ブロックチェーンの仕組みを初心者向けにわかりやすく解説

ビットコインをはじめとする多くの仮想通貨で採用されていることから注目を集めている仕組みであるブロックチェーンは、その単純さとは裏腹に改ざんに対して極めて強い耐性を持ち、高い透明性も確保できる、次世代のデータ保存技術です。

現状は仮想通貨と一緒くたに語られることが多いブロックチェーンですが、将来的には金融、医療、流通、ゲームなど、幅広いジャンルを大幅に安全に効率化する可能性を大いに秘めています。今回は、ブロックチェーンがどのようなものかを改めて見直してみましょう。

データを分散管理する仕組みである「ブロックチェーン」
ブロックチェーンの仕組みと特徴
- 中央管理者が存在しないブロックチェーン
- 不正・改ざんは簡単ではないブロックチェーン
ブロックチェーンの3類型
ブロックチェーンが期待される3つの分野

データを分散管理する仕組みである「ブロックチェーン」

ブロックチェーンとは、多数の取引（トランザクション）やそれに付随する記録がまとめられた「ブロック」がチェーンで繋がったものです。ブロックは一定時間ごとに新しく生成され、生成されたばかりのブロックはその1つ前に出来たブロックに接続されます。

これまでのデータ保存技術とブロックチェーンの最大の違いは、中央管理者の有無です。例えば、銀行の取引データは銀行のサーバーで管理されていて、銀行がハッキングや攻撃への対策を行うことで、取引データは安全に保たれます。
実際には銀行や政府機関などの極めて高度な対策を実施しているはずの機関でも、ハッキングやサイバー攻撃による大規模な情報流出は珍しいことではありません。これは、すべてのデータを一箇所で管理していることの弊害です。

これに対してブロックチェーンには中央管理者が存在せず、インターネットに接続している複数のノードに分散管理されています。常に同期を取りながら複数のノードに同じデータを保存することによって、これらのデータは安全に保たれます。

データを分散管理しているため、ハッキングや攻撃への耐性が強く、一部のノードがダウンしても残りのノードが機能していればサービス提供を続けられるのがブロックチェーンの最大の強みです。

ブロックチェーンの仕組みと特徴

ブロックチェーンの概要を見てきましたが、具体的にはどのような仕組みになっているのでしょうか。まずはブロックの中身を見ていきましょう。ここではビットコインのブロックを例に出しますが、他の仮想通貨も似たようなものです。

ビットコインのブロックの中身は

取引データ（取引に関するデータ）
ノンス（ハッシュ値を計算するための適当な値）
ハッシュ値（ブロックを接続するために必要な値）

という3つの値で成り立っていますが、中でも特に重要なのがハッシュ値です。

ハッシュ値とは、あるデータをハッシュ関数と呼ばれる特殊な関数に入力したときに出力される、一見すると元データとは全く関係ない値です。元データを少しでも変えると、全く違うハッシュ値が出てきます。

ビットコインでは

これから生成するブロックに入れる取引データ
これから生成するブロックに入れるためのノンス
前のブロックのハッシュ値

の3つを元データとして、生成するブロックのハッシュ値を計算します。元データのうち、「これから生成するブロックに入れるためのノンス」はまだ未確定であり、ここを変更するとハッシュ値も変わります。ビットコインの場合、ハッシュ値の先頭16桁は必ず0にならなければならないという決まりがあります。この条件を満たすノンスが見つかれば、新しいブロックが生成されます。

このノンスを探す作業はマイニングといい、マイニングに最初に成功したノードには報酬が与えられます。マイニングについては、下記の記事を参照してください。

仮想通貨のマイニングとは？マイニングの種類や方法を分かりやすく解説

新しいブロックが生成されたら、またマイニングが始まり、更に新しいブロックが生成されます。生成されたすべてのブロックは1本のチェーンで繋げられており、これこそがブロックチェーンの正体です。ブロックチェーンのブロックには誕生から現在に至るまでのすべての取引データが格納されています。

中央管理者が存在しないブロックチェーン

ブロックチェーンでは前述の通り、取引データは多数のノードに分散して保管されます。これらのノードは互いに対等な立場で可動していているので、誰かが誰かを管理するという関係にはありません。ブロックチェーンはそれ自身を管理するものが存在しないのです（ただし、例外的に管理主体が存在するブロックチェーンも存在します。詳しくは後述）。

中央管理者がいないのは危険と思われるかもしれませんが、実際には極めて安全性が高くなるのです。

不正・改ざんは簡単ではないブロックチェーン

ブロックチェーンに格納されている取引データを改ざんすることは、技術的には不可能ではありませんが、かかるコストと得られるメリットまで考慮すると、改ざんは事実上不可能であると言ってしまっても問題ないでしょう。

