ポピュラーサイエンス：暗号通貨マイニングとは何ですか?

私は中学 1 年生のときからすでに暗号通貨の世界に魅了されていました。最初、これは単に、仮想通貨マイニング ソフトウェアを実行してラップトップをホット ホイールのように回し続ければ、無料で仮想通貨が得られる無料のお金生成ツールだと思っていました。

結局、私のラップトップは暗号通貨を生成しましたが、その量はごくわずかでした。

私がラップトップでやっていることは、基本的に暗号通貨のマイニングです。

出典: btcwires

鉱業

皆さんは、暗号通貨「ビットコイン」について聞いたことがあるかもしれませんし、このタイプの暗号通貨に関連する「マイニング」という用語についても聞いたことがあるかもしれません。

暗号通貨のマイニングとは、簡単に言えば、マイナーまたは個人が機器を使用してブロックチェーン ネットワークをサポートする「作業」を行い、暗号通貨の報酬を受け取るプロセスです。

Onenote 上の小さな P2P ネットワークのスケッチ

ブロックチェーン: ネットワーク上の人々の行動を記録するネットワーク分散レコードまたは分散型台帳です。したがって、暗号通貨のブロックチェーン ネットワークの場合、ブロックチェーンの機能は、ネットワーク上の個人の取引を記録することになります。

この記事では、ビットコインを例に、マイニングの意味を説明します。

鉱山労働者の「仕事」の話に戻りましょう。マイナーがビットコインで報酬を得るためには、マイナーが行う必要がある単純な「作業」は、ビットコイン ブロックチェーン上のトランザクションを検証することです。

検証の際、マイナーは一連のチェックを実行して、割り当てられたトランザクションが正当であり、トランザクションの参加者が同じ金額の暗号通貨を 2 回支払っていないことを確認します。たとえば、ジョーがブランドンに 12 ビットコインを送信し、ブランドンがトニーに 7 ビットコイン、マックスに 8 ビットコインを送信しようとすると、7+8>12 であるため、これは不正な取引とみなされます。今挙げた状況は「二重支出問題」の例です。ブランドンは同じビットコインを 2 回使おうとしました。

マイナーは、ブロックの最大サイズにほぼ相当する 0～4 メガバイトのビットコイン取引 (およそ 1500～3000 件の取引) を検証しました。彼らはすでに、ビットコイン報酬を獲得するための作業の簡単な半分を完了しています。ただし、検証に先立つタスクは最も複雑であり、マイナーがトランザクションを検証する資格を得ます。

鉱業における運の部分

文字列シーケンスの計算を最初に解決することで、いわゆるプルーフ・オブ・ワークが作成されます。プルーフ・オブ・ワークの作成は、マイナーにとって最も多くの計算能力を必要とするプロセスです。 (なぜ Proof of Work と呼ばれるのかについては、後の章で説明します。)

プルーフ・オブ・ワークのアルゴリズムを理解するには、まずブロックチェーンの「ハッシュ」という用語を理解しておく必要があります。

ネットワークがブロックチェーン内のブロックの改ざんを検出する方法は、ハッシュ値を使用することです。ブロック内の情報によって定義される数字と文字の長い文字列。 Bitcoin で使用される SHA-256 などのハッシュ関数にデータを渡すと、その入力に固有のシーケンスが生成されます。つまり、入力データが 1 文字でも変更されると、出力ハッシュ値が完全に変更されます。また、ハッシュは暗号化はできるが復号化はできない結果であるため、元のデータを取得するために使用することはできず、ハッシュの入力データが同じかどうかを確認する方法としてのみ使用できます。

プルーフ・オブ・ワークを作成するには、マイナーがハッシュ・アルゴリズムを実行して、問題に対する適切な答えを「推測」する必要があります。ビットコイン ブロックチェーン ネットワークの場合、マイナーはまず特定の要件を満たすハッシュ値を作成する必要があります。このハッシュ値は「ターゲット ハッシュ」と呼ばれます。

ターゲットハッシュを推測するために必要な情報は、新しいブロックのヘッダーに存在します。含まれるもの: ブロックのバージョン番号、タイムスタンプ、前のブロックのハッシュ値、ターゲットのハッシュ値。

OneNote での推測プロセスのスケッチ

ターゲットハッシュの答えは、前のブロックのハッシュ値、現在のブロックのトランザクションデータ、および 0 から 4,294,967,296 までの整数 (nonce と呼ばれる) によって生成され、ハッシュアルゴリズムに入力されます。

答えがターゲットハッシュと一致する場合、ブロックがブロックチェーンに追加されます。最初にトランザクションを検証し、ブロックハッシュに追加する nonce を見つけたマイナーには、ビットコインが報酬として与えられます。そうしないと、有効なターゲット値を見つけようとし続けます。

ハッシュ アルゴリズムはランダムであるため、ターゲット ハッシュを満たす値を決定するには、ランダムな推測を何度も行う必要があります。

出典: Investopedia

自分で nonce を見つけるのは非常に困難ですが、同じネットワーク上であなたと競合する 100 万人以上の個人が存在するため、デバイスが Bitcoin 報酬を獲得するチャンスは宝くじに当たるチャンスと同程度になります。したがって、処理能力を高めたり、複数のデバイスを使用したりすることで、より高速なハッシュ レート (単位: KH/s、MH/s、GH/s など) を実現できます。

ハッシュ レートという用語は、デバイスまたはデバイス グループが数値を計算してトランザクションを検証する速度 (計算能力の尺度) として説明できます。

コンセンサスメカニズム

ビットコイン ブロックチェーンのような分散型 P2P ネットワークには中心人物が存在せず、さまざまなコンセンサス メカニズムに基づいてのみ決定を下すことができます。コンセンサス メカニズムはトランザクションを検証するだけでなく、マイニングの基盤も構築します。

