ブロックチェーンの仕組み

先に読み進める前に、上記のチェーンを見てください。それぞれのブロックは自分自身の内容の短い指紋（ハッシュ）を保存しており、さらに一つ前のブロックのハッシュも保存しています。これこそが、ブロック同士をつなげてチェーンにしている仕組みです。ブロック2を改ざんすると、その指紋が変わってしまい、ブロック3とブロック4はもはや自分の前のブロックと一致しなくなり、壊れていることが表示されます。ここで、これまでに行われたすべての支払いを記録した一冊の巨大なノートを思い浮かべ、何千台ものコンピューターがそれぞれ同一のコピーを保持している様子を想像してください。どの銀行もマスター版を所有しておらず、誰か一人がそこに手を伸ばして一行を書き換えることもできず、誰もが自分のコピーが他の全員のものと一致しているかを確認できます。それがブロックチェーンです。名前はそのままの意味を表しています。ブロックの連鎖であり、それぞれのブロックは取引のまとまりであり、ブロック同士が順番につながっています。理解するためにプログラミングの知識は必要ありません。必要なのは、偽造が非常に難しい共有ノートという明確なイメージだけです。このモジュールでは、そのイメージを一歩ずつ組み立てていきます。

共有され、追記だけができる記録

まずはこのノートから始めましょう。一つの銀行がそれを保有するのではなく、何千台ものコンピューター（ノードと呼ばれます）が、それぞれ自分の最新版のコピーを保持します。これが「分散」という言葉の意味であり、それによって2つの利点が得られます。

第一に、ハッキングや押収、紛失の対象となる単一のコピーが存在しません。あるノードがオフラインになっても、記録は他のすべてのマシン上に生き続けるため、攻撃すべき中心が存在しないのです。

第二に、この記録は追記専用です。末尾に新しい項目を追加することはできますが、古い項目をこっそり消去したり書き換えたりすることはできません。なぜなら、他のすべてのコピーが即座にあなたと食い違ってしまうからです。ブロックチェーンが共有された真実の源と呼ばれるのはこのためです。一つの権威がそれを保証しているからではなく、何千もの独立したコピーが合意しなければならないからです。

ブロックはどうやってチェーンにつながるのか

新しい取引はまとめて集められ、ブロックにひとまとめにされます。ネットワークがそのブロックを受け入れる前に、ルールに照らしてブロックが検証されます。コインは本物か、送信者は本当にそれを所有しているか、署名は有効か、といった点です。それを通過して初めて、そのブロックはチェーンの末尾に追加されます。

巧妙なのは、あるブロックが次のブロックとどうつながるかという部分です。すべてのブロックは、その内容をハッシュにかけます。これは任意のデータを短い固定長の指紋に変換する数学的な関数です。それぞれの新しいブロックは、その直前のブロックの指紋を保存します。つまりブロック100はブロック99の指紋を持ち、ブロック99はブロック98の指紋を持ち、その参照は最初のブロックまでずっとさかのぼってつながっています。ブロック同士はこれらの指紋によって連結されており、その連結こそが、履歴全体を改ざん検知可能にしているものです（その理由はこの後すぐに説明します）。

次のブロックを決めるのは誰か

誰も責任者がいないとしたら、何千ものノードはどうやって次のブロックについて合意するのでしょうか。彼らはコンセンサスメカニズム、つまり誰が次のブロックを追加できるかを決めるための共有のルールブックに従います。最もよく耳にする2つが、プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークです。

プルーフ・オブ・ワーク（ビットコインで採用）では、マイナーと呼ばれる特別なノードが、難しい数学的パズルを解くことを競い合います。パズルを解くには実際の電力と計算能力が必要で、最初に解いたノードが次のブロックを追加し、報酬を受け取る権利を得ます。

プルーフ・オブ・ステーク（2022年以降のイーサリアムで採用）には、パズルの競争はありません。代わりにバリデーターが、ステークと呼ばれる自己資金の一部を担保としてロックし、システムは部分的にランダムに、また部分的にはステークの大きさに応じて、次のブロックを追加する者を選びます。不正が発覚した者は、そのステークを没収されることがあります。

どちらの方式も、中央の管理者なしに正直な合意に達するという同じ目標に、同じ工夫で到達しています。それは、不正行為のコストを高くつくようにするという工夫です。

なぜこの記録はこれほど偽造しにくいのか

ブロックチェーンを非常に改ざんしにくくしている要素が、3つ積み重なっています。

• ハッシュによる連結。 過去の取引を一件でも変更すると、そのブロックの指紋が変わり、それ以降のすべてのブロックにある参照が壊れます。改ざんは隠れるどころか、表面化します。
• 分散されたコピー。 偽造したバージョンは、何千もの正直なコピーを一度に論破しなければならず、多数派が勝ちます。
• 攻撃のコスト。 実際に最近の履歴を書き換えるには、攻撃者はネットワークのマイニング能力またはステークの過半数を支配し、影響を受けたすべての作業をやり直し、正直なノード全体の合計を上回る速度で進めなければなりません。これがいわゆる51%攻撃であり、大規模なネットワークでは費用があまりにも高くつくため、一般に試みる価値がないとされています。

ここで実際に効いている力に注目してください。セキュリティは、台帳を見張る信頼された番人から生まれているのではありません。不正を行うコストが、そこから得られる利益を上回るようにすることから生まれているのです。

理解度チェック

ブロックチェーンにとって「追記専用」とはどういう意味ですか。 記録の末尾に新しい項目を追加することはできますが、既存の項目をこっそり消去したり書き換えたりすることはできません。台帳の他のすべてのコピーが、あなたの改変版と食い違ってしまうためです。

個々のブロックはどのようにしてチェーンにつながっているのですか。 それぞれのブロックは、直前のブロックのハッシュ（指紋）を保存しています。その参照は最初のブロックまでさかのぼってつながっているため、古いブロックを一つでも変更すると、それ以降のすべてのブロックでこのつながりが壊れます。

なぜ大規模なネットワークでは51%攻撃を成功させるのが非常に難しいのですか。 最近の履歴を書き換えるには、攻撃者はネットワークのマイニング能力またはステークの過半数を支配し、影響を受けたすべての作業をやり直し、それでもなお正直なネットワーク全体を上回る速度で進める必要があります。大規模なチェーンでは、これは費用があまりにも高くつくため、試みられることはめったにありません。

出典

• NIST, "IR 8202: Blockchain Technology Overview", definition of a blockchain as a distributed, append-only ledger of hash-linked blocks copied across many nodes.
• ISO, "ISO 22739: Blockchain and distributed ledger technologies - Vocabulary", how a shared database is replicated and synchronised across many nodes with no central administrator.
• bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto), why miners expend computing power and energy to add blocks and earn the reward.
• ethereum.org, "Proof-of-stake (PoS)", how validators are chosen in proportion to the capital they stake, which can be forfeited for cheating.
• ethereum.org, "The Merge", Ethereum's 15 September 2022 switch to proof of stake and the roughly 99.95% cut in energy use.
• bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto), the 51% attack and why rewriting history on a large network is prohibitively expensive.