ブロックチェーン(分散型台帳技術)とは?仕組みをわかりやすく図解で解説

近年、技術の発展と共にさまざまな技術的特異点の実現が試みられています。なかでもブロックチェーンは、去年あたりから大きく話題となった仮想通貨と関連した技術としてその知名度を一層高めました。

ブロックチェーンはビジネスへの応用力が高く、さまざま実証実験が今も行われています。今回はその仕組みと特徴を実例を交えながら解説していきます。 

ブロックチェーン(分散型台帳技術)とは

ブロックチェーンは要約すると、デジタルに記録される取引台帳のことです。

仮想通貨にもその技術が利用されるように、通貨の送受信に伴う取引の履歴を記録しています。

特にビットコインを語るうえでは必要不可欠な存在です。

ブロックチェーンがなぜビットコインにとって不可欠かというと、分散管理された取引台帳だからです。分散管理とは、文字通りさまざまなユーザー(ノード)によって取引記録が保持され、そこで構築されたネットワークによって管理されていることを意味します。

つまり、ブロックチェーンは通常のオンプレミスの中央集権的なサーバー管理と異なり、その管理主体が散らばっていることから堅牢なセキュリティを保っているのです。

次に、ブロックチェーンを構成する要素について解説します。

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ブロックチェーン(分散型台帳技術)の仕組み


ブロックチェーンは、分散管理された取引台帳とお伝えしました。台帳とは通常は紙のように1ページずつ記録されていくものですが、分散管理されたデジタルな台帳としてのブロックチェーンはイメージが根本的に異なります。

ブロックチェーンでは、紙の台帳でページにあたるものをブロックと呼び、このブロックが鎖(チェーン)のようにつながれて台帳を形作っていることからブロックチェーンと呼ばれるのです。

それではブロックチェーンがどのような仕組みで成り立ち、どのように維持されているのかを以下で解説します。

Peer to Peer(P2P/ピアツーピア)とは

P2Pとはクライアントサーバシステムと呼ばれる一元管理されている情報をユーザー側が取り出すという一般的な方式ではなく、PCのような端末同士が直に接続されて成り立つネットワーク形態を指します。

これは、一人ひとりのユーザー端末上の情報を用いてやり取りしあうことで情報を集積及びアップデートしていきます。

つまり、ネットワークに繋がれた誰か一人の端末にある情報が破損または紛失しても他の端末による補完が可能となります。

ブロックチェーンは、中央集権的に特定の管理者を置かず、多数のユーザーが管理や監視を行う「分散型台帳」の形態を取っています。中央集権的なシステムでは管理者のデータサーバーにある台帳が正式なものとされます。

サーバーへはアクセス許可が必要であり、承認された管理者がサーバー内の情報を閲覧及び記録します。

一方で、分散型台帳の場合は特定の管理サーバーは存在せず、数あるユーザーの一つ一つの端末に取引を記録した台帳がすべて保存されており、その情報はネットワーク上で誰でも閲覧することができます。

取引内容の更新があれば、ユーザー同士は台帳の情報を直接やり取りすることで内容を確認します。台帳のコピーがネットワーク上に分散して存在しているため、特定の端末が破損や障害を起こしてもデータの復旧作業が生じない運用が可能となっているのです。

P2Pは、分散管理を実現するブロックチェーンを構成する要素として必要不可欠なシステムとなっています。

ノードとは

ノードはやや分かりづらい概念ですが、日本語では「結び目」や「節」を意味します。その言葉の通り、コンピューター同士を繋ぐネットワークの「点」をノードと呼ぶのです。

具体的には、コンピューターやルーター、プリンターなどネットワークを形成する点となるものを指します。

ブロックチェーンでは、前述したP2Pネットワークを構成するユーザー端末がノードとなります。ノード同士が連携して構成するP2Pネットワークを構築することで分散管理が実現されます。

ハッシュ値とは

ハッシュとは日本語で「ごちゃまぜ」や「寄せ集め」を意味し、ハッシュ値とは一見して適当な値に見えるように不可逆的に加工された固定長データのことです。

定められた法則に則ってあるデータを特定の長さに短縮します。ハッシュ値は、加工前のデータに戻すことが基本的に不可能なため、元データを復元することが不可能となっています。

これにより、主にデータ改ざんや破損しているかどうかの確認のために用いられます。

加えてデータベース内に格納されたパスワードは、一般的にハッシュ値で保存されています。

ブロックチェーンでは、ビットコインなどで行われるマイニングの計算にハッシュ値が使われています。

ハッシュにはさまざまな方式があり、ビットコインでは SHA-256 と RIPEMD-160 が用いられています。SHA-256は取り込んだデータを256ビット、RIPEMD-160は160ビットのハッシュ値にそれぞれ加工する関数です。

