産交換業者登録一覧」で認可を受けており、「関東財務局」に登録されている仮想通貨取引所の利用を推奨しています。また、当メディアの「仮想通貨」は「暗号資産」のことを指します。

暗号資産に関する注意事項は、金融庁消費者庁警察庁による「暗号資産の利用者のみなさまへ」を是非ご覧ください。

プルーフオブワークとは承認ルールの1つ

プルーフオブワーク(Proof of Work)とはブロックチェーンの取引の承認ルールの1つで「作業による承認」という意味です。

ビットコインといったプルーフオブワークを採用している仮想通貨は全てこの承認ルール(コンセンサスアルゴリズム)で取引が承認され、実行されています。(ビットコインの送金等)

承認作業に成功すると仮想通貨を貰うことができ、これを「マイニング」と呼びます。

プルーフオブワークの全体像

細かい仕組みは仮想通貨によって異なりますが、次の3つの共通する仕組みがあります。

共通の仕組み①:計算競争で承認者決定

プルーフオブワーク(Proof of Work)では、計算作業で勝つと承認者に選ばれて報酬を貰えます。

プルーフオブワークは計算作業で承認者を決める
さとう

10分間など一定期間毎に作られれるブロックの承認者は1人だけで、計算作業の競争は激しいです!

ブロックチェーンは管理者がいない分散型で民主的な仕組みなので、この計算作業には誰でも参加できます。

ぱんだ

仮想通貨の取引の承認作業に誰でも参加できるってすごいね!

しかし、個人がコンピューターを用意しても成功する可能性は低く、工場規模の設備を用意しないと成功しない仮想通貨もあります。

電気コストが多く掛かるため、効率性も重視する必要があり、電気代が上がっている昨今は一層厳しくなっています。

本記事後半で、個人規模でもマイニングに参加する裏技を解説しています。

共通の仕組み②:報酬がインセンティブ

プルーフオブワーク(Proof of Work)の承認作業では、計算競争に勝ってブロックの承認に成功すると仮想通貨を報酬として貰えます。

proof-of-work-incentive
さとう

計算作業は電気コストが重たく、報酬がないと誰もやりたがりません。

ぱんだ

報酬を貰えるからブロックチェーンの仕組みは成立しているんだね!

仮想通貨の報酬はセキュリティ面でも役立っています。

過去の取引情報を改ざんするためには、過去の取引から最新のブロックまで全て自分で改ざんして承認作業を行う必要があります。

この改ざんに途中で失敗すると、報酬を貰えません。

多くの電気代を掛けてまず成功することはない不正を行うより、真面目に承認を行って報酬を貰った方が良いという判断に自然となるような仕組みになっています。

共通の仕組み③:チェーンで安全性確保

プルーフオブワーク(Proof of Work)ではブロックがチェーンのように結びつくことでセキュリティ面が強くなり、不正が起きない仕組みになっています。

Proof of Workでは計算作業の競争に買って承認を行うと、下の画像のようにこれまでの取引情報を反映してブロックを作ることになるため、ブロックがチェーンのように繋がっています。

proof-of-work-block-chain

過去の取引情報を改ざんしようとすると、それより後ろのブロックとの整合性が取れなくなります。

さとう

つまり、過去の取引を改ざんするためには、それ以降全てのブロックを改ざんする必要があるという訳です。

プルーフオブワークで不正が難しい理由

しかし、最新のブロックは常に取引が承認されてどんどん伸びていきます。

過去のブロックから最新のブロックまで全てを個人で改ざんすることは非現実的です。

このように、プルーフオブワーク(Proof of Work)では計算作業の難しさとチェーン仕組みでセキュリティ面で強固になっています。

ぱんだ

プルーフオブワークとブロックチェーンのイメージが湧いてきた!

