PoW vs PoS：攻撃の経済コスト比較

本文は BitMEX Research のレポートから翻訳されたもので、原文リンク： https://blog.bitmex.com/pow-vs-pos-economic-cost-to-attack/

要約：本稿では、PoW（プルーフ・オブ・ワーク）ネットワークと PoS（プルーフ・オブ・ステーク）ネットワークを攻撃する際の経済的コストを比較しています。算力のレンタルと購入、及びステークのコストをそれぞれ分析しました。トークンを購入する必要があるため、PoS ネットワークの攻撃コストが必然的に高いという一般的な誤解を訂正しました。私たちの結論は、理論的には、この二つのネットワークを攻撃するコストの差は多くの人が想像するほど大きくないということです。

概要#

本稿の目的は、PoW システムと PoS システムを攻撃する最も経済的な方法を分析し比較することです。特に攻撃コストの最も適切な一対一の比較を行います。この文章を書く理由は、他の人々がいくつかの比較を行い、通常は PoS システムの方が攻撃が難しいという結論を出しているからですが、私たちはこれらの比較が公平な一対一の比較に基づいていないと考えています。本稿では、算力のレンタルと購入、及びステークの二つの方法を明確に区別します。攻撃の経済的コストを比較する際には、まずレンタルか購入かを決定し、その後で一対一の比較を試みる必要があると考えています。

思想実験#

まず、思想実験を行いましょう。これは現実的ではないかもしれませんが、カマラ・ハリスがエリザベス・ウォーレンを副大統領候補に指名し、カマラ・ハリスが 2024 年のアメリカ大統領選挙で圧倒的な勝利を収めると仮定します。これは暗号通貨エコシステムにとって間違いなく悪夢です。副大統領としての通常の職務に加えて、エリザベス・ウォーレンが暗号通貨関連の業務を担当すると仮定します。彼女は数十億ドルの予算を持つ反暗号通貨部隊を編成し、暗号通貨ネットワークを閉鎖しようとします。

この思想実験は意味があります。なぜなら、暗号通貨ネットワークの設計目的は、できるだけ閉鎖されにくくすることだからです。 では、エリザベス・ウォーレンがこれらの高価で無駄になる可能性のある攻撃をどのように行うのか、そしてそのコストはどのくらいになるのかを考えてみましょう。次に、ビットコインとイーサリアムを攻撃するコストを比較します。

フルノードとコンセンサスルール#

多くの人々は、イーサリアムと比較して、ビットコインの核心的な利点はその大量のフルノードにあると考えています。 これらのノードはブロック生成とは無関係ですが、コンセンサスルールの実行において重要な役割を果たします。重要なのは、これらのノードの運用コストが非常に低いことです。多くのビットコインユーザーがこれらのノードを運用し、ウォレットに接続し、文化が形成されています：コミュニティ全体が圧倒的な合意に達しない限り、コンセンサスルールの変更に基づいてこれらのクライアントをアップグレードすることはありません。イーサリアムにはそのような状況は存在しません。

本稿では、ビットコインのこの明らかな利点を一時的に無視し、PoW と PoS ネットワークの理論的な攻撃コストに焦点を当てます。理論的には、イーサリアムもビットコインと同様のコンセンサスルールを実行する文化とネットワークを育成することができます。PoS 自体はこれを妨げるものではありませんが、完全に検証されたイーサリアムのフルノードを運用することは、ステークプロセスに関連する署名を検証する必要があるため、より高価です。ある程度、この弱点を無視すると、これが鋼鉄のようなイーサリアムです。

もう一つの解決すべき問題は、以下で概説するいくつかの基本的な攻撃に対して、イーサリアムコミュニティの多くの人々が、コミュニティがコンセンサスルールの変更を通じて攻撃者のステークを没収するだろうと述べていることです。本稿では、ビットコインとイーサリアムの両方がこれを効果的に行うことができないと仮定します。もう一つの考慮事項は、攻撃者が成功裏に強制的に調整し、中央集権化する可能性があることです。これは一部の人々が避けたいと考えることかもしれません。おそらく私たちが考えているのは、将来のことであり、その時点でこれらの二つのプロトコルは硬直化し、重大な分裂を引き起こすことなくプロトコルのルール変更を調整できなくなっているでしょう。

