要点
ブロックチェーンとは、分散型コンピュータネットワーク上でトランザクションデータをセキュアに記録するデジタル台帳である。
ブロックチェーンは、暗号技術とコンセンサスメカニズムが実現する改ざん不可能な特性により、データの完全性を保証する。つまり、いったん記録された情報は、過去にさかのぼって変更することはできない。
ブロックチェーンは、ビットコインやイーサリアムなどの暗号資産ネットワークの基盤を形成しており、金融分野にとどまらずさまざまな分野での透明性、セキュリティ、信頼性を高めるのに貢献している。
はじめに
ブロックチェーン技術は、分散型で透明性が高くセキュアなデータとトランザクションの管理方法をもたらし、特に金融業界を変革してきました。ブロックチェーンはビットコインなどの暗号資産の基盤として始まったものの、その用途はサプライチェーン管理、ヘルスケア、投票システムなど多岐にわたって拡大しています。
ブロックチェーンとは
ブロックチェーンは特殊な種類のデータベースであり、分散型コンピュータネットワークによって維持されている分散型デジタル台帳です。ブロックチェーンのデータはブロックとして整理され、時系列に配列された上で暗号技術で保護されています。
この構造により、データは透明性が高くセキュアかつ改ざん不可能であることが保証されます。一度ブロックが承認されてチェーンに追加されると、その中に保存されたデータを変更するのはほぼ不可能です。その分散型構造により、中央管理機関を必要としません。ブロックチェーンのトランザクションは、仲介者なしでユーザー間で実行できます。
ブロックチェーンには、異なる分散の程度を備えたさまざまな種類があります。それでもブロックチェーンという言葉は通常、暗号資産トランザクションを記録する分散型デジタル台帳を指します。
ブロックチェーンの歴史
ブロックチェーンの最も初期のモデルは、1990年代初頭、デジタル文書のデータの改ざん保護を目的に、コンピュータ科学者のStuart Haber（スチュアート・ハーバー）氏と物理学者のW. Scott Stornetta（W・スコット・ストルネッタ）氏がブロックのチェーンに暗号化技術を採用した時点まで遡ります。
Haber氏とStornetta氏の取り組みは多くのコンピュータ科学者や暗号技術支持者たちへの研究に影響を与え、最終的にブロックチェーン技術を基盤とする初の暗号資産であるビットコインの誕生につながりました。それ以来、ブロックチェーンの採用は大幅に増加し、暗号資産は今や世界的な現象となっています。
ブロックチェーン技術は暗号資産トランザクションの記録に多く利用されているものの、他の多様なデジタルデータの記録にも適しており、幅広いユースケースに適用できます。
ブロックチェーンの主な特徴とメリット
分散化：情報は単一の中央サーバーではなく、コンピュータ（ノード）のネットワーク全体に分散して保存される。ビットコインなどの大規模分散型ネットワークは、攻撃に対して非常に強い耐性を持つことになる。
透明性：ほとんどのブロックチェーンは公開型で、参加者すべてが同一のデータベースにアクセスできる。トランザクションは、参加者すべてが閲覧できる。
不変性：いったんブロックチェーン上にデータが追加されると、ネットワークのコンセンサスなしにデータの変更はできない。
データセキュリティ：データの改ざんは暗号技術とコンセンサスメカニズムにより、強力に保護されている。
効率：ブロックチェーンは仲介者を必要とせず、より迅速かつ低コストでのトランザクションを実現できる。トランザクションはほぼリアルタイムで処理される。
ブロックチェーンにおける分散化とは
ブロックチェーンにおける分散化とは、ネットワークの管理や意思決定の権限が銀行、政府、企業などの単一の主体ではなく、ユーザー間で分散されている考え方を指します。
分散型ブロックチェーンネットワークには、データやトランザクションの流れを管理する中央管理機関や仲介者は存在しません。代わりに、トランザクションはネットワークの完全性を維持するために協力する分散型コンピュータネットワークによって検証され、記録されます。
ブロックチェーンの仕組み
ブロックチェーンの本質は、2者間のトランザクションを改ざん防止の形でセキュアに記録するデジタル台帳にあります。これらのトランザクションデータは、世界中に広がる分散型コンピュータネットワーク（ノード）によって記録されます。
あるユーザーが別のユーザーにビットコインを送信すると、そのトランザクションはネットワークにブロードキャストされます。各ノードはデジタル署名やその他のトランザクションデータを認証して、トランザクションを検証します。トランザクションが検証されると、他のトランザクションと一緒にブロックに追加されます。各ブロックは、デジタル台帳の1ページのようなものです。
