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ブロックチェーンとマイニングのブラックボックスの中身の概要を理解する

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こんにちは。日本のNFTをみんなで盛り上げて応援したい!AIにも興味深々のWeb3じいじのko_sanです。

ブロックチェーンとマイニングってなんとなくわかったつもりになっているだけで、中身はブラックボックスなんだけど、もう少し詳しく知りたいわ。

そんな疑問にお答えします。2024年の4月から東大のブロックチェーン公開講座を受講して、少し概要がわかってきたので、学んだことをまとめました。

目次

◾️ブロックチェーンとは

ブロックチェーンというと、「色々な取引の履歴が入ったボックスのイメージで、それが
チェーンのようにつながっていき、改ざんができないシステム」という具合に中身がブラックボックス化してぼんやり理解していました。

そのあたりを今回の講座で、より深く理解したいと思い参加したわけですが、ビットコインのブロックチェーンの講義で少し概要がクリアになってきたので、忘備録を兼ねてまとめておきます。

1)トラストレスという概念からブロックチェーンを定義

世の中の多くの中央集権的なシステムでは運営会社やそこで働く人に対しての信用(トラスト)をベースに
サービスを利用しています。

例えば、マクドナルドで300円のハンバーガーを買うときに、1000円札を店員さんに渡すケースでは、店員さんとマクドナルドという会社への信用(トラスト)がベースになっているので、1000円札は当然搾取されずに、ハンバーガーという品物と、おつり700円が戻ってくるものとして、システムが成り立っています。

ブロックチェーンのシステムでは、そもそも信用できる中央で管理している企業や団体が存在しません。

なので、世の中の信用(トラスト)が前提となっているシステムとは異なって、トラストレス(信用不要)なシステムとする必要がそもそもあったわけです。

2)ブロックチェーンに組み込まれている経済的インセンティブとは

そのために必要なのが、経済的インセンティブになります。

つまり、トラストレスを達成するために、講義によると以下のような経済的インセンティブがシステムに組み込まれています。

ブロックチェーンに組み込まれている経済的インセンティブとは:
・ブロックチェーンにおけるブロックの生成には報酬が発生する
・ルール通りに行動しない場合は報酬を得られないため人々はルール通りに行動する

3)ブロックチェーンにはどうやって経済的インセンティブが組み込まれているのか

ブロックチェーンは単に分散型でシステムが構築されているのではなく、経済的インセンティブがシステムに組み込まれていることで初めて実現しているということがわかりました。

ではどうやってそれが組み込まれているのかについて、以下の説明がありました。

・新しいデータを記録するには新しくブロックを生成する必要がある
・ブロック生成のためにはマイニングが必要
・マイニングに成功したら報酬を受け取れる

非中央集権のシステムに参加してもらうために、インセンティブが組み込まれた設計になっているわけですね。

次に第2回と第3回の講座の内容から、マイニングの概要についてのみ簡単に整理してまとめてみました。

◾️ブロックチェーンのマイニングとは

マイニングとはどんな作業なんでしょうか?漠然とした理解では、金の鉱脈を掘り当てるように、ビットコインの報をうけとるための何か複雑な計算をして解を探りあてるというイメージでした。どうも本来の目的は別のところにあるようです。

1)マイニングのステップ

東大ブロックチェーン公開講座より引用

以下のステップでマイニングが実施されます。

①ブロックチェーン上である取引をした場合に新しいブロックが生成され未処理のメモリープールに集められる
②新しいブロックには、ヘッダー情報と取引データ(トランザクション)情報が含まれる
③ブロックチェーンのプロトコルによってネットワーク全体で共有される新しいブロックの目標条件(例えばハッシュ値の先頭に0がいくつあるか等)が決まる。約10分で解ける難易度が設定される
④マイナーは、目標条件を満たすハッシュ値を見つけるためにブロックの情報等と併せてナンス値という値を変えて膨大な繰り返し計算をおこなう
⑤ハッシュ値が見つかると、マイナーはネットワーク全体にブロードキャストして、全体で検証、合意された上、新しいブロックとして採用され報酬を得る

2)ことばの定義:

ここで、上記ステップに出てくる言葉の定義を示しておきます。

・ハッシュ値:ブロックに含まれるデータを一定の長さの数字であらわしたもの
・ハッシュ関数:データを一定の長さの固定されたバイナリ値(ハッシュ値)に変換する関数
 特徴として、一方向関数(順方向は一瞬で値が出力される。逆方向は求めることが困難)
例:SHA-256(Secure Hash Algorithm 256-bit):どんなに大きなデータでも、一定の長さのバイナリ値(256ビット)に変換するハッシュ関数
他に、MD5、SHA1などいくつもある。
・ナンス値(nonce):マイニング作業に使用されるランダムな数字。0から2^32(約42億)までの範囲の整数で、ブロックごとに異なる値をもつ。
・トランザクション:送金やデータのやり取りを示す記録で、以下の情報を含む
 ①送金情報: : 送金元アドレスから送金先アドレスへのビットコインの数量
 ②手数料 : トランザクションの処理手数料。マイナーに支払われる。
 ③署名 : 送金元の秘密鍵で署名されたトランザクションの部分。
 ④入力と出力: トランザクションの入力と出力の情報。入力は過去のトランザクションの出力を参照し、出力は新しい所有者の公開鍵と数量を示す。

3)マイニングについてわかったこと

言葉の定義を読みつつ、マイニングのステップを読み返してみてわかったことは以下です。

・マイニング作業は、ブロックの情報等と併せてランダムな数字のナンス値を変えて膨大な繰り返し計算をおこない、目標条件を満たすハッシュ値を見つける作業。
・マイナーは見つけたハッシュ値以外にナンス値を含む入力値も提出するので、
検証する側は既知の入力からハッシュ値を瞬時に計算できてすぐ検証ができる
・マイニングって金鉱を掘り当てるように報酬を得るための作業と思ってましたが、それは手段としてのインセンティブであって、本来の目的は分散的な取り引き検証と合意形成のためのものである。つまりここに組み込まれたインセンティブがある。

◾️まとめ

ブロックチェーンとマイニングについて、東大のブロックチェーン講座の内容と、一部書籍の情報を踏まえて、そのシステムの内容をまとめました。

これまでブラックボックスだったシステムの中身が、少しクリアになったように思います。

参考になれば嬉しいです。

参考にした書籍は、東大ブロックチェーン講座での推薦図書の1つです。

あわせて読みたい
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