Solanaのコンセンサスメカニズムを解説：ステークドプルーフ・オブ・ステークとプルーフ・オブ・ヒストリー

執筆：Cookies Research

翻訳：Block unicorn

ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムは、トランザクションの有効性を検証し、それらを正確な順序でブロックチェーンに追加する役割を担っています。採用されるコンセンサスメカニズムによって、検証と並べ替えプロセスの効率が異なり、結果としてスループットの水準も変わります。ブロックチェーン分野において、Solanaは高性能チェーンであり、400ミリ秒のブロック時間を持ち、1秒あたりのトランザクション数（TPS）は平均2,000〜3,000程度、理論上のピークTPSは65,000に達します（参考までに、イーサリアムのTPSは約12です）。

本稿では、Solanaの高スループットに寄与する重要なアーキテクチャである、委任権益証明（DPoS）コンセンサスメカニズムと「プルーフ・オブ・ヒストリー（PoH）」について紹介します。

1. 従来のコンセンサスメカニズム

まず、ブロックチェーンにおける主要なボトルネックの一つである拡張性について理解しましょう。

分散型ブロックチェーンネットワーク内の各ノードは、それぞれ独自の内部クロックを持っており、このローカルシステム時計に基づいて動作しています。トランザクションが発生すると、ノードはこのローカルシステム時計を使ってトランザクションにタイムスタンプを付与します。

以下の画像は、ノード内部のクロックを示しています：

トランザクションが最終的に承認または拒否されるタイミングも、このローカルシステムクロックに基づきます。従来のコンセンサスメカニズム（例えば、作業量証明PoWや権益証明PoS）では、すべてのノードが互いに通信してローカルクロックを調整し、取引処理時の時間認識を一致させる必要があります。ノード間の通信により共通の時間基準が構築され、ネットワーク全体で時間の理解が統一されることで、トランザクションの順序と確定が調整されます。

世界中に何万ものノードが分散しているような分散型ブロックチェーンでは、ノード間のローカルシステムクロックに差異が生じることは避けられず、その結果、異なるノード間でトランザクションのタイムスタンプが不一致になることがあります。ノードが「どのトランザクションが発生したか」「それらがブロック内でどのような順序で処理されるべきか」という点で合意を得ようとする際、これが問題となります。これはタイムスタンプ同期問題と呼ばれ、ネットワークがノード数を増やしてより分散化されるほど、この問題はさらに深刻かつ複雑になります。

最終的には、これが悪意ある攻撃者にとって悪用可能な経路となります。時間的なずれを利用して、正当なタイムスタンプに似せた偽のトランザクションをブロードキャストし、ネットワークを乗っ取ろうとする可能性があります。トランザクションの改ざんを防ぐためには、タイムスタンプの正確性を検証するために大量の時間と処理能力が必要となり、それがブロック確認の遅延につながるだけでなく、場合によってはブロックが拒否されることもあります（ノードが異なるタイムスタンプを理由に無効と判断して投票する可能性があるため）。

2. プルーフ・オブ・ヒストリー（PoH）とは何か

Solanaにおけるプルーフ・オブ・ヒストリー（PoH）は、トランザクションが正しく順序付けられていることを証明する仕組みであり、ネットワーク内のバリデータが簡単にそれを検証できるように設計されています。

第1節で述べたように、各ノードが独立した時計を持つ状況とは対照的に、PoHはすべてのノードが共有するグローバルなクロックのようなものであり、これにより2つの出来事の間にどれだけの時間が経過したかを検証できます。このグローバルクロックを通じて、すべてのノードが同じトランザクション履歴を参照でき、トランザクション順序に対する意見の相違が排除されます。その結果、コンセンサスが迅速に達成され、トランザクションが検証されてブロックチェーンに追加されるまでの時間が大幅に短縮されます。

PoHは、暗号技術を活用して、連続的かつ時系列順に整列されたトランザクション記録を作成します。ここからさらに詳しく見ていきましょう。

3. PoHの技術的詳細

すべてのトランザクションはSHA-256によって処理されます。SHA-256は、任意の入力を受けて一意で予測不可能な出力を生成することで知られる暗号ハッシュ関数です。トランザクションがハッシュ化されると、その出力が次のトランザクションのハッシュ入力として使われます。このプロセスにより、ハッシュ出力の中にトランザクションの内在的な順序が形成され、長く連続したチェーンが構築されます。

