イーサリアムPOSネットワークの仕組み解説

はじめに

イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築するための基盤となるブロックチェーンプラットフォームです。当初はプルーフ・オブ・ワーク（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していましたが、2022年の「The Merge」と呼ばれる重要なアップデートにより、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）へと移行しました。本稿では、イーサリアムPoSネットワークの仕組みについて、その詳細を解説します。PoSへの移行は、イーサリアムのスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させることを目的としています。

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）とは

PoSは、ブロックチェーンの新しいブロックを生成し、トランザクションを検証する権利を、ネットワーク参加者が保有する暗号資産の量に基づいて決定するコンセンサスアルゴリズムです。PoWとは異なり、複雑な計算問題を解く必要がなく、電力消費を大幅に削減できます。PoSでは、バリデーターと呼ばれる役割が重要になります。

バリデーターの役割と選出

バリデーターは、イーサリアムPoSネットワークにおいて、ブロックの提案、トランザクションの検証、およびブロックチェーンへの新しいブロックの追加を行う役割を担います。バリデーターになるためには、32 ETHをステーキング（預け入れ）する必要があります。この32 ETHは、ネットワークのセキュリティを担保するための「担保」として機能します。バリデーターは、不正行為を行った場合、ステーキングしたETHの一部または全部を失う可能性があります。バリデーターの選出は、基本的に保有するETHの量が多いほど有利になりますが、完全に比例するわけではありません。ランダム性も考慮され、少額のETHを保有するバリデーターにも選出される機会が与えられます。これにより、ネットワークの分散性を高めることができます。

ステーキングの仕組み

ステーキングとは、ETHをネットワークに預け入れることで、バリデーターとしてネットワークの運営に参加し、報酬を得る仕組みです。ステーキングには、主に以下の3つの方法があります。

• フルバリデーター： 32 ETHをステーキングし、バリデーターとして直接ネットワークに参加する方法です。高い報酬を得られますが、技術的な知識や運用能力が必要です。
• ステーキングプール： 複数の参加者がETHを共同でステーキングし、バリデーターとしてネットワークに参加する方法です。少額のETHでも参加できますが、手数料が発生します。
• Liquid Staking： ETHをステーキングし、その代わりに別のトークン（例：stETH）を受け取る方法です。ステーキング報酬を得ながら、ETHの流動性を維持できます。

イーサリアムPoSネットワークの構成要素

イーサリアムPoSネットワークは、以下の主要な構成要素から成り立っています。

ビーコンチェーン

ビーコンチェーンは、イーサリアムPoSネットワークの中核となる部分です。ビーコンチェーンは、PoSコンセンサスアルゴリズムを管理し、バリデーターの選出、ブロックの提案、およびトランザクションの検証を行います。ビーコンチェーンは、実行レイヤー（以前のイーサリアムメインネット）とは別に動作し、両者は定期的に通信を行います。

実行レイヤー

実行レイヤーは、スマートコントラクトの実行とトランザクションの処理を担当します。実行レイヤーは、ビーコンチェーンから提供されるコンセンサス情報に基づいて動作します。The Merge以降、実行レイヤーはPoSコンセンサスアルゴリズムを採用しています。

コンセンサスレイヤー

コンセンサスレイヤーは、ビーコンチェーンと実行レイヤー間の通信を仲介する役割を担います。コンセンサスレイヤーは、両レイヤー間のデータの整合性を保証し、ネットワーク全体のセキュリティを維持します。

スロットとエポック

イーサリアムPoSネットワークでは、時間管理のために「スロット」と「エポック」という概念が用いられています。スロットは、12秒間隔で発生する時間間隔です。各スロットにおいて、バリデーターがブロックを提案する機会が与えられます。エポックは、32スロット（約6分間）をまとめたものです。各エポックにおいて、バリデーターの報酬が計算され、分配されます。

フォークチョイス

フォークチョイスは、ブロックチェーン上で複数のブロックが同時に生成された場合に、どのブロックを正当なものとして採用するかを決定するメカニズムです。イーサリアムPoSネットワークでは、「最長チェーンルール」が採用されています。つまり、最も多くのバリデーターによって支持されているチェーンが、正当なチェーンとして採用されます。

スラッシング

スラッシングは、バリデーターが不正行為を行った場合に、ステーキングしたETHの一部または全部を失うペナルティです。スラッシングは、ネットワークのセキュリティを維持するための重要なメカニズムです。不正行為には、以下のようなものが含まれます。

• ダブルサイニング： 同じブロックに対して複数の署名を行うこと。
• オフライン： 長期間オフライン状態になること。
• 不正なブロック提案： 無効なブロックを提案すること。

ネットワークのセキュリティ

イーサリアムPoSネットワークのセキュリティは、以下の要素によって支えられています。

経済的インセンティブ

バリデーターは、正しくネットワークを運営することで報酬を得られます。一方、不正行為を行った場合は、ステーキングしたETHを失う可能性があります。この経済的インセンティブが、バリデーターに誠実な行動を促します。

分散性

イーサリアムPoSネットワークは、世界中の多くのバリデーターによって運営されています。これにより、単一の攻撃者がネットワークを制御することが困難になります。

暗号学的セキュリティ

イーサリアムPoSネットワークは、高度な暗号技術を用いて保護されています。これにより、トランザクションの改ざんや不正アクセスを防ぐことができます。

スケーラビリティの向上

PoSへの移行は、イーサリアムのスケーラビリティ向上にも貢献します。PoWと比較して、PoSは電力消費が少なく、トランザクション処理速度を向上させることができます。さらに、イーサリアムは、シャーディングと呼ばれる技術を導入することで、スケーラビリティをさらに向上させることを目指しています。シャーディングは、ブロックチェーンを複数の小さな断片（シャード）に分割し、各シャードで並行してトランザクションを処理する技術です。

持続可能性への貢献

PoSは、PoWと比較して電力消費を大幅に削減できます。これにより、イーサリアムは、より持続可能なブロックチェーンプラットフォームへと進化しました。PoWでは、複雑な計算問題を解くために大量の電力が必要でしたが、PoSでは、電力消費を抑えながらネットワークのセキュリティを維持できます。

今後の展望

イーサリアムPoSネットワークは、今後も継続的に進化していくことが予想されます。シャーディングの導入、レイヤー2ソリューションの開発、および新しいコンセンサスアルゴリズムの研究など、様々な取り組みが進められています。これらの取り組みを通じて、イーサリアムは、よりスケーラブルで、安全で、持続可能なブロックチェーンプラットフォームへと成長していくでしょう。

まとめ

イーサリアムPoSネットワークは、分散型アプリケーションを構築するための強力な基盤を提供します。PoSへの移行は、イーサリアムのスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させ、ブロックチェーン技術の普及を促進する上で重要な役割を果たします。バリデーター、ステーキング、ビーコンチェーン、実行レイヤーなどの構成要素が連携し、安全で効率的なネットワーク運営を実現しています。今後の進化にも期待が高まります。