Proof of Work（PoW）って何？
イチから詳しく教えてほしい！
こんな疑問にお答えします。
本記事の内容
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）とは何か
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の別名
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の利点
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）のエネルギー消費
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目次
Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）とは？
「Proof of Work」とは、「作業証明」という意味です。これは、コンピューターネットワーク上で、とてもたくさんの計算をする必要がある仕組みのことを言います。簡単に言うと、たくさんの難しい問題を解くことで、ネットワークが安全であることを証明する方法です。
この仕組みは、2004年にハル・フィニーという人が、「再利用可能な作業証明」という考え方を使って、デジタルトークン（インターネット上の特殊なお金みたいなもの）に適用しました。彼は、SHA-1という160ビットのセキュアハッシュアルゴリズム（難しい計算式の一種）を使ったんです。
そして2009年、ビットコインが登場しました。ビットコインは、フィニーの「作業証明」の考えを使った最初の有名な例です。実は、フィニーはビットコインが使われ始めたとき、最初にビットコインをもらった人でもあります。
「作業証明」は、ビットコインだけでなく、他の多くの暗号通貨（デジタルで使われるお金のようなもの）の基礎となっています。これにより、それらの暗号通貨が安全に使えるようになっているんです。
Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の仕組みを理解する
「ビットコイン」とは何かというと、よく「暗号通貨」と呼ばれますが、正確には「トークン」、つまりビットコインのブロックチェーン上での価値の所有権を表すものです。ブロックチェーンとは、デジタルで取引の記録を安全に保つための技術です。このトークンは、何かと同じ価値のものと交換することができます。例えば、お菓子を買う時に1ドルを払うのと同じように、ビットコインで支払いをすることができます。あなたはお菓子を手に入れ、お店の人はその代金としてビットコインを受け取るわけです。
ここで「Proof of Work（作業証明）」の出番です。ビットコインネットワークでは、この「作業証明」がとても大切な役割を果たしています。このシステムは、ビットコインの取引が安全に行われるために、複雑な計算問題を解くことを要求します。なぜかというと、これによって、ビットコインの取引記録が正確であることを保証するからです。
つまり、「作業証明」とは、ビットコインの取引が正しく、安全に行われるための、重要な仕組みなんです。ちょうど、お菓子を買う時にお金を払うことで取引が成立するのと同じように、ビットコインでは「作業証明」によって、取引が正しく行われるんですね。
Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）ブロックチェーン
まず、「ブロックチェーン」とは何かというと、これは分散型の台帳（帳簿）のようなものです。ビットコインの取引を記録しています。これをもっと簡単にいうと、エクセルのシートにいろいろな取引を書き込むのと似ています。ブロックチェーンの中の「ブロック」というのは、エクセルの一つ一つのセルのようなものです。
それぞれのブロックには、取引の金額やウォレットのアドレス（ビットコインを送受信するためのアドレス）、時間や日付などの情報が入っています。そして、この情報は「ブロックヘッダー」という16進数（0から9までとAからFまでの数字で表される数のこと）の番号に変換されます。これは、ブロックチェーンの「ハッシュ関数」というもので作られます。
この「ハッシュ」というのは、それぞれのブロックが持つ特別な番号のようなものです。新しいブロックが作られる時には、前のブロックのハッシュも一緒に使われます。これによって、ブロックが連鎖していくんです。そして、一度記録されたブロックは、後から変更することができないようになっています。なぜなら、最新のブロックのハッシュには、前のブロックの情報が全部含まれているからです。
ハッシュ
「ハッシュ」というのは、ブロックチェーンにおける大切な部分です。ブロック（ビットコインの取引情報を記録する単位）が完成すると、そのブロックの「ハッシュ」を確認しなければなりません。新しいブロックを作る前に、前のブロックのハッシュが正しいかをチェックするんですね。
では、ハッシュって何？と思うかもしれません。ハッシュは、64桁の暗号化された16進数の数字です。16進数とは、0から9までとAからFまでの文字で表される数字のことです。現代の技術では、大量のデータでも、このハッシュは数ミリ秒で作ることができます。
しかし、ここで「マイナー」と呼ばれる人たちの役割が出てきます。マイナーは、このハッシュを推測しようとしますが、コンピューターの計算で考えると、これは非常に時間がかかる作業です。
ここで「Proof of Work」、つまり「作業証明」が重要になります。この仕組みでは、マイナーは正しいハッシュを見つけるために、たくさんの計算をしなければなりません。これができたとき、新しいブロックがブロックチェーンに加えられるんです。
Nonce（ナンス）