ブロックチェーンはまれに分岐することがありますが、そのときは長く伸びているチェーンを正当なものとみなして、そうでない方は不当なものとみなします。したがって、ブロックチェーンを改ざんには、不当なチェーンを正当なチェーンよりも長く伸ばす必要があります。

しかし、それは事実上不可能です。世界中のコンピュータが本来は正当なチェーンを長く伸ばそうとするからです。ブロックチェーンにはこれから生成されるブロックの取引データとこれから生成されるブロックのノンス、前のブロックのハッシュ値が格納されています。この3つのデータを元データに、これから生成されるブロックに格納されるハッシュ値が決まります。

特定のブロックを改ざんして取引データをすり替えると、その時点で次のブロックに格納されるハッシュ値がかわり、正しいノンスを見つける作業を行わなければなりません。

これを繰り返している間も、正当なブロックチェーンはどんどん伸びていってしまいます。計算能力の大半を支配すればあるいは逆転できるかもしれませんが、それだけの能力があるなら、それを正当なマイニングに使用して報酬を得るほうがより効率的に稼げます。この報酬も抑止力となり、改ざんを防いでいます。

ブロックチェーンの3類型

ブロックチェーンにはパブリック型とプライベート型、コンソーシアム型の3つのタイプがあります。いずれもノードで管理するという点では一致していますが、ノードの条件が違い、メリットやデメリットにも差があります。それぞれの違いを見てみましょう。

パブリック型

パブリック型とは、特に条件が設定されていない、インターネットに接続されたすべてのコンピュータがノードとなり得る仕組みです。ビットコインやイーサリアム、ビットコインキャッシュなど、多くの仮想通貨はパブリック型です。

パブリック型の特徴は、取引記録が公開されているので透明性が高いことです。仮想通貨がマネーロンダリングに使われることを懸念する人は少なくありません。しかし、すべての取引がブロックチェーンに記録・公開されるので、そのようなリスクは（匿名通貨などを除けば）法定通貨よりもむしろ低いと言えます。各ノードが能動的にネットワークを維持するため、管理にかかるコストも安価です。

一方、不特定多数のノードが参加するため、処理プロセスはより厳密に設定し、改ざんを防ぐ必要があります。処理プロセスを厳密にすればそれだけ取引に時間がかかります。

プライベート型

プライベート型とは、1つの管理主体が存在してその管理主体が認めたコンピュータのみがノードとなり得る仕組みです。もともと、ブロックチェーンは高度な分散化を達成するために作られたものでしたが、参入の敷居の低さや透明性の高さが弊害になることもありえます。例えば特定の企業の閉じたプロジェクトに、世界中のコンピュータがノードとなることはリスクが付きまといます。このような問題を解決するのがプライベート型です。

プライベート型のメリットは、パブリック型と比べて厳密な処理プロセスが存在しないことです。もともと管理主体が信頼できるとみなしたノードしか参加してこないため、そこまで厳密に処理をする必要がないのです。取引記録も公開されないため、プライバシー保護にも繋がります。

一方で、取引情報の正確性や妥当性は管理者次第であることです。一度公開されたデータを改ざんすることはブロックチェーンの仕組み上難しいですが、最初から改ざんされたデータを掲載されるリスクはパブリック型と比べると遥かに高いです。また、ノード数が少なく、改ざん耐性自体もやや低めです。

コンソーシアム型

コンソーシアム型は、パブリック型とプライベート型の中間のような仕組みです。プライベート型では1つの管理主体がノードに対する許可を出しますが、コンソーシアム型では複数の管理主体が出します。

例えば、1社が管理するブロックチェーンはプライベート型ですが、5社が共同で管理するブロックチェーンはコンソーシアム型であると言えます。

基本的なメリットやデメリットはプライベート型に準じますが、複数の管理主体がいるため、改ざんや取引の正確性、妥当性などはプライベート型と比べれば上です。処理プロセスも十分に簡素化できるため、掃除でデメリットは小さいです。

ブロックチェーンが期待される3つの分野

このように非常に優秀な技術であるブロックチェーンですが、具体的にはどのような分野での活用が見込まれているのでしょうか。仮想通貨はもちろんその代表的な存在ですが、個々ではそれ以外の分野を3つ紹介します。

医療

医療分野のデータ管理では、他分野と比べてより高度な正確性と安全性、低コストが求められます。このような分野と、ブロックチェーンの相性は極めて良好です。例えば、ブロックチェーンに多数の医療関係者がアクセスできる仕組みを作れば、医師同士・医療機関同士の情報共有はより簡単になります。医薬品のトレーサビリティ（追跡可能性）の強化や専門医の認定などへの活用も期待されます。