プルーフ・オブ・ワーク(PoW)は、卒業証書や運転免許証などの実際の認定資格に似ており、試験(関連するテストに合格するなど)を通じて検証されます。暗号の世界では、PoWはブロックチェーンネットワークの基本的なコンセンサスモデルとして機能し、ノードがコンセンサスに達するための基準を設定します。このモデルは、トランザクションを確認し、ブロックチェーンで新しいブロックを生成し、ブロックの生成に成功したノードに報酬を与えるインセンティブメカニズムを確立します。

PoWの提案

PoWに関連する学術研究は1990年代初頭に始まりました。1993年、アメリカのコンピュータ科学者でハーバード大学の教授であるCynthia Dwork氏が、スパムメールの問題に対処するためにPoWの概念を提案しました。1997年、Adam Back氏がHashCash技術を発明し、PoWメカニズムを応用してDoS攻撃やスパムメールの乱用に対抗しました。これにより、各メール送信者が少量のハッシュ計算を行う必要があり、意図的に短い遅延を引き起こしました。
HashCashテクノロジーは、後にスパムフィルタリングに広く使用され、MicrosoftによってHotmail、Exchange、Outlookなどの製品に実装されました。2008年、サトシ・ナカモトは、独創的な論文「ビットコイン:ピアツーピア電子キャッシュシステム」でPoWの概念をブロックチェーンコンセンサスに適用し、ビットコインシステムのPoWコンセンサスアルゴリズムを紹介しました。

原則

PoWコンセンサスアルゴリズムはハッシュ関数に基づいています。与えられた入力文字列sに対して、ハッシュ関数H(s)は固定長の出力を生成し、H(s)の計算は効率的です。BitcoinやEthereumのようなブロックチェーンシステムで使用されるハッシュ関数は、以下の3つの基準を満たす必要があります:

1. 衝突耐性：異なる2つの入力が同じハッシュ出力を生成することはほとんどありえないはずです。
2. 不可逆性: ハッシュ出力H(s)が与えられた場合、入力sを逆にエンジニアリングすることは計算上不可能であるべきです。
3. 予測不可能性：総当たり法以外では、特定のターゲット値にハッシュされる入力を生成することができないはずです。

動作原理

PoWコンセンサスアルゴリズムは、次の手順に従います：

1. 難易度レベルの設定：システムは、次のブロックの必要なハッシュ計算結果を決定するグローバル難易度値を指定します。一般的に、ハッシュ値はある閾値よりも小さい必要があります。ネットワークが拡大するにつれて、難易度レベルが上昇し、システムは定期的に難易度を調整します。
2. トランザクションのパッケージ化：ノードは複数のトランザクションメッセージを収集し、新しいブロックの本体にパッケージします。
3. ブロックヘッダーの組み立て：ノードは、通常、前のブロックのハッシュ値、新しいブロック内のトランザクションのハッシュ値、現在の難易度値、タイムスタンプ、およびランダムなノンス値を含むブロックヘッダーを組み立てます。
4. ハッシュ計算：ノードは指定されたハッシュアルゴリズム（例：BitcoinのダブルSHA-256）を使用して、ブロックヘッダーのハッシュを計算します。ハッシュが難易度要件を満たさない場合、ノードはノンスを修正してハッシュを再計算します。難易度要件を満たすハッシュを正常に計算するノードは、新しいブロックをネットワークにブロードキャストします。
   
5. 検証および承認：ブロードキャストされたブロックを受信するノードは、その有効性を検証します（例：BitcoinではブロックヘッダーをダブルSHA-256ハッシュ化します）。検証が成功した場合、ノードは新しいブロックを受け入れ、分散台帳のローカルコピーに追加します。
6. 次のブロックの競争：ノードは次のブロックを追加する権利を競い始めます。
   PoWアルゴリズムでは、難易度要件を満たすハッシュを最初に計算したノードだけが、新しいブロックを分散台帳に追加する権利を獲得します。その後、他のノードは新しいブロックを複製して、分散台帳全体で一貫性を保ちます。

制限

PoWコンセンサスアルゴリズムは、トランザクションを記録する権利を割り当てるために計算能力に依存しています。ブロックチェーンネットワークの規模が大きくなるにつれて、計算リソースと電力が大幅に浪費されます。2020年、ビットコインネットワークは1,348億9,000万キロワット時を消費し、これは州の年間電力消費量に相当します。この高いエネルギー消費は、PoWの大きな制限です。
さらに、PoWコンセンサスアルゴリズムの長い計算時間は、記録権を得るための待ち時間を延ばし、取引確認サイクルを延長し、ブロック生成効率を低下させる結果となります。 たとえば、Bitcoinは約10分ごとにブロックを生成し、そのため取引量が制限され、PoWコンセンサスアルゴリズムの効率制約が強調されます。