ブロックチェーンとは何か？ビットコインを支える革新的なデータ構造を理解する

ブロックチェーンの定義

ブロックチェーンとは、複数のコンピュータシステムに分散されたネットワーク上で、取引データを「ブロック」という単位にまとめ、それらを時系列で連結させたデータ構造のことです。従来のデータベースとは異なり、取引情報はブロックという形で整理され、暗号技術によって鎖状につながれることで、改ざんが極めて困難な情報記録システムを実現しています。

ブロックチェーンという言葉は、文字通り「ブロックの連鎖（チェーン）」を意味します。実は、ビットコインの生みの親であるサトシ・ナカモトは、当初このデータ構造を「タイムチェーン」と呼んでいました。後になって人々が「ブロックチェーン」と呼ぶようになり、今日ではこの名称が定着しています。

ブロックチェーンを実用化した最初の例がビットコインであり、ビットコインはブロックチェーン技術を構成する4つの基盤技術の1つとして活用しています。ブロックチェーンの本質的な目的は、単一の組織や第三者機関に依存せずに取引を検証できる非中央集権的なシステムを実現することにあります。これによって、改ざんや不正操作から守られた情報記録が可能になり、誰も信頼する必要のない「トラストレス」なシステムが生まれました。

ブロックチェーンの仕組み

ブロックチェーンは、三式簿記の考え方を応用したものです。これは、銀行やクリアリングハウスのような中央集権的な機関に頼らず、取引を検証する仕組みです。誰でも記録のコピーを保有できるデジタル台帳と考えてください。ただし、誰も単独でその内容を変更することはできません。

銀行があなたの財務記録を独占的に管理するのとは対照的に、ブロックチェーンはこの役割をネットワーク全体に分散させます。つまり、単一の中央機関を信頼する代わりに、取引を透明に検証・記録する集団的なシステムに依拠することになります。これは、単一の管理者による検証から、ネットワーク参加者全体による検証への大きな転換です。

実際の動作を見てみましょう。ネットワーク上で行われた取引は、まず参加者全体にブロードキャストされます。その後、複数の取引がまとめられて1つのブロックを形成します。このブロックは、ビットコインでは一般的に「マイナー」と呼ばれる特定のネットワーク参加者によって検証プロセスにかけられます。

各ブロックには、単に取引データが含まれているだけではありません。「ハッシュ」と呼ばれる固有のコードと、前のブロックのハッシュも保持しています。この構造により、一度記録された取引を変更するには、その後に続くすべてのブロックのデータも修正しなければならず、これにはネットワークの過半数の承認が必要になります。こうした仕組みが、ブロックチェーンの改ざん耐性を生み出しています。

従来の金融システムとの違い

ブロックチェーンがビットコインをどのように支えているかを理解するには、まず通常の送金方法を考えてみましょう。

銀行を通じて送金する場合、銀行は内部台帳を更新し、あなたの口座から資金を引き落とし、受取人の口座に追加します。別の銀行に送金する場合は、複数の機関がそれぞれの記録を照合する必要があり、多くの場合、遅延が生じます。

ビットコインは、この複雑で時間のかかるシステムを必要としません。代わりに、取引はマイナーにブロードキャストされ、検証され、ブロックチェーン上に永続的に記録されます。これによってビットコインは、公開性、監査可能性、不可逆性を実現しています。

ビットコインのブロックチェーンは完全に公開された台帳です。インターネット接続があれば、誰でも多数の「ブロックエクスプローラー」にアクセスして供給量を監査し、どのアドレスがどれだけのビットコインを所有しているかを確認できます。より技術的なユーザーは、自分自身でビットコインノードを運用し、ウェブサイトを信頼することなく直接任意のブロックを検証できます。

ブロックチェーンの歴史

ブロックチェーン技術の起源は、20世紀後半の暗号学研究にさかのぼります。

1979年、ラルフ・マークルが博士論文「Secrecy, Authentication, and Public Key Systems」で、後にマークルツリーと呼ばれるようになる概念を紹介しました。この概念は、効率的で安全なデータ検証を可能にするものでした。

1982年、最初のデジタル通貨の開発者であるデイビッド・チャウムが、互いに信頼できない複数のグループが、コンピュータシステムを安全に運用するための仕組みを説明する論文を発表しました。これはブロックチェーンに似たプロトコルの最初の提案として知られています。ビットコインのホワイトペーパーで説明されているブロックチェーンのほぼすべての側面を提案していましたが、1つだけ欠けていたものがありました。それがプルーフ・オブ・ワーク（PoW）です。