出典: Wikipedia

コンセンサスメカニズムにはさまざまな形式がありますが、それらはすべて「記録の信頼性と整合性を検証し、保証する」という同じ目的を果たします（出典：Tech in Asia）。

現在、Proof of Work、Proof of Stake、Proof of Authority という 3 つの主要なメカニズムがあります。この記事では、コンセンサスを得るための Proof of Work アプローチに焦点を当てます。

マイニングについて言えば、これはプルーフ・オブ・ワーク モデルの仕組みを要約したものです。まず個人がプルーフ・オブ・ワークを作成し、次にビットコインの取引を検証して、ブロックチェーン内の記録が本物であることを確認します。ただし、トランザクションを検証する前に、Proof of Work の目的を詳しく見てみましょう。

プルーフ・オブ・ワークの歴史と目的

このプルーフ・オブ・ワークのアイデアは、1993 年に Cynthia Dward と Moni Naor が、スパムを阻止するさまざまな方法を説明した論文 (On Memory-Bound Functions For Fighting Spam) で提案して以来存在しています。この論文は、電子メールを送信するためにコンピューティング能力を使用するというアイデアに焦点を当てていました。

たとえば、電子メールで私にメッセージを送信したい場合、そのメッセージを送信するためだけに 30 秒程度の計算能力を費やしたことを証明する必要があります。

現代のコンピュータは高速であるため、この文脈ではスパム/電子メール/取引が大きな問題になります。ただし、各アクションに「価格」を設定することで、スパムを大幅に削減できます。

OneNote で勤勉なドアキーの例を確認する

つまり、「証明者」は「検証者」に対して、一定の時間間隔で一定量の計算能力を投入したことを証明します。

時が経つにつれ、ビットコインの創始者サトシ・ナカモトは、ビットコインのマイナーにデータフラグメントを生成させるというアイデアを修正しましたが、これはより困難な部分です。ネットワーク上の他のユーザーは、必要なデータを SHA-256 アルゴリズムに渡すだけでよいため、実際にターゲットのハッシュ値を満たしているかどうかを簡単に確認できます。

このプルーフ・オブ・ワークシステムを通じて、ブロックの実際の検証は膨大な計算能力を持つデバイスによって行われるため、ブロックチェーンなどのシステムのセキュリティを確保し、検証コンセンサスを確立することが可能になります。これにより、ネットワークは公正かつ誠実であり続けるための経済的な理由が得られます。

これをどうやって行うのでしょうか?

例えば、不正な取引が発生し、それが承認された場合、ユーザーは他の暗号通貨に切り替えて価格を下げることを「ためらう」ようになります。経済的に言えば、ビットコインを「生産」するマイナーたちは、価格が下がれば不満を抱くだろう。同時に、不正な検証をトリガーするのに十分な計算能力を持つのは、制御マイナーだけです。したがって、マイナーの動機は、通貨の価格が下落しないように取引を保護することに移ります。

プルーフ・オブ・ワークの欠点

プルーフ・オブ・ワークはいくつかの最大の暗号通貨（ビットコイン、イーサリアムなど）で使用されていますが、これが最も効率的で安全なシステムであることを意味するわけではありません。

出典: BBC

消費電力

プルーフ・オブ・ワークのプロセスは、コンピューターが単純に総当たり方式であらゆる可能性から正しい答えを推測するため、非常に手間がかかります。この方法は大量の電気と資源を浪費します。もっと大きなスケールで考えてみると、世界中のマイナー全員がビットコインの報酬を得るために「マイニング」を試みている一方で、最初にナンスを推測しなければリソースを無駄にし、ネットワークに貢献すらしていない状況を想像してみてください。

分散化の概念に違反している

マイニングには大量の電力が必要なため、マイナーは中央マイニングファームを設置し、ブロック検証の大部分を制御します。これは、ネットワークを攻撃することに同意するのは制御マイナーのみであることを意味するため、P2P 分散化の考え方をほぼ無意味にします。

電気代も高額なため、マイナーたちは電気代が安く利益率の高い場所に集まり、マイニング活動を行うことになります。意思決定権を集中化する。

プルーフ・オブ・ワークの代替

前述のように、PoW に代わるコンセンサス メカニズムは他にもあります。たとえば、Proof of Stake、Proof of Authority、Proof of Capacity などです。

Proof of Stake は、バリデーターのウォレット内の通貨の量によってトランザクション バリデーターを決定します。

宝くじを買う人々のグループを想像してみてください。宝くじを一番多く買った人の方が当選する可能性が高くなります。これはプルーフ・オブ・ステークに似ており、ウォレットに最も多くの暗号通貨を持っている場合、バリデーターになって報酬を受け取る可能性が最も高くなります。

Proof of Authority は、トランザクション検証者の個々の「信頼性」によってそれを決定します。

取引の有効性を検証するために、最も信頼性が高く評判の良い数人を選ぶグループを想像してください。

容量証明は、ネットワークのメモリ空間への個々の貢献を通じてバリデーターを識別します。

このメカニズムにより、ネットワーク上の貢献ノードはメモリ空間を共有できるため、貢献デバイスのメモリが大きいほど、バリデーターになって報酬を受け取る可能性が高くなります。

上記の方法によって必要な計算量が大幅に削減され、トランザクション検証でより多くの電力を節約できます。

要約する

• マイニングは、作業証明を検証および生成するプロセスです。

• プルーフ・オブ・ワークを生成すると、マイナーはトランザクションを検証できるようになります。

• プルーフ・オブ・ワークの生成は、数値の推測と強制のプロセスです。

• プルーフ・オブ・ワークは電力を無駄にします。 Proof of Work の他に、Proof of Stake、Proof of Capacity、Proof of Authority などの方法もあります。