BTCのプルーフオブワークの仕組みとは

ここからは。イラストを使って仮想通貨ビットコインで採用されているプルーフオブワーク(Proof of Work)を例に挙げて、仕組みについてさらに分かりやすく解説していきます。

内容はビットコインの公式文献を参考に作成しています。

https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

仕組み①:取引はブロック単位で承認

ビットコインのプルーフオブワーク(Proof of Work)では、取引は10分毎に作られるブロックでまとめて承認されます。

プルーフオブワークの仕組み
ぱんだ

だから「ブロック」チェーンと呼ばれてるんだね!

さとう

10分毎の承認なので、ビットコインを送金してから着金するまでに掛かる時間は理論的には10分ということになります。

もうちょっとだけ深堀り!①

ブロックを承認するために掛かる計算作業の難易度は10分になるように調整される仕組みになっています。

承認に掛かる時間は次の2つの要素で変わってきます。

  • コンピューターの進化
  • 承認者(バリデーター)の参加状況

計算に必要な機材の能力は年々高くなっており、年々早く承認作業ができるようになります。

また、承認者が多ければそれだけ早く計算が終わる確率も高まります。

早いとそれだけビットコインが報酬としてどんどん新規発行され、希少性が下がってしまうため、計算の難易度を上げる仕組みがあります。(難易度調整)

  • 2016ブロック毎に実施(約2週間)
  • 2週間で承認されたブロック数の移動平均で難易度を算出
  • 1ブロック/10分の難易度になるように調整
マイニング難易度

現在の難易度の確認はこちら:https://btc.com/stats/diff

この内容の参考サイト:https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

仕組み②:ブロックは全部繋がってる

ビットコインのプルーフオブワーク(Proof of Work)では、ブロックは全て鎖(チェーン)のように繋がっています。

プルーフオブワークの仕組み

繋がっている理由は、最新のブロックに過去の取引情報が入っているからです。

さとう

新しい取引の情報が付け加えられながら、チェーンが伸びていくイメージですね!

この仕組みが高いセキュリティになっている理由の1つです。

過去のある1つの取引だけを改ざんすることは非常に難しくなっています。

削除したブロック以降のブロックも全て書き換えないと、ブロックチェーン全体の整合性が取れなくなるからです。

全て書き換えるには、コンピューターで多額の電気代を費やして難しい計算処理を何度も行う必要があります。

成功するか分からない不正な取引の削除を行うくらいなら、真面目に承認作業に協力してビットコインを報酬として貰った方が良いという判断に自然になるような仕組みになっています。

ぱんだ

ブロック「チェーン」と呼ばれる理由がよく分かるね!

仕組み③:チェーンはさかのぼれない

ビットコインのプルーフオブワーク(Proof of Work)では、遡って(さかのぼって)取引の内容を修正したり、削除したりする仕組みがありません。

プルーフオブワークの仕組み
さとう

承認済みの取引をキャンセルしたり、修正したりすることは絶対にできない仕組みになっています!

ビットコインのプルーフオブワークを考案した匿名の人物サトシナカモト氏の論文の言葉を使うとブロックチェーンは「不可逆的」となっています。

これによりブロックチェーンは匿名で低コストで利用できるようになっています。

銀行の場合は過去に行われた取引も管理する必要があります。振り込み済みでも、ご送金や何か別の問題があったら差し戻す対応を取る必要があるからです。

ぱんだ

確かに銀行は修正対応とか忙しそうだよね!

こういった可逆的なサービスを行うには個人情報の管理等のコストがたくさん掛かります。

ブロックチェーンは遡ることができない仕組みのため、匿名かつ低コストで利用できる訳です。

仕組み④:チェーンは分岐できない

ビットコインのプルーフオブワークでは、ブロックは一本のチェーンのように繋がっており、分岐してはいけません。

プルーフオブワークの仕組み
ぱんだ

確かに、取引の内容や結果に複数のパターンがあったらおかしいよね!