1991年、スチュアート・ハーバーとW・スコット・ストルネッタが、デジタル文書にタイムスタンプを付与する方法に関する論文を発表しました。この論文は、ユーザーが電子文書の日時を改ざんして遡らせたり進めたりするのを防ぐソリューションを提案していました。その後、マークルツリーを組み込んだ更新版も発表されました。

1990年代半ば、インターネットの商用利用が拡大するにつれて、スパムメールが蔓延し始めました。アダム・バックは、ハッシュベースのプルーフ・オブ・ワークアルゴリズムである「Hashcash」を作成しました。これは、計算に選択可能な量の作業を必要とし、大量のメールをほとんどコストをかけずに送信することに依存するスパム業者にとってコストがかかる仕組みでした。

そして2008年10月31日、サトシ・ナカモトがビットコインのホワイトペーパーを公開しました。このホワイトペーパーでは、ビットコインとブロックチェーン技術の根幹となる概念が詳細に説明されていました。サトシの革新は、暗号学的セキュリティと非中央集権的なプルーフ・オブ・ワークのコンセンサスメカニズムを組み合わせ、初めて実用化されたブロックチェーンを作り出したことです。プルーフ・オブ・ワーク（ビットコインマイニングの重要な構成要素）を他の多くの要素に追加したことで、デジタル通貨台帳として最初の不変なブロックチェーンが提案されました。

ビットコインの登場から約15年が経過した今日、様々なタイプのブロックチェーン上で動作する暗号通貨は3万種類以上存在し、暗号通貨として使用されない多くのパブリック、プライベート、コンソーシアム型のブロックチェーンも存在します。

ブロックチェーンを支える技術要素

ブロックチェーンは、複数の技術要素が組み合わさって機能しています。

P2Pネットワークと分散台帳 参加者が仲介者なしで直接通信する非中央集権的なフレームワークであり、様々な場所で共同してデータベースを維持します。

インフラストラクチャ ブロックチェーンネットワークを支える物理的なハードウェアとシステム。これにはノード、マイナー、冷却システムなどが含まれます。

ブロックとブロック時間 固有の識別子（ハッシュ）を持つデータのまとまりであり、前のブロックにリンクされています。

暗号化技術 データを保護し、取引を認証するために使用される暗号化手法です。様々なブロックチェーンで使用される暗号化アルゴリズムには、SHA-256（ビットコインで使用されることで広く知られている）、SHA-3（セキュリティを強化したSHA-256の進化版）、Scrypt（ライトコインなどの暗号通貨で使用される、計算負荷の高い設計）などがあります。

価値トークン ブロックチェーンネットワーク上での所有権または価値のデジタル表現です。

コンセンサスメカニズム ノードが合意に達して取引を検証し、ブロックチェーンに組み込む方法を決定する、極めて重要な役割を果たします。

コンセンサスメカニズムの詳細

コンセンサスメカニズムとは、分散したコンピュータ同士がネットワークの状態について合意する方法です。これは、信頼関係のない参加者同士のネットワークで信頼性を実現するために行われます。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW） ネットワーク上の参加者（検証者）に対して、ある参加者が一定の計算作業を行ったことを証明する暗号技術です。これは、ビットコインマイニングで使用されるコンセンサスメカニズムであり、ネットワーク上のブロックの順序を決定し、保護します。

ネットワーク上の各ブロックは前のブロックを参照しており、これによって時系列でブロックが配置されます。ブロック内の各取引は同時に発生したとみなされ、まだブロックに入れられていない取引は「未確認」と見なされます。

マイナーは未確認の取引のセットを取り、それらをブロックに整理し、チェーン内の次のブロックの提案としてネットワークにブロードキャストします。しかし、世界中のすべてのマイナーが同じことをしています。ネットワークはどのブロックを含めるべきかをどのように決定するのでしょうか？

ここでPoWが必要になります。各有効なブロックには、数学的問題の答えが含まれていなければなりません。マイナーは、ブロックのテキスト全体と追加のランダムな推測値（nonce）を、SHA-256と呼ばれる暗号化ハッシュを通じて実行し、出力が特定の値（ターゲット）を下回るまで繰り返します。出力は完全に予測不可能なので、正しい値を見つける唯一の方法はランダムな推測を繰り返すことです。

