EthereumのPoS「Casper」の概要をまとめてみる

EthereumはSerenityにおいてPoW(プルーフオブワーク)からCasperと呼ばれるPoS(プルーフオブステイク)への移行を計画しています。現在Serenityの一つ前であるMetropolisの前半が完了したところで、Metropolisの後半を経てSerenityがリリースされる予定です(Serenityを待たず次のハードフォークでCasperを実装するという噂もあります)。

Casper自体は特に最近考案されたアイディアというわけではなく、2014年からVitalikやVladのブログ記事で触れられています。PoSを採用するコインはPeercoinなどがありますが、Ethereumのような大きなプロジェクトがPoWからPoSに移行した例はなく(PIVXは比較的時価総額の大きなDASHからのフォークでコンセンサスアルゴリズムをPoSへ移行しましたが)、セキュリティ、スケーラビリティ、ETHの価格推移などの側面が注目されています。この記事ではCasperの細部には触れずに、簡単に概要をつかめるような形で、要点をまとめてみたいと思います。懲罰的PoSアルゴリズム「Slasher」やPoS導入の背景、Casperの二つのモデルなどの詳細についてはまた機会があれば紹介します。

PoWからPoSへの移行

現在Ethereumはビットコインと同じくPoWで稼働中です(アルゴリズムは異なります)。PoWはASICやGPUなどの計算力に応じて、マイニング報酬を獲得できる確率が決定されますが、PoSはステイク(賭け or デポジット)に応じて確率が決定されます。PoWではマイナー(Miner)が、PoSではバリデーター(Validator)が新しいブロックを生成する役割を果たします。

PoWではネットワークに対して非協力的マイナーが何らかの形で罰せられることはありませんが、無効なチェーンでマイニングを続けると電気代が無駄になってしまいます。一方PoSでは保有しているETHをステイクするだけでブロック生成の権利抽選に参加できるので、コスト無しでネットワークを攻撃することが可能です。そのためCasperでは、ネットワークに対する攻撃と解釈される行動を取ったバリデーターのETH(ステイク)を没収する仕組みが存在します(※後述)。

PoSの利点には「セキュリティ」「マイナー(バリデーター)中央集権化の緩和」「エネルギー効率」が挙げられています。それぞれについて簡単に説明していきます。

Casperのセキュリティ

PoWとPoSではセキュリティ保障の方法が異なります。上述の通りPoWでは、マイナーはASICやGPUの費用と電気代を上限とするコストでネットワークへの攻撃が可能です。Casperでは、バリデーターにはネットワークへの攻撃によって、ステイクを全て失うというリスクがあります。負のインセンティブを導入することにより攻撃コストを上げ、セキュリティを保障するのが狙いです。この仕組みは冒頭でも書きましたが、懲罰的PoSアルゴリズム「Slasher」と呼ばれます。

PoSにはバリデーターを買収することにより攻撃が可能であるという弱点がありますが、2014年夏頃には、囚人のジレンマモデルに”賄賂”を導入し、ナッシュ均衡を移動させることにより、攻撃のコストを高めるというアイディアが考案されました。Vlad曰く「最初の有用な経済的セキュリティのモデルだった」ようです(※これがCasperに実装されているかは未確認です。実際Vladは個人に焦点をあてたモデルから、寡占状態での協力ゲームに関心を移しています)。

The History of Casper – Chapter 2 – Ethereum Blog

Victim Gameではナッシュ均衡が(1, 1)だったものが、Bribe Attacker’s Gameの導入により、二つのゲームを統合した際のナッシュ均衡が(6, 6)に移動していることが確認できます。

またPoWではマイナーがカルテルを組み継続的に51%アタックを仕掛ける際の限界費用は電気代のみですが、Casperでは攻撃者のステイクを取り上げることが可能なので、PoSにおいてバリデーターが継続的に51%アタックを行う場合の限界費用はステイクの全量となり、ここでも攻撃のコストが高くなるように設計されています。

マイナー(バリデーター)中央集権化の緩和

これは特にビットコインに当てはまることですが、ビットコインのPoWでは規模の経済が成り立つため、大規模マイナーが小規模マイナーに対して有利な環境でマイニングが可能です。