ブロックは暗号技術を利用してチェーン（連結）され、ブロックチェーンを形成します。トランザクションの検証とブロックチェーンへの追加は、ネットワーク上のノードがブロックチェーンのステートとトランザクションの有効性を検証するコンセンサスメカニズムを通じて行われます。
ブロックチェーンの概要
1. トランザクションの記録
トランザクション（暗号資産の転送など）が開始されると、ノードのネットワークにブロードキャストされます。各ノードは定められたルールを使ってトランザクションを検証します。
2. ブロックの形成
検証済みのトランザクションはブロックにまとめられます。各ブロックには、以下の内容が含まれます。
データ（例えばトランザクションの詳細）
タイムスタンプ
暗号ハッシュ：ブロックのデータをハッシュアルゴリズムで処理して作成される固有の識別ID。
前ブロックのハッシュ：ブロックをチェーンとしてつなぐために必要な要素。
3. コンセンサスメカニズム
ブロックをチェーンに追加するには、ネットワークの参加者がその正当性に合意する必要があります。プルーフ・オブ・ワーク（PoW）やプルーフ・オブ・ステーク（PoS）などのコンセンサスアルゴリズムを使用してこれが実現されます。後で詳しく説明しますが、ここでは簡単にまとめます。
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）：ビットコインで利用されているPoWでは、ブロックバリデーターが複雑な計算問題を解くために演算処理能力が必要となる。
プルーフ・オブ・ステーク （PoS）：イーサリアムなどの新しいブロックチェーンで利用されているPoSでは、ブロックバリデーターはネットワークへのステーキングに基づいて選択される。
4. チェーンの連結
ブロックが検証されると、ブロックチェーンに追加されます。その後の各ブロックは前のブロックを参照し、改ざん防止の構造を維持します。つまり、新しいブロックを検証するには前のブロックの識別IDが必要です。
5. 透明性
ブロックチェーンのもう1つの特徴は透明性です。通常、誰でもブロックチェーンエクスプローラーと呼ばれる公開ウェブサイトでブロックチェーンのデータ（トランザクションやブロックのデータを含む）を閲覧できます。
例えば、ビットコインネットワークに記録されたすべてのトランザクション（送受信者のウォレットアドレス、送信数量など）を閲覧できます。また、ジェネシスブロックと呼ばれる最初のブロックまで遡ってすべてのビットコインブロックの記録を確認できます。
ブロックチェーンの暗号技術
暗号技術は、ブロックチェーンがセキュアで透明性が高く改ざん耐性のあるトランザクション記録を維持する上で重要な概念です。例えば、ブロックチェーンで使われる重要な暗号技術に、ハッシュがあります。これは、任意の長さの入力を固定長の文字列に変換する暗号処理です。
ブロックチェーンで使われるハッシュ関数は一般的に衝突耐性（collision-resistant）があり、これにより同じ出力を生む2つの異なるデータが存在する確率が極めて小さくなります。もう1つの特徴に、入力データが少し変わると出力が大きく異なる現象を指すアバランシュ効果（avalanche effect）があります。
ビットコインで使われるSHA256という関数を取り上げ、これを説明します。見ての通り、文字の大文字小文字を変えるだけで出力が大きく変わります。ハッシュ関数は一方向性関数でもあり、ハッシュ出力をリバースエンジニアリングして入力データを逆算するのは演算処理上ほぼ不可能です。
ブロックチェーン内の各ブロックは前のブロックのハッシュをセキュアな状態で含み、強固なチェーンを形成します。1つのブロックを変更するには、その後に続くすべてのブロックを改変する必要があり、これは技術的に極めて困難かつ膨大なコストを要します。
ブロックチェーンで広く使われるもう1つの暗号技術が公開鍵暗号です。非対称暗号化とも呼ばれ、ユーザー間でセキュアかつ検証可能なトランザクションを実現する技術です。
仕組みは以下のようなものです。参加者はそれぞれ、固有の鍵のペアを持ち、秘密鍵は非公開で、公開鍵は共有されます。ユーザーがトランザクションを開始すると、秘密鍵を使って署名し、デジタル署名を作成します。