本記事執筆時点で、ビットコインネットワークは毎秒373エクサハッシュを生成しています。これは、ネットワーク全体が10分ごとに、チェーン内の次のブロックを解決してマイニング報酬を受け取るため、数学的な競争に参加しながら毎秒373兆の5乗回の推測を行っているのと同じです。この数字がどれほど大きいかイメージするために、宇宙が始まった瞬間から373兆の5乗秒を数え始めたとしたら、終了するまでに西暦11,922,881,785,984年になるでしょう。

そのため、マイナーが正しい値を見つけてチェーンの最後に次のブロックを追加したとき、そのマイナーが値を見つけるために必要な「作業」を完了したことがわかります。PoWコンセンサスメカニズムは、15年にわたってビットコインブロックチェーン上で数十億の取引を検証し、これまでに作られた最も安全で非中央集権的なネットワークとしての正当性と信頼性を維持してきました。

プルーフ・オブ・ステーク（PoS） ほとんどのブロックチェーンネットワークで使用されるコンセンサスメカニズムであり、PoWの代替として作られました。目的は同じで、信頼関係のない参加者同士のネットワークでコンセンサスを達成することです。PoWとは異なり、マイナーは関与しません。

代わりに、ネットワーク取引の検証とブロックの作成に関与したいネットワークの参加者は、ネットワークに一定量を保有する必要があります。たとえば、ブロックチェーンに接続されたウォレットにネットワークの通貨やトークンを一定量預け入れる必要があります。このプロセスは「ステーキング」と呼ばれます。

取引のブロックが処理される準備ができると、暗号通貨のプロトコルがバリデーターを選択してブロックをレビューします。バリデーターはブロック内の取引が完全に正確かどうかをチェックし、チェックに合格すればブロックがブロックチェーンに追加されます。その見返りとして、バリデーターは貢献に対して暗号通貨トークンを報酬として受け取ります。ただし、バリデーターが不正確な情報を含むブロックを提案した場合、ペナルティとしてステークしたトークンの一部を失います。

ブロックチェーンの主な特性

ブロックチェーン技術は、従来のデジタルシステムにはない特徴で注目されています。ただし、すべてのブロックチェーンがこれらの特性を同じ程度に実現しているわけではないことを理解する必要があります。実際、ビットコインはこれらの特徴を支持する主要なブロックチェーンとして際立っています。その理由の大部分は、検証プロセスの中核で激しい競争を促進するプルーフ・オブ・ワークメカニズムにあります。

非中央集権性と透明性 ブロックチェーンの最大の魅力は、透明で改ざん耐性のある取引を可能にする非中央集権的な性質です。非中央集権性は、単一の組織がネットワーク全体を制御できないことを保証します。

ビットコインのブロックチェーンは分散されており、単一の中央拠点ではなく、世界中の数万台のコンピュータに保存・維持されています。台帳は公開されており、誰でも自由にアクセスできるため、これが検閲されたり改ざんされたりしないことをどのように保証するのでしょうか？

ビットコインのコードベースがオープンソースであるのはこのためです。誰でもビットコインブロックチェーンのコピーをダウンロードしてフルノードを実行できるため、第三者を信頼することなく取引履歴を確認できます。さらに、ノードを実行することで、自らネットワークのルールに従って検証できます。

不変性 不変性はビットコインの設計の核心です。世界中で非常に多くの組織がビットコインソフトウェアを実行しているため、ネットワーク上の他のノードと相互作用するには同じバージョンのコードを実行しなければならず、これによってビットコインは変更が非常に困難になっています。

一度ブロックチェーンに記録された取引は、ほぼ変更不可能です。この不変性は主にPoWメカニズムによって保証されており、取引を検証するために相当な計算能力を必要とします。必要なエネルギーとリソースが膨大なため、ネットワークの計算能力の大部分を制御しない限り、個人やグループが過去のデータを修正することは事実上不可能です。

検閲耐性 ブロックチェーンの重要な強みとしてよく挙げられる検閲耐性は、中央機関からの干渉なしに取引が処理されることを保証します。実際には、PoWブロックチェーン、主にビットコインだけが、この特性を長期的に真に維持できます。