しかし、仕組み上ごく稀に2人のマイナーが完全に同時にマイニングに成功し、自然と分岐してしまうことがあります。(ブロックチェーン上の分岐はフォークと呼びます)

分岐した場合は、最も長いチェーンが採用されます。

ちなみに、分岐してもブロックの中身の取引は基本的同じなので、分岐したブロックは削除されるだけです。

仮に違う取引が入っていた場合は再度承認にかけられ、メインのチェーンの1本に問題なく統合されます。

もうちょっとだけ深堀り!②

ブロックチェーンの分岐を利用した不正事例について紹介します。

フォークを使った不正は2018年5月17日発生したモナコインでの不正が有名です。

▶当時のニュース記事はこちら(Coinpost)

意図的に分岐させ、メインのチェーンの長さを超えるとメインのチェーンの取引を削除できます。

不正を行った人物はこれを利用し、仮想通貨を日本円に換金した後に仮想通貨の残高を復活させました。

さとう

こちらの記事で不正内容の詳細について図を使って解説しています!

仕組み⑤:承認はハッシュ化の繰り返し

ビットコインのプルーフオブワーク(Proof of Work)で行われている承認作業では「ハッシュ化」と呼ばれる計算作業繰り返し行っています。

ハッシュ化ではブロックの情報を特定の条件を満たす値になるまで少しずつ変えながら変換していきます。

さとう

まずは、ハッシュ化を理解するために必要な「ブロックの中身」についてご紹介します!

ブロック1つ1つは「取引内容」と「ブロックヘッダ情報」の2つで構成されます。

プルーフオブワークのブロックの中身
Proof of Workのブロック1つ1つの中身

「取引内容」については10分間で発生するビットコインの送金内容です。

「ブロックヘッダ情報」は大きく分けて次の4つで構成されます。

  • 前のブロックハッシュ:これまでのブロック全ての情報の要約
  • ルートハッシュ:このブロックの取引内容全ての要約
  • ナンス:マイニングで使用する値(詳細は後述)
  • その他色々:ブロックの生成時刻など

ハッシュ化という計算はこのブロックヘッダ情報に対して行います。

プルーフオブワークのハッシュ
ハッシュ化とは

「ハッシュ」は「ハッシュドポテト」のハッシュです。

「細切れにする・ごちゃ混ぜにする」といった意味があります。

ハッシュ化を行うと、文字列を特定の桁数の文字列に変換することができます。

  • 例①:satou⇒999413ee3e892395b9fa006d9262e37f653c95193a53e1ba7b7dbbeac7477042
  • 例②:satou2⇒e3368ad8da26fa8afb8e32b1b57d699b87a35c2d2bef4d20bc1dc87facbcc219

このように、「satou」に「2」を付け加えただけでまったく別の文字列に変換されます。

そして、ハッシュ化された後の文字列を元に戻せないという特徴があります。

さとう

次のように考えるとイメージしやすいです。

例えば、y=x^2の2次関数で、x=2と入れるとy=4となり、値は1つに定まります。

一方、y=4の時、xは「+2」と「-2」の両方が解となってしまいます。

このように、ハッシュ化された文字列から元の文字列を推定することはできますが、答えを決めきれません。

ハッシュ化では、ブロックヘッダ情報が以下のようにゼロが連続する値になるまで、ナンスを変えながらブロックヘッダ情報のハッシュ化を繰り替えします。

例:00000000000000000000006d9262e37f653c95193a53e1ba7b7dbbeac7477042

そして、ゼロが連続する文字列を見つけることに最初に成功したコンピューターがビットコインを報酬として貰える競争のような仕組みになっています。

ちなみに、この必要なゼロが連続する数を調整することで、承認作業の難易度は調整される仕組みです。

さとう

上の「satou」の文字列のハッシュ化を見ると、ゼロが連続することがどれだけ珍しいか分かりますね。ハッシュはコンピューターにとって重労働でたくさんの電気を消費します。

これだけ大変な承認作業が必要になっていることが高いセキュリティの理由です。

多額の電気代を費やしてまで成功するか分からない不正を行う気にならず、真面目にマイニングを行ってビットコインを報酬として貰った方がずっと儲かるからです。

ぱんだ

確かにこれだけ難しい計算してまで失敗するリスクは負いたくないよね・・・!

