Proof of Useful Workとは? IOGによる概要解説

2022年8月11日に公開された、Proof of Useful Work「Ofelimos」の概要を説明する動画を翻訳しました。ビットコインやイーサリアムで採用されている「Proof of Work」の問題点と、それを解決するためのPoUWについて簡単に解説しています。

翻訳:@dino_coffeepool、編集:hix_coffeepool

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実際のビデオはこちら

こんにちは、Giorgos Panagiotakosです。私は. Input Output Globalの研究者です。  このビデオでは、証明可能で安全なProof-of-Useful-WorkブロックチェーンであるOfelimos(ギリシャ語でUseful、Profitableの意味)についてお話します。これは、Matthias Fitzi、Aggelos Kiayias、Alexander Russellとの共同研究です。
ビットコインやイーサリアムのような最も古く、最も広く使われているブロックチェーンは、ハッシュベースのProof-of-Workを使用しています。つまり、それらのセキュリティは、プロトコル参加者が小さなハッシュを検索することに基づいています。これは間違いなく、一般的に有用ではないという問題があります。
事実として、演算に使うエネルギーが多ければ多いほど、悪意のある第三者がプロトコルのセキュリティを破るためのコストは高くなります。このような理由から、これらのプロトコルには、エネルギー消費を増加させるため、ブロック報酬のようなインセンティブが組み込まれているのです。この設計により、現在のビットコインの消費エネルギーは中規模の国の消費エネルギーと同レベルになっています。
このように、Proof-of-Workブロックチェーンには、プロトコルのセキュリティを維持するためというだけの理由で、エネルギー消費が増加し続けることにインセンティブを与えているのです。

 

この問題は、ブロックチェーン・コミュニティが早くから指摘していたものです。この問題に対し、多くの代替案が提案されていますが、その1つが、メモリやステークなどの計算作業とは異なるリソースを活用しようとするアプローチです。
その結果、Proof-of-Work型ブロックチェーンとは異なる仮定に基づく安全性を持つプロトコルが誕生します。
消費するエネルギーを減らすのではなく、他の用途に再利用しようというのが、別の提案です。最もシンプルな方法は、ブロック採掘機を自宅の暖房に利用することです。より洗練された方法としては、マイナーに、外部の有用な問題を解決するためにProof-of-Useful-Workで計算させるというものがあります。例えば、物理学や数論、最適化などの問題を解決するための提案がなされています。

Proof-of-Useful-Workの方向性は、かなり難しいことがわかっています。これまでの研究にて多くのものは、次の3つの問題のいずれかに悩まされています。

  • 第一に、実行された仕事が広く有用でないことがあげられます。例えば、よく知られたプロトコルであるPrimecoinの場合、マイナーは素数の変化を探索します。
  • 第二に、提示されたプロトコルの正式な安全性証明が存在しません。これらのプロトコルの安全性は、標準的ではない計算難度仮定(non-standard hardness assumption)に基づいているため、これはかなり深刻な問題です。そのため、セキュリティに関する議論を明確に理解することが望まれます。
  • 最後に、いくつかのプロトコルは、信頼できるハードウェアのような信頼できる第三者の仮定に依存しています。分散化はブロックチェーン・プロトコルの重要な目標であるため、このような仮定は避けたいと考えています。

本研究では、このような欠点を持たないProof-of-Useful-Workブロックチェーンを構築できるかどうかを研究しています。

本論文では、例えば、輸送や資源配分など、実世界で広く必要とされている最適化問題の解決に使用できるProof-of-Useful-Workブロックチェーンを紹介します。

 さらに、我々のプロトコルはランダムオラクルモデル(ROM)における正式なセキュリティ証明を伴っており、適度な計算難度の仮定において敵対者がネットワーク内の全計算能力の50%近くを制御しても、ビットコインと同じ計算難度の仮定下で33%を制御しても、このモデルでは安全であることを示します。また、計算難度の高い仮定では、実行された計算の100%近く、また計算難度の低い仮定の下では50%の演算結果が外部に有用であることを示します。最後に、私たちの分析は、信頼できる第三者を想定していません。

我々のプロトコルの安全性を証明するために、新しい汎用的なProof-of-Useful-Workを設計し、解析しました。これは、まず、「有用な計算が適度に難しい」とはどういうことかを定式化する必要があります。
次に、「この計算の安全性を増幅し、研削に強く、パーミッションレスプロトコルの文脈で使用できるようにする」ことです。
そして第三に、「セキュリティ上の理由からオープンブロックの生成方法について3つの要件を持つブロックマイニングのプロセスに、この計算をどのように組み込むことができるか」を示すことです。

最後に、これらのアイデアをすべてまとめて、私たちのブロックチェーン上で実行できる一般的なローカル検索最適化アルゴリズムを紹介しています。ご視聴ありがとうございました。

Ofelimosの詳しい説明は、IOGのブログをご覧ください↓
https://iohk.io/en/blog/posts/2022/08/16/introducing-ofelimos-a-proof-of-useful-work-consensus-protocol/

Ofelimos論文は2021年10月に公開されています↓
https://eprint.iacr.org/2021/1379.pdf

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