PoH（プルーフ・オブ・ヒストリー）は、可検証遅延関数（VDF: Verifiable Delay Function）を利用しており、これはブロックチェーン内での時間経過の検証に重要です。VDFは計算集約的な関数であり、過去のハッシュ値に依存するだけでなく、経過時間自体も含んでいます。この仕組みにより、Solanaは暗号的に「現実の時間が確かに経過した」ことを示すことができ、連続した出力を生成します。その結果、明確で検証可能なトランザクション順序が確保され、一貫した出来事のタイムラインが保証されます。バリデータはこの経過時間を容易に検証でき、ネットワークの信頼性がさらに強化されます。

SolanaにおけるPoH（プルーフ・オブ・ヒストリー）の導入は、安全性と整合性の強固なレイヤーを追加しています。ハッシュチェーンの一部を改ざんしようとすれば、その後続するすべてのハッシュを再計算する必要があり、これは非常に計算負荷が高い作業であり、ネットワークを改変から保護します。

PoH（プルーフ・オブ・ヒストリー）は、バリデータが各ブロックごとに処理しなければならない情報量を著しく削減します。トランザクションの最新状態のハッシュ値を使用することで、ブロック確認時間が大幅に短縮されます。バリデータ（またはレプリカノード）がブロックを受信すると、PoHシーケンスによって暗号的に信頼できるトランザクション順序が提供され、それを再検証することなく信頼できます。この効率性はコンセンサスメカニズムの高速化に不可欠であり、ネットワークが迅速に次のバリデータを選択してブロック検証に移行できるようになります。

4. 委任権益証明（DPoS）

PoHの理解を深めた上で、本節ではSolanaのコンセンサスメカニズム（DPoS）におけるPoHの活用方法について説明します。

DPoSでは、$SOLをステーキングした各バリデータがネットワークガバナンスに参加でき、ブロックの有効性に対して投票し、それをブロックチェーンに追加するかどうかを決定できます。直接ステーキングプロセスに参加したくない$SOL保有者（あなたや私を含む）は、自分のトークンを他のバリデータに委任でき、こうした保有者は「委任者（デリゲーター）」となります。この委任プロセスにより、委任者の投票権（保有する$SOLの数量に比例）が該当のバリデータに割り当てられます。ステーキングした見返りとして、委任者はブロック報酬の一部を受け取ります。

DPoSシステムの運営原理は、より大きなステークを持つノードほど、トランザクションを検証してブロックチェーンに追加する機会が多くなるというものです。ブロック報酬の獲得というインセンティブにより、ノードは高いパフォーマンスと誠実さを維持する動機づけがされます。

DPoSとPoHの両方について理解したところで、これらを統合し、Solana上での典型的なブロック確定プロセスを概観してみましょう。

5. Solanaコンセンサスメカニズムのハイレベル概要

1. リーダーノードの選出：リーダーノードは、PoHシーケンス（プルーフ・オブ・ヒストリーによるトランザクションの順序付け）を生成し、ブロックを作成する責任を負います。

この選出プロセスは、ノードのステーク重みに基づいて行われ、トークン保有者がそのノードに委任することで重みが増加します。リーダーの役割はバリデータ間でローテーションします。

2. トランザクションへのタイムスタンプ付与：リーダーノードはトランザクションを受信し、PoHを用いてタイムスタンプを付与することで、トランザクションの順序を形成します。

3. ブロック作成：PoHから得られたシーケンスに基づき、リーダーノードはブロックの作成を開始します。

4. ブロックの伝播：新しく作成されたブロックは、レプリカノード（分散ネットワーク内の他のバリデータ）に送信されます。

5. トランザクションの有効性検証：レプリカノードは以下の2つの要素を検証します：

a. トランザクション順序：PoHシーケンスを用いて、トランザクションが正しい順序で並んでいるかを検証します。これはグローバルクロックであるため、ノード間の往復通信（PoWやPoSなどの一般的なコンセンサスメカニズムのように）を必要としません。

b. トランザクションの有効性：トランザクションがネットワークルールに準拠しており、有効なものであるかをチェックします。

6. ブロックの最終確定：トランザクションの順序と有効性が検証されると、ブロックはブロックチェーンに追加されます。次に新たなリーダーノードが選ばれ、この一連のプロセスが繰り返されます。

結論

Solanaはそのブロックチェーンアーキテクチャの継続的な改善に努めており、最近の進展としてはQUIC、ステーク加重QoS、局所化された手数料市場などがあります。また、エコシステムはFiredancerの導入によって効率性が大きく向上することを期待しています。注目に値するのは、Solana独自のアーキテクチャ—OPOS（Only Solana）—が新しいユースケースを生み出す可能性があることです。