最速解説！ビットコインのトランザクション承認の仕組み

ビットコインは、中央銀行のような管理主体が存在しない、分散型のデジタル通貨です。その安全性と信頼性は、巧妙に設計されたトランザクション承認の仕組みによって支えられています。本稿では、ビットコインのトランザクションがどのように承認され、ブロックチェーンに記録されるのか、その詳細なプロセスを解説します。

1. トランザクションの生成とブロードキャスト

ビットコインのトランザクションは、あるアドレスから別の住所への価値の移動を意味します。トランザクションを生成するには、送信者は以下の情報を提供する必要があります。

• 入力 (Inputs): 送信者が過去のトランザクションから受け取った未使用のトランザクション出力 (UTXO) を指定します。
• 出力 (Outputs): 受信者のアドレスと、そのアドレスに送信するビットコインの量 (金額) を指定します。
• 署名 (Signature): 送信者の秘密鍵を使用してトランザクションに署名し、所有権を証明します。

トランザクションが生成されると、ビットコインネットワークにブロードキャストされます。これは、トランザクションをネットワーク上の多数のノードに送信することを意味します。

2. メモリプール (Mempool)

ブロードキャストされたトランザクションは、ネットワーク上の各ノードのメモリプール (Mempool) に一時的に保存されます。メモリプールは、未承認のトランザクションの集合体であり、マイナーがブロックに含めるトランザクションを選択する際の候補となります。

トランザクションがメモリプールに保存される際、ノードはトランザクションの有効性を検証します。検証には、以下の項目が含まれます。

• 署名の検証: 送信者の署名が有効であり、トランザクションの入力に対応するUTXOの所有者であることを確認します。
• 二重支払いの防止: 同じUTXOが複数のトランザクションで使用されていないことを確認します。
• トランザクションの形式: トランザクションの形式がビットコインのプロトコルに準拠していることを確認します。

無効なトランザクションはメモリプールから破棄されます。

3. マイニングとブロックの生成

トランザクションを承認し、ブロックチェーンに記録する役割を担うのがマイナーです。マイナーは、複雑な計算問題を解くことで、新しいブロックを生成します。このプロセスをマイニングと呼びます。

マイニングのプロセスは、以下のステップで構成されます。

• トランザクションの選択: マイナーは、メモリプールから承認可能なトランザクションを選択し、ブロックに含めます。通常、マイナーは、トランザクション手数料の高いトランザクションを優先的に選択します。
• ブロックヘッダーの作成: マイナーは、ブロックヘッダーを作成します。ブロックヘッダーには、以下の情報が含まれます。
• バージョン: ブロックのバージョン番号。
• 前のブロックのハッシュ値: 前のブロックのハッシュ値を指し、ブロックチェーンの連鎖を維持します。
• Merkle Root: ブロックに含まれるトランザクションのハッシュ値をまとめたMerkleツリーのルートハッシュ。
• タイムスタンプ: ブロックが生成された時刻。
• 難易度ターゲット: マイニングの難易度を示す値。
• Nonce: マイナーが調整する値。
• ハッシュ値の計算: マイナーは、ブロックヘッダーのハッシュ値を計算します。
• 難易度ターゲットとの比較: 計算されたハッシュ値が、難易度ターゲットよりも小さいかどうかを比較します。
• Nonceの調整: ハッシュ値が難易度ターゲットよりも大きい場合、マイナーはNonceの値を変更し、再度ハッシュ値を計算します。このプロセスを繰り返すことで、難易度ターゲットよりも小さいハッシュ値を見つけようとします。

難易度ターゲットよりも小さいハッシュ値を見つけたマイナーは、新しいブロックを生成し、ネットワークにブロードキャストします。

4. ブロックの検証とブロックチェーンへの追加

新しいブロックがブロードキャストされると、ネットワーク上の他のノードは、そのブロックの有効性を検証します。検証には、以下の項目が含まれます。

• ブロックヘッダーの検証: ブロックヘッダーの形式が正しいこと、前のブロックのハッシュ値が正しいこと、タイムスタンプが有効であることを確認します。
• トランザクションの検証: ブロックに含まれるトランザクションが有効であることを確認します。
• PoW (Proof of Work) の検証: マイナーが正当なPoWを行ったことを確認します。

ブロックが有効であると判断された場合、ノードはブロックを自身のブロックチェーンに追加します。ブロックチェーンは、過去のすべてのブロックを連鎖的に記録したものであり、ビットコインの取引履歴全体を構成します。

5. コンセンサスとフォーク

ビットコインネットワークは、分散型のコンセンサスアルゴリズム (Proof of Work) を使用して、ブロックチェーンの整合性を維持します。コンセンサスアルゴリズムは、ネットワーク上のすべてのノードが、ブロックチェーンの単一のバージョンに合意することを保証します。

しかし、ネットワーク上で複数のマイナーがほぼ同時に新しいブロックを生成した場合、一時的にブロックチェーンが分岐する現象が発生することがあります。これをフォークと呼びます。

フォークが発生した場合、ネットワーク上のノードは、最も長いブロックチェーン (最も多くのブロックを持つチェーン) を採用します。最も長いブロックチェーンは、最も多くの計算リソースが投入されたチェーンであると考えられ、より信頼性が高いと見なされます。

6. トランザクション承認の確認

トランザクションが承認されたかどうかを確認するには、トランザクションID (TxID) を使用して、ブロックチェーンエクスプローラーでトランザクションを検索します。トランザクションがブロックチェーンに記録されている場合、トランザクションは承認されたことになります。

一般的に、トランザクションが承認されるまでには、6つのブロックが追加される必要があります。これは、6コンファームと呼ばれ、トランザクションの安全性を高めるために推奨されます。

まとめ

ビットコインのトランザクション承認の仕組みは、分散型ネットワーク、メモリプール、マイニング、ブロックチェーン、コンセンサスアルゴリズムなどの要素が複雑に組み合わさって構成されています。この仕組みによって、ビットコインは中央管理者の介入なしに、安全かつ信頼性の高い取引を実現しています。ビットコインのトランザクション承認の仕組みを理解することは、ビットコインの技術的な基盤を理解する上で不可欠です。