仕組み⑥:半減期による報酬量の減少

このビットコインの新規発行量は4年に1回半分になるタイミングがあり、この時期のこと「半減期」と呼びます。

ビットコインはブロックチェーンに参加している他のユーザーが取引の承認を行い、その際承認に成功すると報酬としてビットコインを受け取ることができますが、これがビットコインの唯一の新規発行です。

ビットコインとプルーフオブワーク
さとう

半減期はビットコインの希少性を高めるために行われており、半減期後はビットコインの価格が大きく上昇すると言われています。

半減期累積ブロック数報酬/ブロック
2012年11月28日210,00025BTC
2016年7月9日420,00012.5BTC
2020年5月11日630,0006.25BTC
2024年3月~5月840,0003.125BTC
2023年3月13日時点

210,000ブロック毎に半減期が訪れますが、ブロックの承認の早さは”約”10分に1個なので、正確には決まりません。

2024年の半減期は2024年3月~2024年5月になる見込みです。

2023年3月時点では1ブロックの報酬は6.25BTCです。

ビットコインの発行上限は2100万枚と決まっており2022年末時点で既に92%のビットコインが発行済みとなっています。

ビットコインの新規発行量は4年毎に減っていくため、発行上限である2100万枚に到達するのは2140年頃になる見込みです。

ぱんだ

新規でビットコインが発行されなくなると、取引の承認を行ってくれる人がいなくなるんじゃないの?2140年にビットコインの価値はなくなっちゃうのかな・・・

取引承認者の報酬となるビットコインは、ビットコインの取引を行う側からも手数料として少しだけ支払われることになるため、承認の体制に問題はありません。

プルーフオブステークとの違いとは

次にプルーフオブワーク(Proof of Work)とプルーフオブステーク(Proof of Stake)の違いを解説します。

Proof of Stakeは主にイーサリアムで採用されているコンセンサスアルゴリズムです。(2022年9月15日のアップデート後)

違い①:PoWは重労働・PoSは軽作業

プルーフオブステークは主にイーサリアムで採用されているコンセンサスアルゴリズムで、保有による承認という意味です。

what-is-proof-of-stake-1

プルーフオブステークでは、仮想通貨を保有することで承認者(バリデーター)になることができ、沢山保有すればするほど承認者になって報酬を貰える確率が高まることもあります。

さとう

仮想通貨を保有して預け入れることをステーキングと言います!

承認作業はブロックに対してコンピューター上で投票を行うだけです。

プルーフオブワークのようにハッシュ化と呼ばれる電気コストが高い負荷の掛かる作業を行う必要がありません。

プルーフオブワークは環境面で問題視されていたため、プルーフオブステークは環境面で優れている仕組みです。

ぱんだ

仮想通貨を持ってるだけで簡単に承認ができるのはいいね!

違い②:PoWは電気/PoSは資産を賭ける

プルーフオブワークでは電気コスト、プルーフオブステークではステーキングしている仮想通貨を賭けて承認の作業を行っています。

プルーフオブステークでは承認作業をルールに沿って行わなかった場合、ステーキングしていた仮想通貨が減ってしまうSlashing(スラッシング)と呼ばれるペナルティを受けます。

PoWとPoSで誠実に承認業務を行うインセンティブ
  • プルーフオブワーク:まず成功しない不正に電気コストを掛けられない
  • プルーフオブステーク:Slashingのペナルティを受けたくない

このように、プルーフオブワークとプルーフオブステークはそれぞれ電気コスト、仮想通貨を賭けて承認の作業をするので、自然と誠実にこなすような仕組みになっています。

違い③:PoWは処理能力が低い傾向

プルーフオブワーク(Proof of Work)の方がブロックの承認に時間が掛かり、処理能力が低い傾向があります。

プルーフオブワークでは承認作業でハッシュ化と呼ばれる計算作業を何度も繰り返す必要があります。

一方、プルーフオブステーク(Proof of Stake)ではブロックに対してコンピューター上で投票を行うだけで、電気コストを大量に費やす必要はありません。

ビットコインのPoWマイニングのやり方

次に、ビットコインでマイニング(承認作業)を行い、報酬を稼ぐやり方を紹介します。

ぱんだ

個人の設備だと難しいじゃなかったっけ?