攻撃コスト#

ビットコインの価格が 60,000 ドル、ブロック報酬が 3.125 BTC で、適度な取引手数料を考慮すると、ビットコインマイナーの年収は約 100 億ドルになります。私たちは、これは重要なセキュリティ指標であり、最も重要な単一のセキュリティ指標であると考えています。ビットコインマイナーの年間支出は約 100 億ドルであり、ビットコインを攻撃したい場合は、これに匹敵する必要があります。しかし、これに匹敵するとは具体的に何を意味するのでしょうか？本稿では、レンタルと購入の間で分析を行います。

レンタル#

PoW ネットワークを攻撃する最も安価な方法は、算力をレンタルすることです。理論的には、マイナーの年収が 100 億ドルであれば、彼らの年収をわずかに上回る金額を支払えば、経済的に合理的なマイナーは算力をレンタルすることに同意するでしょう。この仮定は現実的ではないかもしれませんので、マイナーを引き付けるために 20% のプレミアムを支払う必要があると仮定します。つまり、年間 120 億ドルです。もちろん、実際には年間 120 億ドルを支出する必要はなく、算力をレンタルした後は、年間 100 億ドルの収入を得ることができます。したがって、ビットコインの算力全体をレンタルする純コストは年間 20 億ドルに過ぎないと言えます。

さて、もしあなたがエリザベス・ウォーレンであれば、攻撃を開始するためには 51% の算力が必要であり、チェーン上に空のブロックを充満させることができます。一方で、この攻撃が成功した場合、ビットコインの価格が急落することを仮定できます。したがって、この攻撃の純コストは年間 60 億ドル、つまり 20% のプレミアムで半分の算力をレンタルすることになります。

同様の論理はステークにも適用されます。もしイーサリアムの総ステークが年間 30 億ドルの収入をもたらすのであれば、経済的に合理的なステーカーは直接ステークを放棄し、年間 30 億ドルの収入を得ることに同意するはずです。同様に、PoW と同様に、20% のプレミアムが存在すると仮定します。つまり、年間 36 億ドルです。これは、すべてのステークをレンタルする純コストが年間 6 億ドルであることを意味します。あるいは、攻撃を行う場合、もしかしたら 3 分の 1 のステークが必要であり、年間 12 億ドルで PoS ネットワークを完全に停止させることができるかもしれません。

したがって、攻撃の経済的コストを考慮する際の重要な比較指標は、ビットコインの年間 50 億ドルとイーサリアムの年間 12 億ドルです。時価総額を正規化すると、攻撃コストはほぼ同じで、ビットコインはイーサリアムの約 3 倍です。これは完璧な比較ではありませんが、私たちの見解では、同類の比較を試みる際には最良の対比です。もちろん、これには多くの変動要因があり、ビットコインのマイニング収入の持続可能性や、イーサリアムの永久発行との対比が含まれます。しかし、これは必ずしも PoW と PoS の固有の特徴ではなく、理論的には PoW コインも永久発行を持つことができ、また PoS コインも取引手数料から完全にステーク収入を得ることを試みることができます。

このような算力 / ステークのレンタルによる攻撃の実現可能性について、ビットコインプレイヤーとイーサリアムプレイヤーはエリザベス・ウォーレンをそれほど心配する必要はありません。この攻撃はやや非現実的です。実際、攻撃が始まると、資産所有者は自分の算力やステークを取り戻すことができます。資産所有者は、ネットワークが攻撃を受けた場合、資産の価値が下がる可能性を心配するかもしれません。もちろん、この点において、イーサリアムとステークはより有利に見えます。ステークされた ETH の価値は 1000 億ドルで、ビットコインのマイニング資産の価値を上回っています。しかし、この 1000 億ドルの数字は重要ですが、私たちの見解では、ビットコインとの比較において重要な指標ではなく、年収がより重要です。一方で、現在上位にランクされており上場しているビットコインマイナーの時価総額は約 280 億ドルです。これらのマイナーはビットコインの算力の約 3 分の 1 を制御しており、実際には 1000 億ドルの評価のステークされた ETH に非常に近いです。一方で、これらの上場しているビットコインマイナーは「AI への転向」という物語によって過大評価される可能性があります。また、ビットコインの時価総額はイーサリアムの 3 倍以上であることを忘れないでください。したがって、これらの上場しているマイナーを計算に含めても、イーサリアムはこの資産価値指標で少なくとも 3 倍の優位性を持っています。イーサリアムのステーカーは確かにより多くの利害関係を持っており、これは重要であり、年収に次ぐ第二の重要な指標かもしれません。