国境を越えた取引 ブロックチェーンは地理的な制限を超越します。世界のどこからでも誰でも参加できるプラットフォームを提供し、真にグローバルなシステムとなっています。

セキュリティ セキュリティはブロックチェーンシステムの基盤です。PoWを基盤とするビットコインは、この側面を重視しています。ブロックチェーンを侵害するために必要な膨大な計算能力により、攻撃はコストが高く、起こりにくくなっています。

信頼不要のシステム 信頼を醸成するために仲介者に依存する従来のシステムとは異なり、ブロックチェーンは信頼不要のモデルで動作します。ユーザーは単一の組織に信頼を置くのではなく、システムの堅牢な暗号化とコンセンサスメカニズムに信頼を置きます。

ブロックチェーンの種類

パブリックブロックチェーン 非中央集権的であるために、パブリックブロックチェーンはオープンです。アクセスに制限はなく、良好なハードウェアを備えたコンピュータとインターネット接続があれば、誰でもネットワークに参加でき、取引や記録の検証プロセスにも参加できます。ビットコインはパブリックブロックチェーンです。

プライベートブロックチェーン これらのブロックチェーンは非中央集権的ではなく、完全に中央集権化され、単一の組織によって制御されている場合さえあります。選ばれたノードのみがプロセスに参加でき、パブリックブロックチェーンよりも制限的です。通常、クローズドネットワークで動作し、特定のユーザーやグループのみがブロックチェーンを使用できます。

コンソーシアムブロックチェーン 組織の課題に対応する仕組みです。このブロックチェーンは取引を検証し、取引を開始または受信します。これは、既知の参加者が少ない種類のネットワークです。遅延が少なく高速な処理を実現するために投票ベースのシステムを使用します。各ノードは取引を書き込むことができますが、単独でブロックを追加することはできません。一方、他のノードによって追加された各ブロックは、ネットワークに追加される前に検証される必要があります。

パーミッション型ブロックチェーン これらは、参加するためにアクセス権が必要なブロックチェーンです。これらのブロックチェーンタイプでは、制御レイヤーがブロックチェーンの上に位置し、アクセス権を与えられた参加者によって実行される行動を管理します。一部は、ネットワーク上の特定の活動のみを実行するための特別で指定された権限を与えます。

実用例と応用分野

ブロックチェーンは第三者の仲介者なしでデータを直接転送できるため、ブロックチェーンの主な使用例は通貨です。最も注目すべきはビットコインですが、他にも特定の暗号通貨、ステーブルコイン、中央銀行デジタル通貨（CBDC）などがあります。

長年にわたって、多くの人々がサプライチェーン追跡、デジタルアイデンティティ、ヘルスケア、さらには投票システムなど、産業全体にわたる応用を持つ革命的な技術としてブロックチェーンを宣伝してきました。これらの実験は進行中ですが、今日ブロックチェーン技術の最も実証された使用例はビットコインです。

ビットコインのブロックチェーンは、政府、中央銀行、仲介者の管理外で動作する健全な通貨を提供します。他の企業向けブロックチェーンとは異なり、ビットコインは信頼できる第三者を必要とせずに、10年以上にわたって数兆ドルの価値を確保することに成功してきました。

ブロックチェーンの課題と限界

ビットコインのブロックチェーンは最も安全で非中央集権的な通貨ネットワークであることが証明されていますが、課題がないわけではありません。批評家はしばしばスケーラビリティ、エネルギー消費、プライバシーの懸念を欠点として指摘します。ただし、ライトニングネットワークなどの進行中の進歩は、効率性と使いやすさを向上させ続けています。

スケーラビリティと取引速度 ビットコインのブロックチェーンはセキュリティと非中央集権性を重視して設計されていますが、これは取引速度を犠牲にしています。ネットワークは1秒あたり数件の取引しか処理できません。

これに対処するため、ライトニングネットワークなどの第2層ソリューションが登場しています。ライトニングネットワークは、支払いをオフチェーンで決済してからビットコインブロックチェーン上で最終化することで、即座で低コストの取引を可能にします。これによって、ビットコインの非中央集権的で信頼不要な性質を維持しながら、スケーラビリティが向上します。

