ブロックチェーン：ビットコインの魂、次の出口

はじめに:ビットコインは近年最も成功したデジタル暗号通貨として、世界から大きな注目を集めています。他のデジタル通貨とは異なり、ビットコインは多数のノードで構成された分散型ネットワークを使用して取引情報を記録します。鍵となるのはブロックチェーンです。ブロックチェーンは、今後10年間で金融業界やその他の業界に大きな変化をもたらす可能性のある技術です。今日はビットコインと合わせてブロックチェーン技術について学んでみましょう。

1.シナリオの説明

世の中に銀行 A と銀行 B という 2 つの銀行と、ユーザー C とユーザー D という 2 人のユーザーがいると想像してください。ユーザー C はサードパーティの支払いソフトウェア E も使用しています。

銀行 A は独自の情報システムを使用してユーザーの口座残高を記録し、銀行 B も独自の情報システムを使用してユーザーの口座残高を記録し、サードパーティの支払い E もシステムを使用してユーザー C の口座残高を記録します。これは基本的に、次の図に示すように、今日の金融の世界の姿です。

次の事実がはっきりとわかります。

銀行 A のシステムには、銀行 B が 800 万ドルの債務を負っていることが記録されます。同時に、銀行 B のシステムには、銀行 A に対して 800 万ドルの債務があることも記録されます。つまり、2 つの銀行の異なるシステムによって同じ情報が 2 回記録されることになります。同様の情報が銀行Bと第三者支払機関Eにも記録されます。

ユーザーCは、銀行Aに15,000人民元の当座貸越、銀行Bに68,000人民元の預金、第三者支払Eに5,000人民元の残高を持っています。したがって、2つの銀行と1つの第三者支払の3つのシステムを通じてのみ、ユーザーCが所有する実際の資産を計算できます。

各銀行は、情報を記録するシステムの開発と維持に多大な時間と費用を費やす必要があることがわかります。さらに深刻なのは、銀行間の口座の確認と照合にさらに多くの時間と費用を費やす必要があることです。銀行データは少なくとも 2 つの異なるシステムに記録する必要があります。すべての関係者の情報が正しいことを確認するには、コストのかかる調整プロセスが必要です。

次のように変更して、上記の例のすべてのデータを 1 つのテーブルのみを使用して記録してみましょう。

上記の表には前の 5 つの表と同じ内容が記録されていますが、唯一の違いは、この表には列が 1 つ多いことです。このテーブルを使用すると、銀行とユーザーは独自のシステムを維持する必要がなくなり、最も重要なことに、銀行間の調整プロセスが完全に排除されます。では、なぜ全世界で統一された台帳を持つことができないのでしょうか?すぐに、「どの単一のシステムでこの台帳を維持できるのか」と尋ねる人もいるかもしれません。この元帳を維持するにはシステムにどれくらいの費用がかかりますか?このシステムが故障した場合、世界全体にどれほど大きな影響があるでしょうか?この中央システムが元帳を不正に操作したらどうなるでしょうか?

統一された台帳を維持するための中央システムを構築するのは現実的ではないようです。では、すべての銀行とユーザーがネットワークに参加する共有ネットワークを作成できるでしょうか?元帳を管理するための中央システムはありません。代わりに、ネットワーク内のすべての銀行とユーザーが最新の元帳の内容を保持します。元帳はネットワークのすべての参加者によって管理されます。これにより、中央システムの障害による元帳の損失を防ぐことができます。参加者の1人が不正行為をしたい場合、他の参加者は同意しません。これは、各参加者が元帳のセキュリティと安定性の確保に貢献することと同じです。

上記の技術的解決策は実現可能でしょうか?実行可能;この技術的ソリューションは何と呼ばれますか?ブロックチェーン：現在成功事例はありますか？ビットコイン。

2.ブロックチェーンの概念

ブロックチェーンは、インターネット上の分散型の共有台帳またはデータベースです。特定のテクノロジーを通じて、この元帳またはデータベースの一貫性、セキュリティ、保守性を保証することができます。ビットコインは、ブロックチェーンをグローバルネットワークに大規模に適用した最初の例です。ブロックチェーン技術自体は、ビットコインなどのデジタル通貨に限定されません。また、決済、証券取引、株取引、モノのインターネット、本人認証、電子契約など、多くの分野に応用できます。