ネットワーク内の他のユーザーは、送信者の公開鍵を使用してデジタル署名を検証し、トランザクションの真正性を確認できます。この方法では秘密鍵の正当な所有者だけがトランザクションを承認でき、誰もが公開鍵で署名を検証できるため、セキュアなトランザクションが保証されます。
コンセンサスメカニズムとは
コンセンサスアルゴリズムとは、ユーザーやマシンが分散型環境で共同作業の運用を実現する仕組みです。一部のエージェント（処理を担当するコンピュータやユーザー）が失敗しても、システム内のすべてのエージェントが単一の真実の情報に合意できるようにする必要があります。
コンセンサスメカニズムにより、ネットワーク内の全ノードがトランザクション記録を含む同一の元帳コピーを保持することが保証されます。
何万ものノードがブロックチェーンデータのコピーを保持している場合、データの完全性や悪意のあるノードの存在など、複数の課題が出てきます。そこでブロックチェーンの完全性を保証するため、ネットワークノード間で合意を実現する方法としてさまざまなコンセンサスメカニズムが存在します。以降、主なコンセンサスメカニズムを詳しく取り上げます。
コンセンサスメカニズムの種類
Proof of Workとは
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）は、トランザクションを検証し、ブロックチェーンの完全性を維持するコンセンサスメカニズムであり、多くのブロックチェーンネットワークで使用されています。このコンセンサスメカニズムは、ビットコインが当初より導入してきたものです。
PoWでは、次のブロックをブロックチェーンに追加するため、マイナーたちが複雑な数学的問題の解決を競います。マイニングとして知られる作業がこれに当たり、最初に問題を解決したマイナーに暗号資産が付与されます。
マイナーたちは、数学的問題を解決して新しいコインを採掘（マイニング）し、同時にネットワークの保護を確保します。この際、高性能なコンピュータの使用が不可欠になります。マイニング作業に大量のリソース（演算処理能力とエネルギー）が必要になるのは、このことが理由となります。
Proof of Stakeとは
プルーフ・オブ・ステーク（PoS）は、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）の欠点の一部を解決するために設計されたコンセンサスメカニズムです。PoSシステムでは、マイナーがトランザクションの検証のために複雑な数学的問題を解決して競争してブロックチェーンに新しいブロックを追加するのではなく、ネットワーク上で「ステーキング」する暗号資産の数量に基づきバリデーターが選定されます。
ステーキングとは、バリデーターが担保として保有する暗号資産を預け入れることを意味します。通常、PoSバリデーターはランダムに選定され、ステーキング数量に基づき新しいブロックを作成し、トランザクションを検証します。バリデーターは、ネットワークの利益のために行動するインセンティブとして新しいブロックを作成することで、トランザクション手数料を報酬として取得できます。不正な行動をとった場合、ステーキングした暗号資産を喪失するリスクがあります。
その他の主要なコンセンサスメカニズム
コンセンサスアルゴリズムとして最も代表的なものはプルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークである一方、他にも多数の種類があります。両者の要素を統合したハイブリッド方式もあれば、完全に異なる方式もあります。
例えば、デリゲーテッド・プルーフ・オブ・ステーク（Delegated PoW、DPoS）はPoSに似ていますが、すべてのバリデーターが新しいブロックを作成する資格を持つのではなく、トークン保有者により少数のバリデーターが選定されるものです。
プルーフ・オブ・オーソリティー（Proof of Authority、PoA）では、保有する暗号資産の量でバリデーターが決まるのではなく、評判と身元に基づいて選ばれます。バリデーターは信頼性に基づき選定され、不正な行動をとった場合、ネットワークから排除されます。
ブロックチェーンネットワークの種類
パブリックブロックチェーン
パブリックブロックチェーンは、誰でも参加可能な分散型ネットワークです。これらのネットワークは通常、オープンソースで透明性が高く、パーミッションレスであり、誰でもアクセスして利用できます。パブリックブロックチェーンの代表例として、ビットコインとイーサリアムが挙げられます。
プライベートブロックチェーン
プライベートブロックチェーンは、その名の通り、一般に公開されていないブロックチェーンネットワークです。プライベートブロックチェーンは通常、企業などの単一の事業者によって運営され、企業内部向けの目的に利用されます。