上記の分析の小さな問題は、非管理型の算力レンタルが比較的簡単であることです。マイナーはインターネット上で借り手に対して何らかの形のハードウェア制御権を提供し（制限付き）、攻撃が発生した際に借り手のアクセス権を取り消すことができます。完全に非管理型の方法でステークをレンタルすることは必ずしも実行可能ではありません。これは利点かもしれません。なぜなら、これによりステーカーはリスクが大きいため、ステークをレンタルすることに対してより消極的になるからです。一方で、これは PoS システムにとっては利点ではありません。もしマイナーが算力をレンタルする方法が簡単に取り消せるのであれば、持続的な攻撃のリスクを心配する必要はありません。もちろん、非管理型のステークサービスにも大きな利点があります。人々はそのようなサービスを構築したいと考えており（イーサリアムの競合製品はそれを構築したと主張しています）、ステークシステム全体をより弾力的にすることを望んでいますが、私たちは、常に多くのリスクが存在しなければならないと考えています。なぜなら、没収リスクが十分に大きくなければ、ステークは意味を持たないからです。

購入と構築#

次のタイプの攻撃は、実際に購入と構築を含みます。マイニングハードウェア、施設、電力を購入するか、ステークを購入することです。まず、ステークを購入することを考えます。

もしエリザベス・ウォーレンの反暗号通貨部門がイーサリアムを攻撃したい場合、彼女は 3 分の 1 の ETH ステークを購入し、ネットワークを閉鎖しようとするかもしれません。現在、3 分の 1 の ETH ステークの価値は 330 億ドルです。もちろん、誰かがこれほど多くの ETH を購入しようとすれば、特にアメリカ政府が関与している場合、価格は急騰しますので、購入コストは 330 億ドルを大きく上回るでしょう。したがって、これは非常に高価な攻撃となり、私たちの見解では、コストは 1000 億ドルに達する可能性があります。攻撃が成功すれば、イーサリアムは当然失敗するかもしれませんが、一部のイーサリアムユーザーはこの過程で富を得るでしょう。この攻撃のエコシステムへの影響は巨大で、イーサリアムの競合トークンの価格は大幅に反発するでしょう。今やイーサリアムは破壊され、投機家はどのトークンがイーサリアムに取って代わるかを特定しようとするでしょう。さらに興味深いのは、投機家がエリザベス・ウォーレンが次にどの PoS トークンに投資するかを予測しようとすることです。したがって、この攻撃は逆効果であり、エリザベス・ウォーレンの目的を達成できない可能性があります。

次に考慮すべきは、対抗者が PoW コインで算力を購入し、51% を達成して空ブロックを生成しようとすることです。51% を達成するには、コストが非常に高く、かなりの時間がかかる可能性があり、数年を要するかもしれません。これには、マイニングハードウェアの購入、マイニング施設の購入、電力の購入、これらの施設を運営しマイニングハードウェアを維持するための人員の雇用が含まれます。重要なのは、新技術が絶えず進化し、新しい施設がオンラインになり、新しい ASIC が製造され、新しいマイニングチップが開発されていることを忘れないことです。対抗者が 51% を達成するためには、チップの研究開発や ASIC の製造に参加し、資金を提供する必要があるかもしれません。上記の多くのプロセスはリスクが高く、実行リスクもかなり大きいです。政府がこれらのリスクと実行を管理する能力と効率は、民間部門よりも劣る可能性があります。したがって、政府は 51% を達成するために民間部門よりも多くの費用をかける必要があるかもしれません。関与する複雑さとリスクのため、政府は民間部門の 2 倍以上の費用をかける必要があるかもしれません。私たちの見解では、これにより数年内のコストが 1000 億ドルに近づく可能性があり、イーサリアムの 3 分の 1 のステークを購入するコストとほぼ同じか、やや低いですが、実行リスクはステークを購入するよりも大きいかもしれません。これは非常に高価です。同様に、これを行うことも逆効果であり、大量のエネルギーの浪費を引き起こし、エリザベス・ウォーレンの表面的な目標とは一致しない可能性があります。もちろん、政府の一つの利点は、民間部門が政府の計画を発見した場合、民間部門は期待される投資収益率が低下するため支出を減らし、攻撃が安くなる可能性があることです。