3.ビットコインにおけるブロックチェーン

ビットコインの概要

2008年、サトシ・ナカモトという謎の人物がビットコインの概念と関連技術を説明する論文を発表しました。この論文は後に「ビットコインホワイトペーパー」または「サトシ・ナカモトホワイトペーパー」と呼ばれるようになりました。 2009年、サトシ・ナカモト氏と他の数名が関連技術を実現し、システムがインターネット上で正式に稼働し、中央銀行や金融機関によって管理されていないビットコインが正式に誕生しました。それから2年後、サトシ・ナカモトは突如インターネット上から姿を消し、ビットコイン界の創造の預言者に相当するこの人物の正体は今に至るまで誰も知らない。彼が作成したビットコインの総額は100億ドルを超え、インターネット上では毎日何百万ものビットコインが取引されています。

ビットコインの原則

ビットコインはインターネットをベースとしたP2Pネットワーク上で動作します。 P2P は、TCP プロトコル上で実行されるアプリケーション層プロトコルです。 P2P ネットワークでは、ネットワークに接続された各デバイスは互いに同等です。ネットワークには中央ノードはありません。各ノードはランダムに他の多くのノードに接続し、これらのノードにサービスを提供したり、これらのノードからサービスを取得したりします。したがって、P2P ネットワークは、分散化、信頼性、オープン性という特性を備えています。近年、最も成功した P2P ネットワーク アプリケーションは、海外の BitTorrent や中国の Thunder など、ファイル共有の分野で登場しました。どちらも P2P ネットワークを介してファイルをダウンロードします。

ビットコインの P2P ネットワークでは、各トランザクション情報は、1 対 10、10 対 100 の方法で検証のためにネットワーク内のすべてのノードに通知されます。ネットワーク上のほとんどのノードが検証した場合にのみ、トランザクションはブロックチェーンの現在のブロックに記録されます。ビットコインネットワークでは、平均して10分ごとにブロックが生成されます。ブロックには、過去 10 分間のネットワーク上のすべてのトランザクションが記録されます。各ノードにはブロックを生成する権利があります。ノードが 10 分以内に特定の数学の問題の解を計算できる限り、他のノードはそのブロックを認識し、そのブロックを自分のブロックチェーンに追加します。解決策を取得したノードは、報酬として一定数のビットコインを受け取ります。ビットコイン ネットワークでは、ブロックを生成して報酬を得ようとするノードは通常、マイナーと呼ばれます。ブロックを生成するプロセスはマイニングと呼ばれます。 2009 年以降、動的に調整される数学の問題の難しさにより、ビットコイン ネットワークでは平均して 10 分ごとに 1 つのブロックが生成されています (マイナーが数学の問題の解法を見つけました)。ブロックが生成されるたびに、マイナーへの報酬として一定数のビットコインが生成されます。当初、各ブロックの報酬は 50 ビットコインですが、この数は 4 年ごとに半減します。 2140年以降、ビットコインの数は2100万に固定され、その時点では新しいビットコインは生成されません。

どのマシンでも完全なビットコインノードを実行できます。完全なビットコイン ノードには、次の機能が含まれます。ユーザーがビットコイン ネットワーク上でトランザクションを実行できるようにするビットコイン ウォレット。完全なブロックチェーンは、ビットコインの履歴におけるすべての取引を記録し、特別な構造を通じて過去の取引のセキュリティを確保し、新しい取引の正当性を検証するために使用されます。マイナーは、取引を記録し、数学の問題を解読することで新しいブロックを生成し、成功した場合には報酬を得ることができます。他のノードから送信されたトランザクション データやその他の情報をさらに多くのノードに送信するルーティング機能。ビットコイン ネットワークでは、ノードにはルーティング以外の必要な機能はありません。一部のノードはウォレット機能のみを持ち、一部のノードはマイニングのみを担当します。

ブロックチェーンのデータ構造

ビットコインのブロックチェーンは取引情報を記録します。それぞれの完全なノードは完全なブロックチェーンをローカルに保存します。各完全なブロックチェーンには、2009 年のビットコイン誕生以来発生したすべてのトランザクション情報が記録されます。新しいトランザクション アプリケーションが生成されるたびに、ノードは完全なブロックチェーンを通じて新しいトランザクションの正確性を検証できます。検証されたトランザクションは、次に生成される新しいブロックに記録されます。各ブロックは、メタデータを含むブロック ヘッダーと、前の期間のトランザクション情報を含むブロック本体で構成されます。ブロック ヘッダーのサイズは 80 バイトで、ブロック本体は通常非常に大きくなります。平均的なブロックに 400 件のトランザクションが含まれている場合、ブロック本体は通常、ブロック ヘッダーの 1,000 倍以上の大きさになります。したがって、ブロック本体はトランザクション情報の記録のみを担当し、ブロックチェーンの機能のほとんどはブロックヘッダーによって実装されます。