ビットコインでは、2回ハッシュ化を行うダブルハッシュの形態を取っているため、SHA-256でハッシュ化した値をRIPEMD-160で再度ハッシュ化することで安全性を高めています。

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ノンスとは

ノンスとは、Number used onceの略で一度しか使われない使い捨ての値のことです。前述のハッシュ値とともにマイニングで用いられます。

マイニングとは、ある値を探し出すために行われる膨大な計算のことであり、そのある値というのがノンスです。
ハッシュ関数に値を総当たりで代入していくことで、一定以上小さくなるノンスを探し出す必要があります。

ノンスが必要となるプロセスを技術的な要素を含めて詳しく書きます。ブロックチェーンに新しいブロックを接続するときに、末尾のブロックにあるブロックハッシュ(そのブロックのハッシュ値)と付け加えたい新ブロックのタイムスタンプなどのメタデータと集積したトランザクション(取引データ)のハッシュ値を用いてブロックヘッダ(※)を構築します。

このブロックヘッダに含まれるノンスに適当な値を代入してハッシュ計算を行い、先頭に定められた桁数の0が並ぶノンスを導き出せれば完了です。このとき、ビットコインではSHA-256を用いて256桁の値が導かれ、これが新規ブロックのハッシュ値となります。

この一連の計算をマイニングと呼びますが、この先頭に0が複数桁並ぶ値というのがごく低い確率でしかヒットしないため、膨大な計算力を有するマシンと電力を必要とするのです。

ノンスは、このマイニングプロセスに置いて非常に重要な役割を担っています。

※1つ前のブロックのハッシュ値、マイニングに関するメタデータ(タイムスタンプ、ノンス、ディフィカルティ:採掘難易度)、ブロックに含まれるトランザクションすべてを要約した情報(マークルツリーのルートハッシュといいます)の3つの情報を含むブロックの構成要素です。

コンセンサスアルゴリズム

ブロックチェーンがチェーンを繋いていくためには、複数あるトランザクションと呼ばれる取引データを1つのブロックの形に生成してまとめる必要があります。

このブロックの生成には承認と呼ばれるプロセスが必須となります。この承認をどのように行うかを決めるのがコンセンサスアルゴリズムです。

コンセンサスアルゴリズムは、ブロックチェーンのネットワーク内で行われる取引が正当なものかどうかを確認するために行われます。

主に取引の改ざんや二重支払などの不正や不具合を検証するために、ネットワークに参加している全ユーザーがそれぞれで承認作業を行います。

これはブロックチェーンが中央集権的な仕組みを持たずに、信頼性を担保するために必要不可欠な仕組みとなっています。

コンセンサスアルゴリズムにはいくつか種類があります。ビットコインをはじめとするPoW(Proof of Work)、EoSやDashといった通貨で採用されるPoS(Proof of Stake)が代表的なものになります。PoWでいう承認作業がマイニング、PoSではフォージングと呼ばれます。

ブロックチェーン(分散型台帳技術)の種類

ブロックチェーンはさまざまな応用がきくことで、ビジネスユースでの活用についても研究が進められています。そのなかで従来とはタイプの異なるブロックチェーンも存在します。

以下ではブロックチェーンの類型であるパブリック型、プライベート型、コンソーシアム型について解説します。

パブリック型

パブリック型とはビットコインに採用されている分散管理された従来型のブロックチェーンであり、いわゆるブロックチェーンという場合にはこのタイプを指します。

中央集権的な管理者を置かず、透明性やネットワークとしてのセキュリティ堅牢性を誇っています。

しかし、取引内容がオープンソースとなることから金融機関等が用いるには、情報の性質によって公開制限が掛けられないことが課題となっています。上記はもともと想定されているユースケースではなかったため、ブロックチェーン技術の追加的な開発が検討されました。

プライベート型

プライベート型は、パブリック型が志向する分散型の設計とは異なり、特定の管理者が存在するブロックチェーンをいいます。

パブリック型が生まれた背景として、ブロックチェーンシステムを低コストで商用利用化することに企業が興味を持ち始めたことがきっかけとなっています。

パブリック型ではノードの制限無く誰でも参加可能なため、開発の関わる決定に参加者の合意を得る必要があります。

したがって、ブロックチェーンの性能向上の追求や迅速な開発体制の構築が難しくなります。

そのような理由からあえてクローズドのシステムとしてプライベート型のブロックチェーンを構築して開発を行う企業もあります。

コンソーシアム型

コンソーシアムとは組織だった共同事業体を意味し、一般的には企業などが連携してビジネスを行うときに組成されるものです。コンソーシアム型はこの共同事業体組合のなかでのみ機能するブロックチェーンを指します。

