【ブロックチェーンの仕組みとは？】特徴や基礎をわかりやすく解説

暗号資産から話題となり、近年は金融分野以外でも活躍しているブロックチェーン。

ブロックチェーンは分散型台帳技術といわれる仕組みを使ったデータ管理の方法です。データ改ざんが極めて困難で、自律分散的に半永久的に稼働することができるネットワークとなっています。

しかし、ブロックチェーンの仕組みを詳しく理解できていないという方も多いのではないでしょうか。

そこで今回は、ブロックチェーンの仕組みや特徴に注目して説明をします。

この記事を読めば、ブロックチェーンの基礎を理解することができ、イノベーションの波に乗り遅れずに済みます。

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ブロックチェーンとは

「ブロックチェーン」とは、取引履歴（データ）をブロック単位で管理し、ブロックを鎖のように連結してデータを保管する技術です。

日本ブロックチェーン協会のブロックチェーン部門で以下の通りに定義されています。

ブロックチェーンの定義１

ビザンチン障害を含む不特定多数のノードを用い、時間の経過とともにその時点の合意が覆る確率が0へ収束するプロトコル、またはその実装をブロックチェーンと呼ぶ。

ブロックチェーンの定義２

電子署名とハッシュポインタを使用し改竄検出が容易なデータ構造を持ち、且つ、当該データをネットワーク上に分散する多数のノードに保持させることで、高可用性及びデータ同一性等を実現する技術を広義のブロックチェーンと呼ぶ。

日本ブロックチェーン協会：ブロックチェーンとは

上記の定義は少し難易度が高いため、ブロックチェーンは「非中央集権型の分散型台帳技術」という点を覚えておきましょう。

ブロックチェーンの特徴

ブロックチェーンの主な特徴を解説していきます。

主な特徴は以下の3つです。

• 非中央集権的であること
• 改ざんが難しい
• システムダウンしにくい

それぞれを解説します。

非中央集権的であること

非中央集権とは、中心となる特定の管理者を作らずに分散して価値を共有する構築のことを言います。

データベースの場合、サーバーを管理する側と、サービスを受ける側に分かれた主従関係を作ります。しかし、ブロックチェーンはこういった主従関係を作ることなく、まったく同じデータを参加者全員が保有し、互いに管理、監視する仕組みとなっています。

非中央集権的な仕組みにより、管理者による不正や改ざんができないだけでなく、手数料を削減したり、取引スピードを向上することができます。

例えば、暗号資産を使って海外送金をすれば、送金手数料を大幅に安く済ませることができます。

改ざんが難しい

ブロックチェーンはデータの改ざんが極めて困難な仕組みになっています。そのため、暗号資産のような貨幣価値のやりとりを始め、NFTのようなデジタル資産の保有や売買、契約の自動実行プログラムなどを実現できます。

ブロックチェーンの改ざん耐性を支える技術として、「ハッシュ」、「電子署名」、「コンセンサスアルゴリズム」があります。ここでは簡単にそれぞれの役割を記載します。

• ハッシュ：チェーンを構築するときに、1つ前に作られたブロックの情報を基にハッシュ値を生成し、この値を基に2つのブロックを繋げる。
• 電子署名：データが署名者により作成されたこと、改ざんされていないことを証明する。
• コンセンサスアルゴリズム： ブロックチェーンネットワーク上にデータを登録するときに、記録の食い違いが出ないようにする。

上記の技術を組み合わせることによって、ブロックチェーンは極めて改ざんが困難なデータ管理を可能にしました。

システムダウンしにくい

ブロックチェーンは、情報を世界中のノードで分散管理しています。そのため、ネットワークの一部で不具合や稼働停止が起こっても、そのまま動き続けることができます。

ブロックチェーンネットワークの参加者全員が同じデータを保有しているため、ある参加者が故障等でデータの提供ができなくなったとしても、システムは他の参加者からデータを取得することで、システムダウンを避けることができるのです。

従来の中央集権的な仕組みでは、中央サーバーの不具合や停止によってサービスが停止するリスクがありました。しかし、ブロックチェーンでは分散されたノードでデータを管理するため、システムダウンする可能性がほぼありません。

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ブロックチェーンの仕組み

ブロックチェーンの仕組みを知る上で欠かせない主なキーワードを4つご紹介します

• P2Pネットワーク
• コンセンサスアルゴリズム
• ハッシュ値
• 公開鍵暗号技術

それぞれを解説します。

P2Pネットワーク

P2Pネットワークは、複数のコンピューターが1対1で直接データのやり取りを行えるようにする接続方式です。

一般的なネットワークシステムで活用される「クライアントサーバ方式」と比べると、個別に通信を確立し、特定のサーバーに負荷が集中することがないため、耐障害性が高いです。

一部のコンピューターが停止したとしても、残りのコンピューターでネットワークを維持できるため、P2Pネットワークで稼働するシステムは、実質的にシステムダウンすることがありません。

