ビットコインの取引記録と公開台帳の仕組み
はじめに
ビットコインは、2008年にサトシ・ナカモトと名乗る人物（またはグループ）によって考案された、分散型暗号通貨です。中央銀行のような中央機関に依存せず、ピアツーピアネットワーク上で取引が行われます。ビットコインの根幹をなす技術の一つが、取引記録を記録し、検証するための公開台帳、すなわちブロックチェーンです。本稿では、ビットコインの取引記録の仕組みと、それを支える公開台帳の構造について、詳細に解説します。
1. ビットコインの取引の仕組み
ビットコインの取引は、デジタル署名によって認証されます。これは、取引の発信者が自身の秘密鍵を用いて取引に署名することで、取引の正当性を保証するものです。秘密鍵は、公開鍵とペアをなしており、公開鍵は取引の受信者が発信者の身元を確認するために使用されます。取引の内容は、以下の要素を含みます。
- 入力 (Input): 以前の取引から受け取ったビットコインを参照する情報。
- 出力 (Output): 受け取る側のビットコインアドレスと、送金額。
- 署名 (Signature): 発信者の秘密鍵によるデジタル署名。
取引は、ネットワーク上のノードにブロードキャストされ、検証されます。検証には、以下の点が確認されます。
- 入力が有効であること（二重支払いを防ぐため）。
- 署名が正しいこと（発信者が秘密鍵を持っていることを確認するため）。
- 送金額が入力の合計を超えていないこと。
2. ブロックチェーンの構造
検証された取引は、ブロックと呼ばれる単位にまとめられます。ブロックは、以下の要素を含みます。
- ブロックヘッダー: ブロックに関するメタデータ（ブロックのバージョン、前のブロックのハッシュ値、タイムスタンプ、難易度目標、ノンスなど）。
- 取引データ: 検証された取引のリスト。
ブロックヘッダーに含まれる「前のブロックのハッシュ値」は、前のブロックの情報を指し示すものであり、これがブロックチェーンを連鎖させる役割を果たします。ハッシュ値は、ブロックの内容から計算される一意の値であり、内容が少しでも異なるとハッシュ値も変化します。この性質を利用することで、ブロックチェーンの改ざんを検知することが可能になります。
2.1. ハッシュ関数
ブロックチェーンで使用されるハッシュ関数は、SHA-256と呼ばれることが多いです。SHA-256は、入力データを受け取り、固定長のハッシュ値を生成する関数です。SHA-256は、以下の特徴を持ちます。
- 一方向性: ハッシュ値から元のデータを復元することは極めて困難です。
- 衝突耐性: 異なる入力データから同じハッシュ値が生成される可能性は極めて低いです。
- 決定性: 同じ入力データからは常に同じハッシュ値が生成されます。
2.2. マージツリー (Merkle Tree)
ブロック内の取引データは、マージツリーと呼ばれるデータ構造を用いて効率的にまとめられます。マージツリーは、以下の手順で構築されます。
- 各取引のハッシュ値を計算します。
- 隣り合う取引のハッシュ値をペアにして、それらを連結したハッシュ値を計算します。
- この手順を繰り返して、最終的にルートハッシュと呼ばれる一つのハッシュ値を生成します。
ルートハッシュは、ブロックヘッダーに含まれており、ブロック内の取引データの整合性を保証する役割を果たします。マージツリーを使用することで、ブロック内の特定の取引の存在を効率的に検証することができます。
3. マイニングとコンセンサス
新しいブロックをブロックチェーンに追加するには、マイニングと呼ばれるプロセスが必要です。マイニングは、ネットワーク上のノード（マイナー）が、特定の条件を満たすハッシュ値を持つブロックヘッダーを見つける作業です。この条件は、難易度目標と呼ばれるものであり、ネットワーク全体のハッシュレートに応じて調整されます。難易度目標が高いほど、条件を満たすハッシュ値を見つけるのが難しくなります。
マイナーは、ブロックヘッダーのノンス値を変更しながら、ハッシュ関数を繰り返し実行し、条件を満たすハッシュ値を探します。最初に条件を満たすハッシュ値を見つけたマイナーは、新しいブロックをネットワークにブロードキャストし、そのブロックをブロックチェーンに追加する権利を得ます。ブロックを追加したマイナーには、取引手数料と、新たに発行されたビットコインが報酬として与えられます。
3.1. Proof-of-Work (PoW)
ビットコインで使用されているコンセンサスアルゴリズムは、Proof-of-Work (PoW) と呼ばれます。PoWは、マイナーが計算資源を投入して問題を解決することで、ブロックチェーンのセキュリティを維持する仕組みです。PoWの主な特徴は、以下の通りです。
- 計算コスト: ハッシュ値を見つけるためには、大量の計算資源が必要です。
- 改ざん耐性: ブロックチェーンを改ざんするには、それ以降のすべてのブロックを再計算する必要があり、現実的に不可能です。
- 分散性: 誰でもマイニングに参加できるため、中央集権的な権力を持つ主体が存在しません。
3.2. 51%攻撃
PoWの脆弱性の一つとして、51%攻撃が挙げられます。51%攻撃とは、ネットワーク全体のハッシュレートの51%以上を掌握した攻撃者が、自身の取引を不正に承認したり、他のユーザーの取引を拒否したりする攻撃です。しかし、51%攻撃を実行するには、莫大な計算資源が必要であり、現実的には非常に困難です。
4. 公開台帳としてのブロックチェーン
ブロックチェーンは、すべての取引記録が公開されているため、透明性が高いという特徴があります。誰でもブロックチェーンのデータを閲覧し、取引の履歴を確認することができます。ただし、取引の当事者の身元は、ビットコインアドレスによって隠蔽されています。ブロックチェーンエクスプローラーと呼ばれるツールを使用することで、ブロックチェーンのデータを視覚的に確認することができます。
4.1. ブロックチェーンの応用
ブロックチェーンの技術は、ビットコイン以外にも様々な分野に応用されています。例えば、サプライチェーン管理、デジタルID、投票システム、著作権管理などです。ブロックチェーンの透明性、セキュリティ、分散性といった特徴は、これらの分野における課題解決に役立つ可能性があります。
5. スケーラビリティ問題
ビットコインのブロックチェーンは、10分間に約7件の取引しか処理できないというスケーラビリティ問題を抱えています。これは、ブロックサイズが制限されているためです。スケーラビリティ問題を解決するために、様々な提案がなされています。例えば、ブロックサイズの拡大、セグウィット (SegWit) の導入、ライトニングネットワークの構築などです。
まとめ
ビットコインの取引記録は、ブロックチェーンと呼ばれる公開台帳に記録されます。ブロックチェーンは、ハッシュ関数、マージツリー、PoWなどの技術を用いて、セキュリティと整合性を確保しています。ビットコインの取引は、デジタル署名によって認証され、ネットワーク上のノードによって検証されます。ブロックチェーンは、透明性が高く、改ざんが困難であるため、様々な分野への応用が期待されています。しかし、スケーラビリティ問題は、ビットコインの普及を妨げる要因の一つであり、解決策の模索が続けられています。ビットコインの仕組みを理解することは、暗号通貨の未来を考える上で不可欠です。