Nonceは、「一度だけ使われる数字」という意味です。ブロックチェーンの世界では、ハッシュ（ブロックの中の取引情報を暗号化した数字）を作る時に使われる特別な数字のことを指します。
では、このNonceはどのように使われるのかというと、マイナー（ブロックチェーン上で取引の確認や記録を行うプログラムを動かしている人やコンピューター）が「マイニング」と呼ばれる作業を始める時に重要になります。マイナーは、公開されている情報からハッシュを作り出しますが、その際に使うNonceは最初は「0」からスタートします。
つまり、Nonceは、ブロックチェーンのハッシュを作るために使われる、一度だけ使われる特別な数字なんです。マイナーはこのNonceを変えながら、正しいハッシュを見つけるために計算を続けるわけですね。
このNonceのおかげで、ブロックチェーンのハッシュ作成がうまくいき、ビットコインなどの暗号通貨の取引が正確に記録されるんです。Nonceは、ブロックチェーンのセキュリティを保つためにとても大切な役割を担っているんですね。
ハッシュを解く
ビットコインなどの暗号通貨で、このハッシュを解く作業がとても重要になります。
マイナー（ビットコインなどの暗号通貨の取引を確認し、新しいブロックをブロックチェーンに追加する人やコンピューター）がハッシュを解くとき、そのハッシュが「ネットワークターゲット」という数字よりも小さければ、成功とされます。このネットワークターゲットとは、マイニング（ハッシュを解く作業）の難易度を示す16進数の数字です。16進数とは、0から9までとAからFまでの数字で表されるものです。
もしマイナーが作ったハッシュがターゲットより大きければ、マイニングプログラムは「Nonce（ナンス）」と呼ばれる数字に1を足して、また新しいハッシュを作ります。このNonceは、ハッシュを作るために一度だけ使われる特別な数字です。ビットコインのネットワーク上の全てのマイナーが、この方法でハッシュを解こうと試みます。
ビットコインのブロックチェーンでは、ハッシュを解くことに成功したマイナーには、その作業のための報酬が与えられます。この報酬は、ビットコインとして受け取ることができるんです。
つまり、ハッシュを解くというのは、ビットコインの取引を安全に保つためにとても重要な作業で、この作業に成功すると報酬が得られるというわけですね。
Proof of Work（作業証明）とProof of Stake（持分証明）の違い
「Proof of Work」と「Proof of Stake」は、ブロックチェーン（暗号通貨の取引を記録する技術）の世界で使われる、2つの人気のある合意形成の仕組みです。ビットコインは「Proof of Work」を使っていますが、その一方で、ビットコインの大きなライバルであるイーサリアムは、2022年9月まで「Proof of Work」を使っていました。そして、その後、「Proof of Stake」に移行しました。
では、これら2つの仕組みの主な違いは何でしょうか？
Proof of Work（作業証明）
Proof of Workとは、ビットコインのような暗号通貨で使われる、取引の検証方法の一つです。この方法では、取引を確認し、安全に記録するために「マイナー」と呼ばれる人たちが働きます。マイナーとは、特殊なコンピューターのプログラムを使って、複雑な計算問題を解く人たちのことです。
マイナーがこの計算をする理由は、ビットコインを報酬としてもらえるからです。ビットコインの取引が行われるとき、少しだけ手数料がかかります。この手数料と、新しいブロック（取引情報が詰まっているデジタルの箱のようなもの）をブロックチェーン（取引記録を安全に保つための連続したブロックの列）に追加したときの報酬が、マイナーのモチベーションになっています。
しかし、このプロセスは競争が激しく、多くのエネルギーと計算能力を必要とします。なぜなら、多くのマイナーが同時に新しいブロックを作ろうとしているからです。そして、新しいブロックを最初に完成させたマイナーだけが、その報酬を得ることができます。
つまり、Proof of Workでは、マイナーたちが取引を安全に確認し、新しいブロックをブロックチェーンに追加するために、大量のエネルギーと計算能力を使っているんです。
Proof of Stake（持分証明）
Proof of Stakeは、ビットコインのProof of Workとは違う、暗号通貨の取引を確認する方法です。イーサリアムという暗号通貨では、この方法を使っています。
この仕組みでは、取引を確認する人たち（参加者）が、「イーサー」という暗号通貨を担保として提供します。担保とは、何かを保証するために預けるお金や物のことです。これは、取引が正しく行われることを保証するために使われるんです。
Proof of Stakeでは、イーサリアムの取引が行われるときにかかる手数料だけが報酬として支払われます。つまり、新しいブロックを作るための特別な報酬はありません。
この方法の一番の特徴は、コンピューターの計算能力や使うエネルギーが、Proof of Workに比べて少なくて済むことです。なぜなら、複雑な計算問題を解く代わりに、担保を提供することで取引を確認するからです。
つまり、Proof of Stakeは、イーサリアムの取引を確認するためのより環境に優しい方法で、参加者がイーサーを担保として使うことで、取引の安全を保つんです。このようにして、イーサリアムのネットワークは、より少ないエネルギーで運営されているんですね。
ビットコインマイニングとは？
ビットコインのマイニングとは、新しいブロックをブロックチェーン（取引記録を安全に保つ技術）に追加するための競争のようなものです。この競争に勝つためには、たくさんの計算能力が必要です。だから、多くのマイナー（ブロックを作る人やコンピューター）は、一緒に力を合わせて「マイニングプール」というグループを作ります。これは、報酬をもらうチャンスを高めるためです。
