プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とは？

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とは？

Satoshi Nakamotoは2008年のBitcoinのホワイトペーパーでこれを説明しました。メールのスパム送信を高コストにする古いアイデア、Adam BackのHashcashをもとにしたものです。有効なハッシュが、その作業をした証明になります。作業なしに有効なハッシュを得ることはできず、誰でも作業が行われたことを確認できます。

このページでは各要素を順に説明します。上のボックスで実際に試すこともできます。これは本物のBitcoinヘッダー形式で、ブラウザ上でリアルタイムにハッシュを計算します。マイニングの全体像については、Bitcoinマイニング完全ガイドをご覧ください。

プルーフ・オブ・ワークはどんな問題を解決する？

Bitcoinを管理する会社や銀行、サーバーはありません。何千台ものコンピューターがそれぞれ台帳のコピーを持ち、次にどのブロックを追加するか、支払いがどの順序で行われたかについて合意する必要があります。そうでなければ、同じコインを二重に使えてしまいます。

単純な投票はオンラインでは機能しません。誰でも偽のコンピューターを千台作り、千回投票できるからです。これはシビル攻撃と呼ばれます。プルーフ・オブ・ワークはこの問題を回避します。発言権はハッシュ数で測られ、ハッシュの計算には電気代とハードウェアの費用がかかります。

ビットコインのブロックヘッダーには何が入っている？

マイナーがハッシュするのはブロック全体ではありません。80バイトのヘッダーをハッシュし、そこに残りのすべての情報を反映させます。上のボックスで編集した6つのフィールドは次のとおりです。

ヘッダーには前のブロックのハッシュが含まれています。そのため、古いブロックを変更するとハッシュが変わり、次のヘッダーも、その次のヘッダーも無効になります。このページの作成時に、ヒーローで使っているのと同じコードをサーバー上で使い、2009の実際のジェネシスブロックを検証しました。

BitcoinのSHA-256はどう動く？

SHA-256は、どんな入力も256ビットの数値に変換します。これは64桁の16進数で表されます。Bitcoinはヘッダーにこの処理を2回行います（SHA-256dと呼ばれます）。マイニングで重要な性質はシンプルです。

この最後の性質が、プルーフ・オブ・ワークの核心です。ターゲットに近いハッシュでも、次の試行結果はわかりません。そのため、有効なブロックにたどり着く近道はありません。すべてのマイナーが同じ抽選を行い、1秒あたりのハッシュ数が多いほど、抽選券を多く買えるだけです。

ターゲットって何？ それと、なぜ先頭にゼロが並ぶの？

ターゲットは256ビットの数値です。ハッシュを数値として読んだ値がターゲット以下なら、そのブロックは有効です。小さい数ほど先頭にゼロが多く並ぶため、ターゲットが小さいほど先頭のゼロが増えます。16進数のゼロが1つ増えるごとに、平均で16倍の試行が必要です。

ネットワークは2,016ブロックごと、およそ2週間ごとにターゲットを調整します。そのため、ハッシュレートが増減しても、ブロックは約10分ごとに生成されます。現在、ネットワークは約811 EH/sで稼働しています（最新値、1時間ごとに更新）。調整の仕組みはBitcoinのマイニング難易度ガイドで、単位についてはハッシュレートの解説で説明しています。

ノンスとは？エクストラノンスとは？

nonce（「一度だけ使う数」）は、マイナーが試行ごとに変更する4バイトのフィールドです。変更するためだけに用意された唯一のフィールドです。問題は、4バイトでは約4.3十億通りしかなく、最新のマシンならほぼ瞬時にすべて試せることです。

そのため、マイナーは追加のnonceも変更します。これはcoinbaseにある数バイトの余白です。coinbaseはブロックの最初のトランザクションで、マイナーへの報酬を支払います。coinbaseが変わるとmerkle rootも変わり、新たに何十億ものnonceを試せます。マイニングプールでは、プールが各マイナーに個別の追加nonce範囲を割り当てるため、ほかの人と同じ作業を繰り返さずに済みます。