プライベートブロックチェーンは、チェーンへの閲覧および書き込み権限が設定された許可制環境となっています。明確な管理体制が確立されており、分散型システムではありません。ただし、多くのノードが各マシンにチェーンのコピーを保持するという点では分散型になります。
コンソーシアムブロックチェーン
コンソーシアムブロックチェーンは、パブリックおよびプライベートブロックチェーンのハイブリッド型です。コンソーシアムブロックチェーンでは、複数の組織が集まり、共同で管理・統治する共有ブロックチェーンネットワークを構築します。これらのネットワークは、コンソーシアムメンバーの要求に応じて、オープンまたはクローズ形態で運用できます。
誰でもブロックを検証可能なオープンシステムや、単一事業者のみがブロックを作成するクローズシステムとは異なり、コンソーシアムチェーンでは、少数の同等な権限を持つ当事者がバリデーターとして機能します。
システムの運用規定は柔軟であり、チェーンの可視性をバリデーターに限定したり、権限者にのみ付与したり、すべての人に公開したりできます。バリデーターが合意に至れば、変更が迅速に実施できます。ブロックチェーンの運用においても、一定基準以上の権限を持つ当事者が誠実に行動すれば、システム上、問題が発生することはありません。
ブロックチェーンの活用事例
ブロックチェーン技術はまだ発展途上ですが、すでに多様な業界でユースケースが存在します。ブロックチェーン技術で現在最も一般的な応用例には、以下のようなものがあります。
1. 暗号資産
ブロックチェーン技術は、暗号資産の創出を支えるために開発されました。暗号資産は、セキュアかつ分散型の台帳としてブロックチェーンを使用し、トランザクションを記録します。
従来の海外送金では仲介業者が必要で高額な手数料が発生していますが、ブロックチェーンを利用することで、より迅速で低コストかつ透明性の高い海外送金を実現できます。価値の保存という特性以外にも、多くの人々がビットコインやその他の暗号資産を海外送金に利用しています。
2. スマートコントラクト
スマートコントラクトは、特定の条件が満たされるとプログラムにより自動実行される自己実行型コントラクトです。ブロックチェーン技術により、スマートコントラクトの作成と実行がセキュアかつ分散型の手法で実施されます。
スマートコントラクトの主要な用途には、分散型金融（DeFi）プラットフォームの主要部分を構成する分散型アプリケーション（dApp）および分散型自律組織（DAO）があります。DeFiプラットフォームでは、ブロックチェーンを活用し、従来の金融機関を介さずに貸借や取引などの金融サービスが利用できます。これにより、金融ツールへのアクセスが民主化されます。
3. トークン化
不動産、株式、美術品などの現実資産（RWA）は、トークン化（ブロックチェーン上でデジタルトークンに交換）され得ます。トークン化により、流動性が向上し、投資機会へのアクセスが拡大します。
4. デジタルID
ブロックチェーンは、個人情報やその他の機密データの認証に利用でき、セキュアで改ざん不可能なデジタルIDの作成に利用できます。個人情報および資産のオンライン化が進むにつれ、その重要性はますます高まる可能性があります。
5. 投票
ブロックチェーン技術を活用し、すべての投票を改ざん不可能な分散型台帳に記録することで、不正投票の可能性を排除し、投票プロセスの完全性を保証するセキュアかつ透明性の高い投票システムを構築できます。
6. サプライチェーン管理
ブロックチェーン技術を利用し、サプライチェーン内の全トランザクションを記録する台帳を作成できます。各トランザクション（またはトランザクションのバッチ）は、ブロックチェーン上にブロックとして記録され、全サプライチェーンプロセスを改ざん不可能かつ透明な記録として作成できます。
まとめ
ブロックチェーン技術は、セキュアかつ透明性の高い手法でトランザクションを記録し、データを保存するものです。デジタル分野での信頼性とセキュリティを新たな水準まで高め、産業界に変革を起こす技術と言えます。
ピア・ツー・ピアのトランザクションの実現、新たなデジタル資産の創出、分散型アプリケーションの促進など、ブロックチェーン技術により無限の可能性を開拓できます。技術が進化し続け、さらなる普及が進むにつれて、より革新的かつ変革的なユースケースが今後出現することが期待されます。
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