ブロック ヘッダーには主に次の情報が含まれます。

バージョン番号、4 バイト、ソフトウェアとプロトコルのバージョン情報を示します。

親ブロックのハッシュ値、32 バイト、参照されるブロックチェーン内の親ブロック ヘッダーのハッシュ値。この値を通じて、各ブロックはエンドツーエンドで接続され、ブロックチェーンを形成します。この値はブロックチェーンのセキュリティにおいて重要な役割を果たします。これについては後で詳しく説明します。

マークルツリールート、32 バイト。この値は、ブロック本体内のすべてのトランザクションのハッシュ値をペアでハッシュすることによって計算されます。これは主に、このブロック内にトランザクションが存在するかどうかを確認するために使用されます。

タイムスタンプ（4 バイト）は、ブロックが生成された時間を秒単位で記録します。

難易度値、4 バイト、このブロックに関連する数学の問題の難易度ターゲット。

4 バイトの nonce には、ブロックの復号化に関連する数学の問題の答えの値を記録します。

各ブロックのブロック ヘッダーには、参照する親ブロックのハッシュ値が記録されます。このハッシュ値は、SHA256 アルゴリズムを使用して親ブロックのブロック ヘッダーに対して 2 次ハッシュ計算を実行することによって取得されます。ブロックチェーンのいくつかのブロックの情報は次のとおりです。

ブロックチェーンを構築するプロセス

新しいブロックを生成し、それをブロックチェーンに追加するプロセスは、ビットコイン ネットワークではマイニングと呼ばれます。マイニングを通じて、取引情報をブロックチェーンに記録することができ、まさにプルーフ・オブ・ワークのメカニズム（数学の問題を解く）があるからこそ、ブロックチェーン内の取引情報の一貫性と安全性が保証されるのです。ビットコインの場合、マイニングが成功した後の報酬メカニズムにより、新しいビットコインがビットコイン ネットワークに流入して流通できるようになります。ビットコイン ネットワークには、マイニング ノードと呼ばれるノードがいくつかあります。このマイニング ノードは、ユーザーの通常の PC マシン、企業のコンピュータ ルーム内の数百台のマシンで構成されるコンピューティング クラスター、または複数のマイナーで構成されるマイニング プールである可能性があります。ビットコインではマイニングノードのマシンに制限はありませんが、計算性能の高いマイニングノードは、他のノードよりも計算権やビットコイン報酬を得るために数学の問題を解くことが容易になります。

マイナーはブロックを生成するために懸命に作業すると同時に、次のブロックに入れる新しいトランザクション情報をローカルメモリに保存します。現在のブロックが生成され、マイナー自身または他のマイナーによって検証されると、すべてのマイナーはすぐに次のブロックの生成を開始します。このとき、ローカルメモリ内のトランザクション情報はブロック本体に記録され、ブロック本体にはこのブロック内のすべてのトランザクション情報の Merkle ツリーが生成され、Merkle ツリーのルートの値がブロック ヘッダーに保存されます。マークルツリーは、大規模データの整合性を迅速に検証するために使用できるハッシュバイナリツリーです。ビットコイン ネットワークでは、マークル ツリーを使用してブロック内のすべてのトランザクション情報を要約し、最終的にブロック内のすべてのトランザクション情報の統一されたハッシュ値を生成します。ブロック内のトランザクション情報が変更されると、Merkle ツリーも変更されます。ブロック内に A、B、C、D という 4 つのトランザクションがあるとします。まず、トランザクション データは SHA256 アルゴリズムに 2 回渡され、32 バイトのハッシュ値が生成されます。これらの値は、Merkle ツリーのリーフ ノードとして保存されます。次に、隣接するリーフノードの 2 つの 32 バイトのハッシュ値が連結され、64 バイトの文字列になります。次に、この文字列は SHA256 アルゴリズムに 2 回渡され、2 つのリーフ ノードの親ノードとして 32 バイトのハッシュ値が生成され、Merkle ツリーに格納されます。このように繰り返して、最終的にブロック内のすべてのトランザクション情報の統合ハッシュ値が生成されます。このハッシュ値は、Merkle ツリーのルート ノードです。次の図に示すように、ルート ノードのハッシュ値はブロック ヘッダーに格納されます。

マークルルートがブロック ヘッダーに埋め込まれた後、システムは最後に生成されたブロックのブロック ヘッダー データから SHA256 アルゴリズムを使用して 32 ビットのハッシュ値を生成し、それを現在のブロックの親ハッシュ値に埋め込みます。現在の Unix 時刻がタイムスタンプ フィールドに保存されます。難易度値フィールドも、ビットコイン ネットワーク全体の計算能力の総量の変化に対応するために、前の期間のブロックの平均生成時間に基づいて調整されます。計算能力の合計量が増加すると、システムは数学の問題の難易度の値を上げ、次のブロックを完了するまでの予想時間が依然として約 10 分になるようにします。ブロック ヘッダーの最後のフィールドは Nonce で、初期値は 0 です。