ここで、PoW システムの重要な要素は、攻撃者が攻撃を維持し続けるために長期間資金を支出する必要がある可能性があるのに対し、PoS システムでは主に一度きりのコストであるということです。ビットコインの過激主義者は、どんな攻撃が終わるのを忍耐強く待つことができます。攻撃者は最終的に算力の制御を失う可能性があり、ネットワークは回復するかもしれません。一方、PoS システムでは、攻撃者が 3 分の 1 のステークを持つと、彼らは永遠にこのチェーンを殺すことができるかもしれません。もちろん、攻撃者の資金を没収するためにハードフォークが行われる可能性もあります。これは、PoW システムがハッシュアルゴリズムを変更するためにハードフォークを行うことができるのと同様です。しかし、コンセンサスルールの変更がないと仮定すると、PoW システムの利点は、攻撃者が攻撃を維持するために継続的にコストを支払う必要があるということです。これは無期限に続くかもしれません。これは、PoW 支持者が PoS システムの重要な弱点と考える現実世界とのアンカーの欠如に関連しています。

没収リスク#

エリザベス・ウォーレンが取ることができるより実行可能な攻撃方法の一つは、力や法的手段を使って 3 分の 1 のステークを没収するか、半分の算力を没収することです。この方法は本稿の議論の範囲外ですが、本稿の焦点はより典型的な攻撃形式の経済コストを探ることです。しかし、何が没収されやすいかは考慮に値します。リスクの観点から、自分の物理的ハードウェアを使用している小規模な自己管理型ステーカーからステークを没収することは、想像に難くありません。ステークを移転することは、私有鍵を移転するのと同じくらい簡単であり、発見されることなく国境を越えて移転することが容易です。これは、輸送中に発見され、押収される可能性のあるマイニングハードウェアとは対照的です。一方、ステークが規制されたカストディサービスを通じて行われている場合、マイニング資産を没収するよりも容易であるように思えます。したがって、根本的に、マイニングの安全性は、マイニング資産が複数の法域に分散しているかどうか、マイニング施設の規模ができるだけ小さいかどうかに依存します。同様に、ステークの安全性は、ユーザーが自己のハードウェアを使用して自主的にステークを行うかどうかに依存します。

もちろん、もしエリザベス・ウォーレンが大部分の算力を没収した場合、これらのマイニング資産は時間とともに劣化し、他の人々がインフラを構築できる可能性があり、ネットワークはいつか回復することができます。対照的に、もし対抗者が 33% のステークを獲得した場合、PoS チェーンは永遠に終わる可能性があります。PoW システムでは、少なくとも攻撃が終わるのを待つ機会があり、過去の負担を取り除き、ネットワークを回復することができます。

結論#

一般的に、PoW ネットワークと PoS ネットワークの攻撃コストを基本的に計算すると、PoS ネットワークの攻撃コストははるかに高いと考えられています。実際、コストの不完全な同類比較を行うと、両者の差は多くの人が予想するよりも小さく、ステークシステムの攻撃コストはわずかに高いだけです。全体として、私たちの論理は次の仮定に基づいています：PoS ネットワークを組織するには 3 分の 1 のステークが必要であり、PoW ネットワークの 50% ではなく、算力を構築し維持することにはステークを構築するよりも多くの実行リスクが伴います。これらの要因を総合すると、市場で大量のトークンを購入する際の高コストが軽減されます。

人々が PoS または PoW システムが古典的な経済攻撃に対する抵抗力をどのように見ているかにかかわらず、これらのネットワークが資源が豊富な国からの攻撃に耐えるためには、マイニング資産とステークの分布が鍵です。 残念ながら、イーサリアムとビットコインはこの点で改善の余地があります。 長期的には、検閲に対する抵抗は、ステークサービスプロバイダーの経済的インセンティブと、世界中の安価で信頼できるエネルギーの分布に依存する可能性があります。

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