エネルギー消費とプルーフ・オブ・ワーク ビットコインのプルーフ・オブ・ワークコンセンサスメカニズムは、取引を検証するためにマイナーが複雑な計算を実行することを要求するため、高いエネルギー消費に関する懸念が生じています。しかし、ビットコインのエネルギー使用に関する議論は、しばしば重要なポイントを無視しています。

ビットコインマイニングは、マイナーが安価な電力を探すため、再生可能エネルギーによって増加しています。また、ビットコインはエネルギー革新を促進します。余った電力や使われていない電力をマイニングで活用でき、グリッドの効率を改善できます。

プライバシーの制限 ビットコインの取引は安全で透明ですが、完全にプライベートではありません。すべての取引は公開台帳に記録されるため、ブロックチェーン分析企業が資金の動きを追跡できます。現金とは異なり、ビットコインは匿名ではなく仮名です。CoinJoinやTaprootなどのプライバシー強化ソリューションは、ビットコインのプライバシーと代替可能性を向上させます。

ブロックチェーントリレンマ

ブロックチェーントリレンマは、ブロックチェーンネットワークが直面する基本的な課題であり、スケーラビリティ、非中央集権性、セキュリティという3つの中核的な属性のうち2つを優先せざるを得なくなります。トリレンマは、3つの属性すべてを同時に達成することは不可能であることを示唆しています。

ビットコインはセキュリティと非中央集権性を優先し、スケーラビリティを第2層ソリューション（レイヤー2ソリューション）に委ねています。逆に、ほとんどのブロックチェーンネットワークはセキュリティを犠牲にしてスケーラビリティを選択しました。この選択は、攻撃への脆弱性、不変性の喪失、財産権の減少、そして徐々に進む中央集権化を含む脆弱性につながります。

ビットコイン vs ブロックチェーン

ビットコインは最初のデジタル通貨ではありませんでしたが、信頼の必要性を排除した最初のデジタル通貨でした。これは、ビットコインを可能にする多くの要素を通じて実現されました。その多くはビットコインより数十年前に存在していました。ビットコインは、何十年にもわたる作業と個々の要素の集大成であり、それがビットコインを現在のものにしています。

ビットコインはそのコード、コミュニティ、ノード、マイナー、ブロックサイズ、コンセンサスアルゴリズム、または歴史だけではありません。これらすべてを組み合わせたもの、そしてそれ以上のものです。

ブロックチェーンの目的は、中央機関や取引相手に信頼を置くことなく取引を検証できるように非中央集権化を実現することであることを考えると、このデータの記録と構造化の方法を使用する唯一の合理的な理由は、通貨台帳としてです。

価値トークンを持たないブロックチェーンは、通常、中央機関を持つプライベートブロックチェーンまたはパーミッション型ブロックチェーンです。ここでの問題は、それがブロックチェーンの目的、つまり非中央集権化の実現に適合しないことです。中央制御されたデータベースを使用する方がはるかに効率的な方法であるにもかかわらず、この方法でデータを構造化する理由は、「ブロックチェーン」を取り巻く誇大宣伝を利用することだけだと推測できます。

ブロックチェーンが非中央集権化を実現するには、それを可能にするいくつかの重要な構成要素があります。ネットワークのセキュリティに不可欠な価値トークンを持つことなどです。信頼関係のない参加者同士のネットワークで非中央集権化を実現するには、ネットワークの制御を放棄することなく取引を検証できる必要があります。

検証プロセスを非中央集権化する最良の方法は、競争に依存するコンセンサスアルゴリズムです。競争を行うには、リスクと報酬が必要です。意味のある報酬を得るには、マイナーや検証者が獲得しようとしている価値のあるものが必要であり、それが彼らを正直に行動させ続けます。

価値トークンがなければ、競争の基盤がありません。競争の基盤がなければ、正直に行動するインセンティブが取り除かれたため、セキュリティがありません。セキュリティがなければ、検証を中央集権的に制御する必要があり、信頼関係のない参加者同士のネットワークに信頼の層が導入され、非中央集権化がないことを意味します。非中央集権化がなければ、必要がないときにブロックチェーンを使用していることになり、中央集権化されたデータベースの方がはるかに効率的です。

すべてのブロックチェーンは本質的に通貨として競争しています。すべての通貨は競争的なネットワーク効果の対象であり、通貨はその通貨的特性に基づいて1つに収束する傾向があります。それは負け戦です。なぜなら、ビットコインがすでに勝利しているからです。