プルーフオブワーク(PoW)を採用しているビットコインは、プールマイニングという手法を使い、複数人で協力してマイニングを行うことで承認作業に参加できます。

基本的にはマイニング専用の工場のような設備を設けないと、競争作業に勝つことは基本的にできません。

https://gigazine.net/news/20170824-largest-bitcoinmine/
さとう

しかし、マイニングは複数人で協力して行い、成功した人の報酬が山分けされるような仕組みがあります!

複数のバリデーターが協力してマイニングを行うことを「プールマイニング」といい、工場のような設備を設けて単独の個人・組織でマイニングを行うことは「ソロマイニング」と呼ばれます。

プールマイニングは自宅用のパソコンでも簡単に参加できます。

プールマイニングの管理業者からソフトをインストールし、パソコンにマイニング作業を行わせるだけです。

しかし、電気代が高騰しているとマイニングの報酬があっても赤字になるケースも多く、結局高性能なゲーミングPCやマイニングに特化した機材をある程度揃える必要があるので注意しましょう。

有名なプールマイニングの業者はNicehashです。

こちらのサイトからNicehashの収益計算機を利用し、自分のPCのスペックを入力すると電気代を差し引いた利益がいくらになるか自動でシミュレーションしてくれるので便利です。

高性能なゲーミングPCを持っている方は是非確認してみて下さい。

マイニングではPCのグラフィックボードの性能が重要です。

さとう

パソコンを起動して放っておくだけで仮想通貨を稼げます!

2023年3月時点では、電気代価格が高騰しており、私の以下のゲーミングPCでは常に収支が赤字になってしまっています。

  • PCの種類:XA7C-R37
  • グラフィックボード:NVIDIA GeForce RTX 3070

大抵のゲームは動くPCですが、それでも厳しいです。

より高性能なPCを用意するか、将来の仮想通貨の値上がり込みで収支を考えてマイニングを行う必要があります。

さとう

Proof of Stakeのマイニングは少額の仮想通貨を保有するだけで誰でも簡単に承認作業に協力して報酬を貰うことができるのでオススメです!

まとめ:プルーフオブワークが全ての基礎

プルーフオブワーク(Proof of Work)とはブロックチェーンの取引の承認ルールの1つで「作業による承認」という意味です。

プルーフオブワークとは?

ビットコインといったプルーフオブワークを採用している仮想通貨は全てこの承認ルール(コンセンサスアルゴリズム)で取引が承認され、実行されています。(ビットコインの送金等)

細かい仕組みは仮想通貨によって異なりますが、次の3つの共通する仕組みがあります。

プルーフオブワークを採用している仮想通貨の代表ビットコインでは、次の6つの仕組みがあります。

プルーフオブワークは2008年に匿名の人物サトシナカモト氏に考案された最初のコンセンサスアルゴリズムで以下のような問題もありますが、全ての承認ルールの元になっている大切な仕組みです。

プルーフオブワークのマイニング作業は設備を揃えるのが難しく、電気コストも厳しいのでプルーフオブステークのマイニングがオススメです。

Proof of Authorityを詳しく知りたい方向け!

>>Proof of Authorityの仕組みを徹底解説!

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【金融庁】仮想通貨に関する注意喚起

さとう

仮想通貨に関する法令・注意喚起について知りたい方は、以下の関連ページを一読することをオススメします。

消費者庁の「投資などのお金に関するトラブルや悪質商法について」のYoutube視聴もおすすめです。

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