ブロックを見つけるのは大変なのに、検証は簡単なのはなぜ？

マイナーはターゲットを下回るハッシュが見つかるまで、ハッシュを試し続けます。それ以外の人はヘッダーを1回ハッシュして比較するだけです。この大きなコスト差があるからこそ、何千台もの一般的なコンピューターが、チェーンを作ったマイナーを信頼せずに検証できます。

下で検索のしくみを試してみましょう。このデモはヒーロー画像より簡略化したブロック形式ですが、同じ二重SHA-256の抽選です。見つかった各ブロックは、直前のブロックにつながっています。

最長チェーンルールとは？51%攻撃とは？

2人のマイナーがほぼ同時にブロックを見つけると、ネットワーク上に一時的に2つのバージョンができます。ノードは、累計の作業量が最も多いチェーンに従います。最長チェーンと呼ばれますが、実際には最も重いチェーンです。難易度の高いブロックが数個あれば、難易度の低いブロックがそれ以上にあっても上回ることがあります。

支払いを取り消すには、攻撃者はその支払いより前の時点から、ほかの全員より重いチェーンを作らなければなりません。新しいブロックが1つ追加されるたびに（承認が1つ増えるたびに）、攻撃者はさらに遅れを取ります。ホワイトペーパーではその確率が計算されています。スライダーを動かして確認してみましょう。

50%以上なら、攻撃者はいずれ勝ちます。これが51%攻撃です。深刻ですが、限界もあります。

そのため、取引所は多額の入金に対して、複数の承認を待ちます。一般的な目安は6回です。

プルーフ・オブ・ワークはなぜこれほど多くのエネルギーを使う？

エネルギーがセキュリティそのものだからです。有効なブロックは、実際に電力が使われた証拠です。履歴を書き換えるには、攻撃者は少なくとも同じだけの電力を使い、正直なネットワークが先へ進む間も使い続けなければなりません。

電力をどれだけ使い、どこから電力を得るのかは、議論の余地があります。ケンブリッジのインデックスでは推定値を追跡しており、Bitcoinマイニングのエネルギーガイドでは数値を詳しく見ていきます。半減期のたびに報酬のうち新規発行コインの分が減るため、時間がたつにつれて、セキュリティを支える費用をより多く手数料でまかなう必要があります。

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークの違いは？

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）では、電力を使う人ではなく、コインを預け入れてロックした人の中から次のブロック生成者を選びます。Ethereumは2022にプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークに移行しました。公平に並べて比べてみましょう。

Bitcoinの開発者がプルーフ・オブ・ワークを維持してきたのは、そのコストがシステムの外部にあるためです。つまり、すでに持っているコインで支配権を買うことはできません。プルーフ・オブ・ステークの支持者は、省エネルギーとファイナリティの速さを利点に挙げています。

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よくある質問

出典と追加の参考資料

1. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System（ホワイトペーパー） · サトシ・ナカモト、bitcoin.org
2. ブロックチェーン入門：ブロックヘッダー、プルーフ・オブ・ワーク、コインベース · Bitcoin開発者ドキュメント
3. マイニングガイド：ソロマイニング、プール、getblocktemplate · Bitcoin開発者ドキュメント
4. 難易度 · Bitcoin Wiki
5. 承認 · Bitcoin Wiki
6. ケンブリッジ・ビットコイン電力消費指数 · Cambridge Centre for Alternative Finance
7. マイニングダッシュボード：ハッシュレート、難易度、最近のブロック · mempool.space

このページのリアルタイムの数値は、CloudMineCrypto APIまたは横に記載された公開ブロックチェーンデータサービスから取得し、定期的に更新しています。各数値の出典も表示しています。このガイドは教育目的であり、金融アドバイスではありません。CloudMineCryptoは投資商品ではありません。アプリ内の報酬は推定値であり、保証されません。