WEB3.0のコンセンサスアルゴリズムの基本を徹底解説します！

コンセンサスアルゴリズムとは、分散型ネットワークにおいて、すべての参加者（ノード）が一致した合意を得るための仕組みを指します。

特に、ブロックチェーン技術において、このアルゴリズムは不可欠な要素となっています。

分散型システムでは、中央集権的な管理者がいないため、全員が同じ情報を共有し、正しい状態を維持するためには、参加者全員の合意が必要です。

ここでは、コンセンサスアルゴリズムの基本的な考え方から、代表的なアルゴリズムの仕組みまで詳しく解説します。

分散型ネットワークとは？

分散型ネットワークとは、複数のノード（コンピュータ）が連携してデータを管理し、運営を行う仕組みです。

中央集権的な管理者がいないため、情報は各ノードに分散して保存されます。

この仕組みには、データの透明性、改ざんの防止、障害耐性といった利点があります。

しかし、中央集権的なシステムにおける信頼の担保がないため、各ノードが一致した情報を共有し、協力して正しいデータを保持するためには、合意を形成するプロセスが不可欠となります。

この合意形成のメカニズムこそが、コンセンサスアルゴリズムです。

コンセンサスアルゴリズムの目的は、主に以下の3つの要素を実現することです。

データの一貫性を保つ
分散型ネットワークでは、各ノードが独立して運営されていますが、すべてのノードが同じ取引履歴を保持し、同じ状態であることが求められます。このため、コンセンサスアルゴリズムは、取引が正確に記録されることを保証します。
不正を防ぐ
悪意のあるノードが不正なデータを送信したり、取引履歴を改ざんしたりすることを防ぎます。アルゴリズムは、ネットワーク全体での合意形成を通じて、データの整合性とセキュリティを確保します。
耐障害性を高める
分散型ネットワークでは、ノードの一部が故障したり、通信が途絶えたりすることがありますが、それによりネットワーク全体が停止することは避ける必要があります。コンセンサスアルゴリズムは、一定数のノードが故障してもシステムが機能し続けるように設計されています。

コンセンサスアルゴリズムには、さまざまな種類があります。

それぞれが異なるアプローチで合意を形成し、ネットワークの目的に応じた特徴を持っています。

以下に代表的なアルゴリズムをいくつか紹介します。

**プルーフ・オブ・ワーク（PoW）**は、最も広く知られているコンセンサスアルゴリズムであり、ビットコインをはじめとする多くの暗号通貨で採用されています。

このアルゴリズムでは、ネットワークに新しいブロックを追加するために、計算問題を解決する必要があります。

この計算には膨大なコンピュータリソースが必要であり、「マイニング」と呼ばれるプロセスで新しいブロックが作成されます。

仕組み：PoWでは、マイナー（参加者）が難解な計算問題を解くことで、新しいブロックを作成します。この計算は非常に多くの計算資源を消費し、最初に問題を解決したノードがそのブロックをネットワークに追加します。その後、他のノードはそのブロックを確認し、合意を得ます。
メリット：PoWはセキュリティが高いとされ、ネットワークを攻撃するには膨大な計算能力を持つノードが必要となります。これにより、システムの安全性が高まります。
デメリット：計算に多くのエネルギーを使用するため、環境への負担が大きいことが問題視されています。また、計算リソースを持つ者が有利になるため、中央集権化のリスクもあります。

**プルーフ・オブ・ステーク（PoS）**は、PoWの問題点を解決するために考案されたコンセンサスアルゴリズムです。

PoSでは、計算リソースではなく、ノードが保有するトークン（またはコイン）の量に基づいて、ブロック作成の権利が決まります。

仕組み：PoSでは、ノードが保有するコインの量が多いほど、新しいブロックを作成する確率が高くなります。これにより、計算問題を解くためのリソースを必要とせず、エネルギー効率が良くなります。
メリット：PoSは計算リソースをほとんど使用せず、エネルギー消費が少ないため、環境負荷が低減します。また、取引速度が速くなる傾向があり、スケーラビリティに優れています。
デメリット：大量のコインを保有しているノードが新しいブロックを作成しやすくなるため、中央集権化が進む可能性があります。少数の富裕な参加者がネットワークを支配することを防ぐために、いくつかの対策が取られています。

**プラクティカル・ビザンチン・フォールト・トレランス（PBFT）**は、ビザンチン障害に耐えることを目的としたコンセンサスアルゴリズムです。

ビザンチン障害とは、ノードの一部が不正な情報を提供したり、誤った情報を伝えることによってシステム全体が誤った状態になる問題です。

仕組み：PBFTでは、各ノードが他のノードと情報を交換し、取引に関する合意を形成します。合意に必要なノードの数（過半数以上）に達すれば、取引が承認されます。このプロセスにより、悪意のあるノードがネットワークを攻撃することを防ぎます。
メリット：PBFTはセキュリティが非常に高く、悪意のあるノードがネットワークを支配することを防ぎます。
デメリット：ネットワークの規模が大きくなると、ノード間での情報のやり取りが増加し、スケーラビリティに問題が生じることがあります。