例えば、金融機関の決済利用などを想定した場合、このコンソーシアムに加入することでブロックチェーンによる決済システムにアクセスすることが可能となります。

コンソーシアム型は複数の機関がまたがって行うビジネスのなかで、取引の承認や情報開示について合意形成の形も複数の機関にまたがった方が良い場合に用いられます。

センシティブな情報を扱うため、ノードの参加に制限をかけざるを得ない金融機関などがまさにユースケースとして合致するでしょう。

ブロックチェーン(分散型台帳技術)のメリット

ブロックチェーンの仕組みや種類について解説しましたが、ブロックチェーンにはさまざまメリットが存在します。

中央集権化を防ぐことができる

ブロックチェーンは単一障害点の排除ができることが大きなメリットと言えます。

これは、マスターアカウントや認証局のような中央集権的に情報の管理を行うポイントが存在しないこと意味します。

通常のシステムではこの単一箇所が動作しないことでシステム全体に影響を及ぼします。

しかしブロックチェーンはノードの集合ネットワークによる情報の保持とコンセンサスアルゴリズムによる承認が行われるため、単一箇所の不具合でネットワーク全体が機能不全に陥ることはありません。

これは、管理主体が存在せず、中央集権的な組織運営から分散型組織への移行を可能にする大きなメリットとなるのです。

すべての取引履歴が公開されている

ブロックチェーンは、高いセキュリティと共に透明性も保持しています。パブリック型のブロックチェーンであれば、すべての情報がオープンソースとなっています。

つまり、ネットワークにアクセスしたユーザーならだれでも情報を閲覧することができます。情報の秘匿や第三者による情報の不正利用などを防ぐことができるのです。

具体的には、広告などのビジネスにおいて、流入から登録や購入といったプロセスへつながる割合(コンバージョンレート)などを広告プラットフォーム(ASPなど)側がブラックボックス化してしまうことが問題となることがあります。

このようなビジネス形態にブロックチェーンを導入することで、メディアなどの広告掲載側の報酬の妥当性と広告主の広告掲載効果を可視化し、公正な取引環境を実現できるのです。

「ブロック」は暗号化される

ブロックチェーンで紡がれるブロック内の情報は、すべてハッシュ化されています。
ブロックは、ブロックに関する情報を含むブロックヘッダとそのブロックに含まれるトランザクションの情報であるトランザクションリストの2つで構成されています。

特にブロックヘッダに含まれる情報である1つ前のブロック情報とそのブロック内のすべてのトランザクションの要約情報は非常に重要です。

これらの情報を含むブロックヘッダは、ビットコインであればSHA-256を用いてブロックハッシュとして次の取引に渡されていくため、次のブロックを承認する作業時にはハッシュ化された前のブロックの情報しか持つことができないように設計されています。

これは、悪意のあるユーザーが前のブロックからの取引情報を復号して重要な情報を盗用することを防ぎます。

改ざんが極めて困難

ブロックチェーンの大きなメリットの1つには改ざん耐性も含まれます。
ブロックチェーンはノードによるネットワークと説明しましたが、これはノードすべてがデーターベースの役割を担っていることを意味します。

通常のハッキングであれば、中央サーバーにアクセスしてデータベースの情報を改ざんすればそこで情報は書き換わってしまいます。しかし、ブロックチェーンの場合は、絶えずマイニングなどの承認プロセスによる情報の蓄積が行われています。

つまり、悪意あるユーザーがブロックチェーンの情報を書き換えようとする場合、PoWを例にとればマイニングに参加するすべてのユーザーのマシンパワーを上回るマシンパワーで情報を書き換えなければなりません。

また、ブロックチェーンはより長く繋げられたチェーンを正規のチェーンとみなす特徴があるため、その改ざんした情報を保持するためには常にブロックを生成し続けなければなりません。

これは非常に経済合理性に反しており、技術的なセキュリティとともに通常の利用がユーザーにとって合理的になるよう設計されているため、改ざん耐性が高いと言えるのです。

海外送金コストが安くなる

ブロックチェーンを用いる場合、ホストコンピュータを設置する必要がありません。ノードが取引を紡いでくれるため、その分のコストを索然することができます。

特に海外送金などは銀行をはじめとした多数の金融機関を介して行われるため、マシンのコストだけではなく、事務コストなどの人件費なども相応に発生します。

これらをネットワークで完結させられることでより早くより安い送金環境が実現できます。

スマートコントラクト

スマートコントラクトはスムーズな契約形態を意味し、交渉や検証、契約内容の実行などを自動化して効率のよい取引を実現するものです。

スマートコントラクトはよく自動販売機にたとえられます。飲み物の代金を投入すると選択した内容に沿って、飲み物が取り出し口から提供されます。

この場合は簡単なプロセスしかありませんが、このユーザーのアクションによって次の実行内容が規定されている契約が自動で執り行われることで、煩雑な契約周りのオペレーション効率化などが期待されています。