つまりビットコインのマイニングの世界においては「1時間あたり100万円の経費を払うことのできるマイナー1人のハッシュパワーの方が、1時間あたり100円の経費を払うことのできるマイナー1万人のハッシュパワー合計よりも大きい」ということです。ビットコインマイニングはもはや工場レベルのマイニングファームが必要で、個人レベルでは採算が取れません。

一方でPoSでは100円は100円分の価値しか持ち得ず、規模の経済が成り立ちません。それ故にマイナー(バリデーター)の中央集権化が緩和されるというわけです。ただしその一方で、PoSではステイクが多ければ多いほどリワードを得るチャンスが高いので、多くのETHを既に所有している人間にリワードが集中してしまうという富の偏在化や、ステイクを一定以上に保つインセンティブによるETHの流通速度の低下などの弊害が考えられます。このあたりは一長一短で、無条件にどちら良いというものではなく、各プロジェクトが必要とする機能を獲得するために相応しい方が選ばれていき、成功例と失敗例が築き上げられていくと思います。

エネルギー効率

これは言わずもがなですね。Bitcoin Energy Consumption Index – Digiconomist

PoS支持者はPoWのエネルギー効率の低さをしばしば批判しますが、PoWの電気代が全て無駄だと言っているわけではないでしょう。EtheruemはPoWから出発して(必要に応じてPoW/PoSのハイブリッド型も経由して)、PoSに移行しようとしているので、純粋なPoSモデルではないことに注意が必要です。むしろPoWとPoSのいいとこ取りをして、W魂S才的な方向性を見出している気がします。

ただし、ビットコインの新規BTC発行のコストが非常に高いことや、外部不経済性が強いこと、電気代の地域差が大きすぎることに対する懸念は強いように思います。

またセキュリティに関していえば、先程も述べましたが、エネルギー効率が高く、ネットワーク参加のコストが安い場合、攻撃コストも安くなってしまいます。ビットコインの場合、ASICの費用と電気代というコストが掛かるため攻撃者に一定のコストを負わせることが可能です。EthereumのPoSの場合、自身がステイクしているETHが没収されるかもしれないという潜在的なリスクを負わせることによってネットワークのセキュリティを確保する仕組みです。このあたりはPoWの利点をPoS用にカスタマイズして取り込んでいる感じがしますね。ただし、この仕組みに依拠したセキュリティの保障はまだ仮説の段階であって、実際どうなるかはやってみないと分かりません。

ETHの価格動向は不明 しかしPoSは必須か

Casperの導入によってETHの価格が下落するのか上昇するのかが一番気になるところだと思いますが、それは全く分かりません。マイナス材料としては、PoWとは異なりPoSでは価値の担保は不可能であるという意見(そもそもEthereumはThe DAO事件でImmutabilityを放棄している上に、発行上限が未定なため価値保存には向かないと思いますが)や、PoSそのものやPoSに付随して導入される予定の技術が上手く機能しない懸念があります。プラス材料としては、ステイクによるリワード狙いのETHの需要増や、Ethereum経済圏を一気に拡大させる可能性のあるPlasmaなどのPoSを前提に開発されている技術に対する期待感があると思います。

Ethereumの開発者たちはETHの価格よりも、プラットフォームとしてのEthereumをいかに発展させていくかという点に主眼を置いていると思いますので、スケーラビリティや処理能力、セキュリティ等を向上させるために好都合であるメカニズムが選ばれるでしょう。その意味で、たとえPoW残留組との分裂が起こったとしても、現状ではPoSへの移行準備が進められる可能性は高いと思います。

※CasperはEthereumにおけるPoSアルゴリズムの一種であり、この記事ではCasperについて說明しました。この記事に書いてあること全てが他のPoSにも当てはまるわけではありません。

Casperにおけるリワードについては以下の記事もご覧下さい。

EthereumのPoSでリワードを得るにはいくらのデポジットが必要か?


Ethereum Casper 101 – jon choi – Medium
The History of Casper – Chapter 1 – Ethereum Blog
The History of Casper – Chapter 2 – Ethereum Blog
The History of Casper — Chapter 3 – Vlad Zamfir – Medium