二重支出とブロックチェーンのコンセンサスについて解説

二重支払いは、ユーザーが同じ通貨単位を複数回使用しようとするデジタル通貨システムにおける根本的なリスクです。同時に複製や再利用ができない物理的な現金とは異なり、デジタルデータは複製可能であるため、分散型システムにおいて通貨の整合性を維持する上で特有の課題が生じます。

従来の金融システムでは、銀行や決済代行業者などの中央機関が中央台帳を管理し、二重取引を防止しています。しかし、暗号通貨はそのような仲介者なしで運用されるため、二重支払いの防止はブロックチェーン技術によって解決される技術的な課題となっています。

二重支払いの根本原因は、取引が送信されてからネットワーク上で確認されるまでの遅延を悪用することです。悪意のある人物は、商品やサービスを受け取った後に取引を取り消そうとし、通貨と商品の両方を保持しようとする可能性があります。

この問題は、ユーザーが直接取引を行うビットコインのようなピアツーピアのデジタル通貨において特に重要です。予防メカニズムがなければ、デジタル通貨は複製によって操作され、価値の下落、信頼の喪失、システム障害につながる可能性があります。

二重支出攻撃の種類

• レース攻撃: 攻撃者は、同じコインを使用して 2 つのトランザクションを異なる受信者に連続して送信し、一方のトランザクションを承認すると同時にもう一方のトランザクションを元に戻します。
• フィニー攻撃: マイナーは、不正なトランザクションを含むブロックを事前にマイニングし、ブロックをブロードキャストする前に、同じコインを小売環境で素早く使用します。
• 51% 攻撃: 攻撃者がネットワークのマイニング パワーの半分以上を制御できるようになると、ブロックチェーンの履歴を改ざんして、事実上、自身のトランザクションを元に戻すことができます。

これらの脆弱性を考えると、トランザクションのファイナリティを確保し、通貨の整合性に対する信頼を維持するためには、堅牢なセキュリティ プロトコルが不可欠です。

コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンの二重支払い防止機能の中核です。これらのプロトコルにより、分散型ネットワークは、中央機関に依存せずにトランザクションの有効性と順序について合意することができます。

ほとんどのブロックチェーンシステムでは、トランザクションは前のブロックを参照するブロックにグループ化され、時系列の「チェーン」を形成します。ブロックがブロックチェーンに追加される前に、ネットワーク参加者（ノードまたはマイナーとも呼ばれます）は、そのブロック内のトランザクションが有効であり、以前に記録されていないことに同意する必要があります。この集合的な検証こそが、コンセンサスによって保証されるものです。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）

ビットコインをはじめとするいくつかの暗号通貨は、プルーフ・オブ・ワークと呼ばれるコンセンサスメカニズムを採用しています。このメカニズムでは、マイナーは複雑な数学的問題を解くために競い合います。最初に問題を解いたマイナーは、次のブロックを追加する権利を獲得します。このプロセスは計算集約的でコストがかかるため、ネットワーク全体の計算能力の大部分を制御しない限り、ブロックの履歴を変更したり、二重支払いトランザクションを挿入したりすることは事実上不可能になります。

トランザクションの確認

トランザクション後に確認される追加のブロックごとに、トランザクションが変更または取り消される可能性がさらに低くなります。その結果、販売者やサービスプロバイダーは、トランザクションを最終的なものとして受け入れる前に、多くの場合、複数の確認を待ちます。ビットコインでは、高額トランザクションの標準は 6 回の確認と見なされています。

コンセンサスによる不変性

コンセンサスは、トランザクションの正当性を検証するだけでなく、トランザクションをブロックチェーンの履歴にロックします。ブロックを変更するには、後続のすべてのブロックを再マイニングし（PoW 下）、多数決で合意を得る必要があるため、コストと複雑さにより、二重支払いの取り組みは経済的に非合理的であり、ほとんどの攻撃者にとって技術的に不可能です。

最終的に、検証を分散化し、合意を使用して履歴の共有バージョンを強制することにより、ブロックチェーン ネットワークは、不正行為に対して耐性のある、透明性が高く改ざん防止機能を備えた通貨システムを確立します。

プルーフ・オブ・ワークは最もよく知られているコンセンサスメカニズムですが、スケーラビリティ、効率性、環境への影響を改善するために、他のモデルも開発されてきました。これらの代替モデルも二重支払いの防止を目的としていますが、採用している技術的戦略は異なります。

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）

プルーフ・オブ・ステークは、エネルギー集約型のマイニングプロセスを、コインの所有権に基づく検証システムに置き換えます。このモデルでは、バリデーターは保有する暗号通貨の量とネットワークへの「ステーク」に基づいて選出されます。バリデーターにはネットワークの整合性を維持する経済的インセンティブがあり、ステークしたコインはリスクにさらされるため、二重支払いなどの悪意のある行為は自滅的なものになります。

最大のブロックチェーンネットワークの1つであるイーサリアムは、イーサリアム2.0アップグレードの導入により、PoWからPoSに移行しました。この移行は、エネルギー効率を向上させるだけでなく、組織的な二重支払いの試みなどの潜在的な脅威に対する防御を強化することも目的としていました。

委任型プルーフ・オブ・ステーク（DPoS）

EOSやTronなどのプラットフォームで使用されている委任型プルーフ・オブ・ステークは、トークン保有者がブロックチェーンを維持するために少数のバリデータを選出する投票システムです。信頼できる委任者間で合意を集中させることで、DPoSは、無効なトランザクションや重複したトランザクションのエントリを防ぐために、引き続きインセンティブを調整しながら、トランザクションのスループットと承認速度を向上させます。

ビザンチン・フォールト・トレランス（BFT）

実用的なビザンチン・フォールト・トレランス（PBFT）などのBFTベースのモデルでは、ネットワーク参加者の一部に信頼できない、または悪意のあるユーザーがいる場合でも、ノードが合意に達することができます。これらのモデルは、企業が使用するような許可型またはプライベートなブロックチェーンで特に普及しています。これらのブロックチェーンでは、アイデンティティと信頼がある程度事前に確立されています。

すべてのトランザクションは信頼できるノードのクォーラムを通じて承認され、虚偽の報告はコンセンサス プロセスを直接損なうため、BFT コンセンサス モデルは通常、二重支払いなどの不正な試みに対して堅牢です。特に、管理された小規模な環境ではその傾向が顕著です。

コンセンサスと暗号化の組み合わせ

これらすべてのモデルで、コンセンサスはデジタル署名やハッシュ関数などの暗号化ツールによって強化されています。これらを組み合わせることで、トランザクションは一度承認されると変更できず、元帳の各エントリは作成者まで一意に追跡可能になります。

さまざまなコンセンサス モデルが、セキュリティ、速度、分散化の間でさまざまなトレードオフを提供します。しかし、彼らの共通の目標はただ一つ、台帳の整合性を維持し、重複や不正な支出の可能性を排除することで、デジタルエコシステムにおける金融の信頼を維持することです。