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ブロックチェーンの仕組みを超簡単に説明すると…?

まずは、誰でも分かる簡単な説明でブロックチェーンをざっくり理解しましょう!

ブロックチェーンは公開された台帳

ブロックチェーンとは、最も簡潔に言うとみんなが見れる台帳です。「仮想通貨をAさんからBさんに送りました」という情報をいくつかまとめたものをブロックと呼んで、それをいくつも鎖のように繋いでいくのでブロックチェーンというわけです。


ブロックチェーンの情報は世界中にあるノードが保管しており、もしブロックチェーンの情報を保管しているノードに不具合が発生してしまったとしても、他のノードに記録がされているのでブロックチェーンの情報が完全に失われることはありません

そして、ブロックチェーンに記録された情報は誰でも見ることができます。


また、このノードは全て対等であり、中央管理者のような存在がいないので、ブロックチェーンは分散型台帳とも言います。


改ざんが不可能になっている

ブロックチェーンにある取引の記録は改ざんが不可能になっています!なぜ改ざんが不可能なのかの説明はあとで述べますが、簡単に言うと改ざんにはとてつもない計算力を持ったパソコンを持つ必要があり、それはほぼ不可能だからです。


この取引の改ざん不可能性によって仮想通貨は成り立っています。仮想通貨を保有している、というのは仮想通貨という物が自分の手元にあるわけではありません

ブロックチェーンという取引記録に今までこういう記載がされていてこれは必ず改ざんされていないから、自分はいくら仮想通貨を持っている、という風に取引の履歴によって誰がいくら持っているかが分かる仕組みになっています。


改ざんされていない保証がある電子的な台帳があれば新しい通貨の形ができる、というところに着目して、改ざんされない電子的な台帳の形を初めて実現したのがブロックチェーンということですね。


ブロックチェーンの仕組みをわかりやすく図解で

ここからは図を使いつつ、ブロックチェーンの仕組みをもう少し詳しく説明したいと思います。

取引が記録されるまでの流れ

例えば、AさんからBさんに1BTCが送られるまでの流れは以下の図のようになります。



まず、Aさんは「Bさんにいくらの仮想通貨を送る取引をします」という内容のデータ(送金トランザクション)をビットコインのネットワークに発信します。

ここで、まず行われるのはその送金トランザクションが本当にAさんによって作られたものなのかという確認作業です。ここには電子署名という暗号技術が用いられています。


電子署名を簡単に説明します。

Aさんはトランザクションを暗号化する鍵(Aさんしか知らない)と暗号を解く鍵(みんなが知ってる)の2つを持っていて、送金トランザクションを前者の鍵で暗号化してから、各ノードが後者の鍵で暗号を解いてみて、正しく解ければこれはAさんしか知らない鍵で暗号化されたものだからAさんが作ったものだと確認できます。これが電子署名です。


そして、確認の行われた取引を集めてそれをブロックチェーンに繋いでいきます。このときに大事なのは、ブロックチェーンに新しいブロックを繋げるのはマイニングという作業に成功した人だけということです。詳しくは次項で述べます。


新しいブロックが繋がれるとそれ以外の人達で確認作業が行われ、また新しいブロックを繋ぐための作業が始まっていきます。


ブロックを繋ぐ作業マイニング

ブロックを繋げる権限を得るのに必要なマイニングは、非常に難しい計算問題を解く作業です。計算問題を解く、といっても頭を使ってひらめくといった類の問題ではありません。

マイニングの計算問題においては、当てずっぽうに好きな値をいろいろ試してある条件を満たすものを探すのが解くという作業です。


中学校で習う2次方程式では公式や因数分解を全く知らない場合、xに適当な値を代入して答えを探し出しますよね?マイニングはまさにこれと似ていて、適当に値を代入していって答えを見つけ出す作業です。

マイニングを行う人達(マイナー)はこの作業を高性能なパソコンで高速に行っていきます。一番最初に答えを見つけた人には仮想通貨による報酬が与えられるので、マイナー達は競争するようにマイニングを行うわけです。


答えを見つけるのは難しいけど、代入してそれがちゃんと答えになっているのか確認するのは非常に簡単なので、確認の作業は速やかに行われます。


ブロックチェーンの詳しい仕組みと理論

ここからはもっと詳しくブロックチェーンの仕組みについて述べていきます。少し難しいかもしれないですが、なるべく分かりやすく説明していきます!

【超重要知識】ハッシュ関数

ブロックチェーンの仕組みをしっかりと理解するにはまずハッシュ関数について知っている必要があります。

ハッシュ関数とは、ある値を代入して計算することは簡単なのに、出てきた値からは何を代入したかが全く分からない、という特徴を持った関数です。


試しに、ビットコインでも用いられているSHA-256というハッシュ関数を用いて"Coin Otaku"という文字列をハッシュ関数にかけてみましょう。結果は以下のようになります。


右側の文字列の元はCoin Otakuだっていうのは分からなそうですよね。実際、高性能なコンピュータでも右の値から左の文字列を見つけ出すことは非常に困難です。


次に、全てを大文字にしただけの"COIN OTAKU"の文字列を同じハッシュ関数にかけてみると…


全く違う結果が出てきました!元の文字列が似ていても出てくる結果は全く違うので、代入した結果からヒントを得て暗号を解くことも不可能なようです。ハッシュ関数を逆に解くことがいかに難しいかが分かったと思います。