コンセンサスアルゴリズム

コンセンサスアルゴリズムは「合意形成」とも呼ばれ、ブロックチェーン上に正しいデータを記録するために必要な仕組みです。

コンセンサスアルゴリズムによって、ブロックチェーンに記録するために必要なルールを事前に定め、取引の不正を防ぎながら記録をすることができます。

ハッシュ値

ハッシュ値とは、あるデータを基に計算された一定長の値のことです。

ブロックチェーンでは、ブロックとブロックを繋げるためにハッシュ値が利用されており、データの改ざん検知を行うことができます。

公開鍵暗号技術

公開鍵暗号技術とは、公開鍵と秘密鍵という二つのカギを用いて、データを暗号化、複合化する技術です。

ブロックチェーンでは、こちらの技術を応用して「電子署名」を利用することで、取引を行った人が本人であることを証明します。

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ブロックチェーンのメリット

ブロックチェーンのメリットを解説します。主なメリットは以下の3つです。

• 特定の管理者が不要で透明性が高い
• コストが削減できる
• スマートコントラクトによる効率化

それぞれを解説します。

特定の管理者が不要で透明性が高い

特定の管理者の管理者が不要となることで、管理者の都合によってデータを消されることや、管理者がサイバー攻撃にあうことでシステムがダウンすることがなくなります。

また、データは高い改ざん耐性を持ちつつ、時系列順に記録されるため。値の変化をトレースすることもできるため、取引の透明化を図れます。

コストが削減できる

一般的なシステムで使われるクライアントサーバ方式では、特定のサーバーにデータを記録する必要があるため、高スペックのサーバーを用意して保守・点検を継続する必要があります。

これに対して、ブロックチェーンは高スペックのサーバーを保有する必要がないため、ランニングコストを削減することができます。

スマートコントラクトによる効率化

スマートコントラクトとは、「あらかじめ決められたルールに沿って、特定の情報をトリガーに実行されるプログラム」のことです。

よく説明に用いられるものとして、自動販売機があります。自動販売機は、ユーザが指定された金額を入れて、ボタンを押すと商品を購入できますが、ブロックチェーンも同じように、指定されたトリガーを基に取引などを自動で記録することができます。

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ブロックチェーンのデメリット

ブロックチェーンにもデメリットがありますので解説します。主なデメリットは以下の3つです。

• スケーラビリティの問題
• 電力消費やガス代金が増大しやすい
• データの修正が難しい

それぞれを解説します。

スケーラビリティの問題

ブロックチェーンはブロック単位でデータを管理するが、大きなデータは保有できないという問題があります。例えば、ビットコインにおいてブロックチェーンのブロックサイズは最大で１MBという制約があり、これを超えるとブロックチェーン上に記録されないものとなっています。

電力消費やガス代金が増大しやすい

ブロックチェーンに新しいブロックを生成する際に、「マイニング」と呼ばれるプロセスがあります。「マイニング」は取引が正当なものであるか判別するために、特定の値を計算で導き出すものですが、計算をするにあたり高性能なコンピューターを動かし続ける電力が必要となります。

イーサリアムネットワークでは、ガス代と言われる手数料の高騰も問題になっていました。しかし、この問題を解決するためにイーサリアムはPoS（プルーフ・オブ・ステーク）に移行し、さらに今後はシャーディングを実装することよって高速処理が可能になる見込みです。

データの修正が難しい

ブロックチェーンの高い改ざん耐性を持っていますが、これが原因で誤ったデータの修正ができないということがあります。（修正するためのデータを新しくブロックチェーンに登録することは可能です。）

ブロックチェーンの種類

ブロックチェーンには主に以下の3つの種類があります。

• パブリックブロックチェーン
• プライベートブロックチェーン
• コンソーシアムブロックチェーン

それぞれを解説します。

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、その名前の通り誰でも参加できるブロックチェーンとなっており、取引の内容を誰でも閲覧することができます。

こちらは、すべての取引が公開されているため、透明性が高いものとなっています。

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、参加のためには管理主体の承認が必要となるブロックチェーンです。

先ほどのパブリックブロックチェーンと異なり、参加者を把握することができ悪意を持つ参加者が含まれるリスクを抑えることができます。

コンソーシアムブロックチェーン

こちらはプライベートブロックチェーンと似ていますが、複数の管理主体が存在するブロックチェーンとなっています。

複数の管理主体が存在することで分散性を持たせることができ、パブリックブロックチェーンと比較すると迅速な処理が可能です。

まとめ　ブロックチェーンの仕組みや特徴について

今回はブロックチェーンの基礎について解説しました。

近年様々な業種でも活用されているブロックチェーンですが、利用する場合は当然ながらメリットとデメリットを把握したうえで利用する必要があります。

本サイトではブロックチェーンに関連した記事を今後も投稿するため、閲覧をしていただけると幸いです。

将来性が期待されるブロックチェーンですが、ブロックチェーン開発には独特のノウハウや注意点があります。ブロックチェーンやスマートコントラクトを活用したシステム開発は、株式会社リッカにご相談ください。