ブロック ヘッダーとブロック本体が構築されると、数学の問題を解くマイニングを開始できます。マイニングの目的は、ブロック ヘッダーの Nonce 値を継続的に変更して、ブロック ヘッダーで SHA256 アルゴリズムを使用して取得したハッシュ値が難易度値の要件を満たすようにすることです。 SHA256 アルゴリズムは暗号化ハッシュ アルゴリズムです。このアルゴリズムの特徴は、異なる入力によって規則性なく完全に異なるハッシュ値が生成されることです。さらに、入力がどれだけ大きくても、SHA256 アルゴリズムの出力の長さは常に 256 ビット、つまり 32 ビットになります。ビットコインマイニングの目的は、ブロックヘッダーの SHA256 ハッシュ値の出力が難易度値に設定された値よりも小さくなるように、Nonce 値を見つけることです。この難易度の値は通常、複数の 0 で始まります。現在の最新の難易度要件は、256 ビットのハッシュ値の最初の 68 ビットが 0 でなければならないというものです。これにより、マイナーが約 10 分以内に要件を満たす Nonce 値を見つけられるように、ビットコイン ネットワーク全体で 1 秒あたり約 6x1020 回のハッシュ計算を実行する必要があります。マイニングプロセス中、各マイナーによって作成された新しいブロック ヘッダーのタイムスタンプは異なる場合があり、また各マイナーがブロックを入力するために異なるトランザクション セットを選択するため、ブロック ヘッダー内の Merkle ルートの値も異なります。したがって、多くのマイナーが蓄積し、Nonce が 0 から適格なハッシュ値を検索し始めても、マイナーはそれぞれの場所で引き続き検索を続けます。マイニング プロセスは、ビットコイン ネットワーク全体のすべてのマイナー ノードの計算能力を合計して答えを見つけるプロセスです。すべてのマイナーは正しい答えを見つける機会がありますが、計算パフォーマンスが高いマイナーの方が答えを見つける可能性が高くなります。

マイナーがブロック ヘッダーのハッシュ値を目標難易度より低くする Nonce 値を見つけると、すぐにそのブロックを Bitcoin ネットワークにブロードキャストします。数秒後、ネットワーク内のすべてのマイナーがブロックを受信します。検証に成功すると、マイナーは現在のブロックを生成する作業を直ちに停止し、マイナーが見つけたブロックをブロックチェーンに追加して、次のブロックを生成するプロセスを直ちに開始します。このようにして、ブロックが完全なブロックチェーンに追加されます。

ブロックチェーンの一貫性とセキュリティ

上記ではブロックチェーンのデータ構造と構築プロセスについて説明しましたが、まだ説明が必要な最も重要な問題が 2 つあります。

ブロックチェーン全体が分散ネットワーク内のすべてのノード間で一貫性を維持する方法。

ブロックチェーン内の情報（ビットコインの取引情報）を悪意を持って改ざんするノードが存在しないことを確認する方法、つまり、ブロックチェーン内の情報が真実であると信じさせる方法。

一貫性の問題に関しては、実際には上記のブロックチェーン構築プロセスの最後に説明されています。ネットワーク内のすべてのノードは、数学の問題を解くことで現在のブロックを作成する権利を獲得しようとします。ノードが問題を正常に解決すると、問題の回答と構築されたブロックが Bitcoin ネットワークを通じて他のノードに送信されます。他のノードが回答を検証すると、現在のブロックを作成する作業を直ちに停止し、送信されたブロックをローカル ブロックチェーンに追加し、このブロックのブロック ヘッダーのハッシュ値に従って次のブロックのブロック ヘッダーに情報を入力し、直ちに次のブロックの構築を開始します。このようにして、ネットワーク内でブロックチェーンに新しいブロックを構築するプロセスが完了します。

このプロセスは問題ないように見えますが、次の状況を考慮してください。同時に (1 秒以内に) 2 つ以上の異なるノードが回答を見つけ、それらの回答とブロックを接続されているノードにすぐに送信する場合があります。検証後、これらのノードはすぐにこのブロックに基づいて次のブロックの構築を開始します。各ノードが生成するブロックは異なる（数学の問題には複数の解がある）ため、各ブロックのハッシュ値も異なり、後続のブロックのハッシュ値も変化します。このようにして、ネットワーク全体で複数のブロックチェーンフォークが形成され、異なるノードが異なるフォーク上に新しいブロックを構築します。