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ブロックチェーン(分散型台帳技術)の応用例

ブロックチェーンのメリットをまとめましたが、以下では実際にはどのように利用されているのかについて解説します。

仮想通貨(暗号通貨)

仮想通貨のシステムとブロックチェーンは切っても切れない関係にあります。仮想通貨は分散管理体制を標榜するプロジェクトが多く、そのシステムにはブロックチェーンが多大に貢献しています。

例を挙げると、ビットコインではPoWを用いたマイニングでブロックチェーンに記録される情報を分散管理しています。また、PoSやDPoSなどさまざまコンセンサスアルゴリズムのもと、ブロックチェーンによる取引記録の形成とその公開が行われています。

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DApps

DAppsとは、Decentralized Applicationsの略で分散アプリケーションと訳されます。

これは分散管理されたアプリケーションの総称で、ゲームや取引所、仮想通貨のププロジェクトまでその種類はさまざまです。

イーサリアムのプラットフォームを基盤としたDAppsが最も開発が盛んで、一時期話題となったイーサリアムを使って自分だけの猫を育てるゲームの「クリプトキティ」などが有名です。

また、特定の管理者が存在しない取引所であるDEX(Decentralized EXchange)もDAppsの一つとしては有名で、0xやカイバーネットワークなどがあります。

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シェアリングエコノミー

昨今、家や車のシェアなどシェアリングエコノミーの経済圏は広がりつつあります。

ブロックチェーンでは、コンピューターのストレージを他人に貸し出したり、デジタルコンテンツを他人に貸し出すこともブロックチェーンのトレーサビリティによって実現されています。

利用者同士がスマートコントラクトによって支払を済ませられれば、よりこの経済圏は拡大することが予想されます。

IoT(Internet of Things)

IoTでは、すべての情報がインターネット上にのることで利便性の向上とともにセキュリティへの懸念が浮上していました。しかし、データの改ざんや不正送受信などをブロックチェーンの改ざん耐性とトレーサビリティで補うことができ、今後のさらなる発展が期待される分野の1つです。
仮想通貨プロジェクトのIOTAは、ブロックチェーンと仮想通貨のシステムを利用してIoTを促進しよとするプロジェクトであり、セキュリティとビジネス効率性でIoTの社会を実現しようとしています。

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電子投票

マイナンバーカードとブロックチェーンを併用した電子投票がつくば市で実験的に実施されたました。

投票者の正当性確認や投票内容の改ざん耐性などが高く評価されることで、まだまだ課題はありますがブロックチェ−ンのビジネス実現に向けた1つの大きな成果となりました。

物流システム

貿易などでは、相手方の信用を担保する信用状というものが発行され、金融機関主導の下で日夜取引が行われています。

ここにブロックチェーンを導入することで、相手が本当に取引相手なのかどうかを明確に確認することができ、また最悪の場合には荷物の移動履歴をトレースすることができるためサプライチェーンの革新が期待されています。

医療・保険分野

ブロックチェーンは、トレーサビリティや改ざん耐性によって医療の現場でも注目を浴びています。

膨大なデータの集積と分析に伴って、プライバシーの侵害や個人情報保護の観点がより一層強まったいま、BitHealthという米国のスタートアップ企業がブロックチェーンの医療進出を果たしています。

BitHealthではユーザー自身が診察データを安全に保管することができ、それを医療機関に提供することもできます。

他にも医薬品の偽造防止などにも活用されており、今後もその拡大が期待される領域です。

音楽・アート分野

ブロックチェーンのトレーサビリティを活用して音楽やアートに関する著作権や商標権などの権利義務や転売などを記録することでアーティストの創作行為を守ろうとする動きもあります。
Startbahnというスタートアップ企業は転売されるたびにアーティストに対して配当金が入るビジネスを考案しました。
このようなサービスは、ブロックチェーンならではの仕組みといえます。

                                    

ブロックチェーン(分散型台帳技術)活用が世界を変える

ブロックチェーンは、既存のビジネスモデルを変える可能性を秘めており、現在でもさまざまな領域で開発や実証実験が行われています。中央集権的な組織構造ではなく、分散型組織にマッチしたシステムとして、企業の新しいあり方として話題となるティール組織との相性が良いとも言われています。

ビットコインをはじめとした仮想通貨が新たなコミュニティを作っていくように、今後の社会のあり方に適したシステムとしてまだまだ発展性を秘めたブロックチェーンに期待が寄せられます。

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