例えば、2023年2月9日の時点で、FoundryUSAというマイニングプールはビットコインネットワークのハッシュレート（1秒間に実行できるハッシュの数）の約32%を占めていました。このプールは、1秒間に約90エクサハッシュ（90×10の18乗ハッシュ）を生成していました。
また、Proof of Workはエネルギーをたくさん使うことでも知られています。ケンブリッジ大学はビットコインネットワークのエネルギー消費を追跡しており、このネットワークは小さな国と同じくらいのエネルギーを使っていると推定されています。ただし、工業用のデータネットワークやデータセンターの方が、ビットコインネットワークよりもはるかに多くのエネルギーを使用していることに注意が必要です。
さらに、Proof of Workは他の検証方法よりも遅いです。ビットコインネットワークでは、処理しきれないほど多くの取引が行われています。これらの取引は「メモリプール」と呼ばれる場所で検証を待ち、2023年1月1日から2月9日までの平均確認時間は7分から91分でした。確認とは、あなたの取引が承認されたことを意味します。
ビットコインは平均して10分ごとにブロックを作りますが、イーサリアムのProof of Stakeネットワークでは、2022年9月以降平均して12秒ごとにブロックが作られています。
つまり、ビットコインのマイニングは、計算能力の競争であり、エネルギーをたくさん使い、検証にも時間がかかる方法なんです。これがビットコインの世界を動かしている大切な仕組みの一部です。
Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の例
Proof of Workでは、コンピューターが「ハッシュ関数」という計算をランダムに行います。これは、特定の条件を満たす数字（ハッシュ）を見つけるための計算です。条件とは、ハッシュの最初の部分に特定の数のゼロが並ぶことです。
例えば、2023年2月9日にマイニングされたビットコインのブロック番号775,771のハッシュは以下のようなものでした。
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このハッシュには、たくさんのゼロが最初に並んでいます。このブロックを正しくマイニングすることに成功したマイナーは、6.25ビットコインと0.1360ビットコインの手数料、合わせて約6.39ビットコインの報酬を得ました。
このブロックには「Nonce（ナンス）」と呼ばれる番号があり、その数は2,881,347,934でした。Nonceは、正しいハッシュを見つけるためにコンピューターが試す数字です。このブロックには1,519件の取引が含まれていて、合計の価値は1,665.9645ビットコインでした。
ハッシュが生成される時、Nonceは0から始まりますが、このブロックはマイナーによって28億回以上試された後、目標よりも小さい数字に到達しました。
つまり、Proof of Workでは、マイナーが正しいハッシュを見つけるために膨大な数の計算をする必要があり、それが成功すると報酬を得ることができるというわけです。このようにして、ビットコインの取引は確認され、ネットワークは安全に保たれています。
Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）のよくある質問
Proof of Work（作業証明）とは、ネットワーク上の各コンピュータ（ノードと呼びます）が、一定の計算作業を行ったという「証明」を提供することです。
この証明によって、ネットワークは安全に運営され、悪意のある人々がネットワークを乗っ取るのを防ぎます。
仮想通貨は、中央の管理者がいない「分散型」で、人と人が直接やりとりする「ピアツーピア」のシステムです。
このため、ネットワーク上での意見の一致（コンセンサス）と安全性を確保する方法が必要です。Proof of Work（作業証明）はその方法の一つで、ネットワークを支配するためには膨大なリソースが必要になるため、攻撃者にとって非常に困難になります。
い、ビットコインはProof of Work（作業証明）を使っています。
具体的には、SHA-256という計算方法を用いたProof of Work（作業証明）明のアルゴリズムを使い、取引の妥当性を確認し、新しいビットコインを発行しています。
これは、ビットコインのネットワークで取引が正しく行われ、安全が保たれるために重要な役割を果たしています。
まとめ
この記事のまとめ
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）とは何か
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）【PoW】は、コンピュータネットワークでの合意形成（コンセンサス）の方法の一つです。
- ネットワークの参加者が、暗号化された難しい数字の問題を解く努力をする必要があります。
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の別名
- 作業証明は、「採掘（マイニング）」とも呼ばれています。
- これは、仕事をした報酬として報酬をもらうことにちなんでいます。
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）の利点
- 作業証明により、信頼できる第三者がいなくても、安全にピアツーピア（直接的なやり取り）の取引処理ができます。
- Proof of Work（プルーフ・オブ・ワーク）のエネルギー消費
- 大規模になると、作業証明は非常に多くのエネルギーを消費します。
- 採掘（マイニング）に参加する人が増えると、必要なエネルギーも増えます。
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