フォークの問題を解決するにはどうすればいいでしょうか?答えは、次のブロックまたは次のブロックまで待つことです。複数のノードが同時に現在のブロックの答えを解決しましたが、次のブロックは順番に解決される可能性が高くなります。次のブロックを最初に解決するフォークがネットワーク全体で認識されると、以前に間違ったフォークにあったノードは、以前の間違ったブロックを自身のフォークに置き換え、ネットワーク全体が再び統一されます。

このため、ビットコインでは各ブロックを解決するのに必要な時間を約 10 分に制限しています。質問が難しくなり、解く時間が長くなると、同時に答えを解ける確率は低くなります。ビットコインの歴史上、フォークに 2 つのブロックが含まれることはまれです。したがって、ブロックチェーンで生成された最新のブロックには確かに一貫性の問題がある可能性がありますが、6 ブロック前のすべてのブロックは確実に一貫性があります。

セキュリティと信頼性の問題は、主に 2 つの側面で現れます。1 つは、一部のノードが以前のブロックのトランザクション情報を変更しようとすること、もう 1 つは、一部のノードが新しいブロックの生成を制御しようとすることです。これら 2 つの問題を解決する鍵は、数学の問題を解くことによって実現される膨大な計算能力の保証にあります。ノードが以前のブロックのトランザクション情報を変更する場合、トランザクション情報が変更されると、この情報のハッシュ値が変更され、最終的にはブロック ヘッダー内のすべてのトランザクション情報を表すマークル ツリーと値が変更されます。このブロック ヘッダーのハッシュ値も変更され、以前の Nonce 値は変更されたブロック ヘッダーの解ではなくなります。このブロックの数学の問題を再計算する必要があります。さらに深刻なのは、このブロックの次のブロックが参照する親ハッシュ値も変更されているため、次のブロックも再計算する必要がある、という点です。後続のブロックはすべて再計算して生成する必要があります。

つまり、変更されたブロックの後続のブロックがすべて再計算され、ネットワーク内の正当なブロックチェーンの進行が追いついた後にのみ、この長いブロックチェーンフォークをネットワーク内の他のノードに送信して認識できるようになります。悪意を持って改ざんされたブロックのみを再生成して送信しても、ネットワーク上の正直なノードには認識されません。現在のネットワーク全体の膨大な計算能力を考えると、悪意のあるノードが複数のブロックを再計算してネットワーク全体に追いつくのは困難です。一般的に、6 番目のブロックより前のすべてのブロックは変更できないと考えられています。では、新しいブロックの生成を制御しようとしたらどうなるでしょうか?言い換えれば、新しいブロックは、まず悪意のあるノードが数学の問題の解決策を考案した後に承認されます。ブロックに含まれるトランザクションはノードによって自由に決定されるため、悪意のあるノードはこの方法を使用して、トランザクションがブロックチェーンに追加され、承認されることを決して許可しません。理論的には、このアプローチは可能です。悪意のあるノードの計算能力がネットワーク内の他のすべてのノードの計算能力の合計よりも高い場合、つまり、悪意のあるノードがネットワーク全体の計算能力の 51% を占めている場合、新しいブロックの生成を制御できます。この攻撃は 51% 攻撃と呼ばれます。もちろん、現実には、あるノードが他のすべてのノードの合計を超える計算能力を持つことは非常に困難です。スペースの制限により、DoS 攻撃の解決策など、ここでは 1 つ 1 つ説明できないセキュリティ上の問題が多数あります。

4.まとめ

現代のインターネットの基盤は TCP/IP テクノロジーです。この技術に基づいて、ネットワーク上のすべてのノードは他のノードと公平かつ自由に通信できます。しかし、この技術は分散型通信の問題のみを解決するものであり、分散型信用の問題は解決しません。ブロックチェーン技術の出現により、この問題を解決できるという希望が生まれ、ビットコインでの大規模な応用により、その技術的な実現可能性も示されました。この記事ではビットコインをベースとしたブロックチェーンの関連技術を紹介していますが、ブロックチェーン技術の応用はデジタル通貨の分野に限定されません。すでにさまざまな業界での取り組みが始まっています。最新のテクノロジーを追従し、その成熟に向けて私たち自身も貢献していきましょう。

この記事の著者：Luo Yuxiang は、Web とビッグ データに携わっており、データ マイニングについて少し知識があり、推奨システムを実装しており、新しい技術分野を探求することを好み、理論と実践の組み合わせに注目しています。現在、Dianrong北京チームで働いています。