このハッシュ関数の特性を活かしてブロックチェーンは改ざんが不可能になっていきます。その理論を理解しましょう。


改ざん不可能性が生まれる仕組み

マイニングという作業は詳しく言うと、ナンス(Nonce)という特別な値を探す作業のことです。


ナンスというのはどういう値かというと、ハッシュ関数Fに、取引をまとめた値X、前のブロックのハッシュ値Y、ナンスZの3つを繋げてから代入したときに、決まった値MよりFが小さくなるような値のことです。

すなわち、XYZを連結した値をX|Y|Zで表すとすると、F(X|Y|Z)がMより小さくなるようなZがナンスになります。


さっき述べたハッシュ関数の特性から、このナンスを探すのは当てずっぽうに代入する以外方法はありません。このナンス探しに非常に時間がかかることが改ざん不可能性の1つ目の大きなポイントです。

2つ目の大きなポイントは前のブロックのハッシュ値Yが含まれていることです。


悪意ある人が過去の取引を改ざんしたとしましょう。

そうすると、取引をまとめた値Xが別の値X'に変化してしまいます。このとき、F(X'|Y|Z)はMより小さいという条件を満たさなくなるので、改ざんをした人は改めて条件を満たすナンスZ'を探す必要性が生じます。


先程も述べたように、ナンスを探すのは世界中の高性能なコンピューターが競争するようにやっている作業ですから、改めてナンスを探すのはほとんど無理だということが分かると思います。


さらに、改ざんをするために必要なナンス探しは1つだけにとどまりません

取引を改ざんするとそのブロックのナンスを改めて探すのはもちろん、次のブロックに含まれているYが他の値Y'に変わってしまいますよね?そうすると、F(X|Y'|Z)はMより小さいという条件を満たさなくなりますから、次のブロックのナンスもまた探す必要性が生じます。


次のブロックのナンスが変更されると、次の次のブロックに含まれるYの値が変わってしまうので…

というように、なんと改ざんを1つするだけでそれ以降のナンスをすべて改めて探さなければいけないわけです!!!


こんなの不可能ですよね。

1つのナンスを見つけるのでもかなり大変で、かつ、前のブロックのハッシュ値を含めておくことでナンスの不適合が連鎖して起こるので、改ざんは不可能となっているわけです。



つまり、このマイニングの作業によって仮想通貨の安全性は保たれているわけですね。

ちなみに、もし改ざんを実行するのであれば、マイナーが保有している計算力の過半数を独占している必要があります。過半数の計算力を独占して仮想通貨のネットワークを乱すことを51%攻撃と言います。

51%攻撃については以下の記事を是非読んでみてください!


51%攻撃とは、仮想通貨で広く用いられているブロックチェーンの正常な動作を妨げる方法の1つです。51%攻撃をされるとどんな危険があるのか、どういう対策がなされているのかも含めて、コインオタクが徹底的に解説します!


ブロックチェーンはなぜ一本か

最後に、ブロックチェーンが一本であり続けている仕組みについて述べます。

基本的にはナンス探しに成功した場合、その情報は速やかにノードに伝えられるので、ノードの間で異なるブロックチェーンが保管されているという状況はほとんど起こりません


しかし、適するナンスは一意でないので、異なるナンスがほぼ同時に発見されてノード間でブロックチェーンが異なるという状況が稀に発生します。これをブロックチェーンのフォーク(分岐)といいます。


このフォークが起こってしまった場合には、Chain Reorganizationがなされます。これはブロックチェーンのうち最も長いものが正しいというルールに基づいて、短い方のチェーンは誤ったチェーンとして捨てられることを指します。


マイニングをする人達(マイナー)は短い誤ったチェーンに新しいブロックを繋いでも報酬がもらえないので、マイナー達は少しでも長い方のチェーンにブロックを繋ごうとします。そのため、ォークが起こってもすぐにどちらかのチェーンが大きな差をつけてChain Reorganizationが起こり、ブロックチェーンは一本に保たれているわけです。


ブロックチェーンでは上に述べたような偶然のフォークもあれば、仮想通貨のアップデートに伴うフォークも存在します。それにはソフトフォークとハードフォークの2種類があります。

気になった方は以下の記事を読んでみてください!

 

仮想通貨に関するニュースで「ソフトフォーク」という言葉を聞いたことがあると思います。ソフトフォークはハードフォークと何が違うの?仮想通貨の価格にどう影響するの?などなど,ソフトフォークに関する疑問がこの記事を読めばスッキリ解決します!


 ブロックチェーンの仕組みに関するQ&A

ブロックチェーンの仕組みと理論を説明したPDFはどこで読める?

ブロックチェーンここから読むことができます。かなり詳しく、かつ分かりやすく説明されています。


ブロックチェーンの仕組みと理論に関するオススメの本や電子書籍は?

ブロックチェーンについて詳しく知りたいのであれば、オススメなのは何と言っても"Mastering Bitcoin"です。技術者向けにビットコインの仕組みについて正確にかつ詳しく書かれているので、是非読んでみてください。


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ブロックチェーンの仕組みまとめ

ブロックチェーンはざっくり言うと書き換え不可能な公開された台帳で、その改ざん不可能性はマイニングにおいて前のブロックのハッシュ値を含めた計算を行うことによって実現されていることが分かったと思います。


ブロックチェーンの仕組みがわかったら早速仮想通貨取引を始めてみましょう!初心者にはGMOコインがおすすめです!


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