ブロックチェーンは本当に安全なのか？仕組みやメリット・デメリットを徹底解説

ブロックチェーンという言葉を聞いたことはありませんか？ブロックチェーンは、ビットコインなどの仮想通貨の基盤技術として知られていますが、それだけではありません。ブロックチェーンは、取引記録を分散型の台帳に保存することで、システム障害やデータ改ざんに強いという特徴を持つ革新的な技術です。しかし、ブロックチェーンは本当に安全なのでしょうか？また、ブロックチェーンにはどのようなメリットやデメリットがあるのでしょうか？この記事では、ブロックチェーンの仕組みやメリット・デメリットをわかりやすく徹底解説します。ブロックチェーンについて知りたい方は、ぜひ最後までお読みください。

ブロックチェーンとは？

ブロックチェーンとは、簡単に言うと「取引履歴を暗号化して鎖のようにつなげて記録する仕組み」です。各取引の記録は、その取引の内容と、前の取引の暗号化された情報（ハッシュ値）で1つの塊（ブロック）として構成されます。ブロックチェーンとは、このブロックが複数連結されたものを指します。また、ブロックチェーン化された取引記録は、特定の管理者が存在しない分散型のシステムで管理されています。つまり、ネットワーク上に参加する複数のコンピュータ（ノード）がそれぞれ同じ情報を保持し、常に同期が取られる仕組みです。このようにして、ブロックチェーンはシステム障害やデータ改ざんに強いという特徴を持っています。

ブロックチェーンの仕組み

では、具体的にブロックチェーンはどのように動作するのでしょうか？ブロックチェーンには3つの重要な仕組みがあります。

P2P通信
暗号技術
コンセンサスアルゴリズム

これらの仕組みを順に見ていきましょう。

P2P通信

P2P（Peer to Peer）通信とは、複数のコンピュータが互いに情報をやり取りする技術です。 P2Pでは、各コンピュータが平等な立場で通信するため、中央のサーバーや管理者が必要ありません。これにより、システムの負荷を分散させたり、一部のコンピュータが故障しても他のコンピュータが代わりに機能したりすることができます。ブロックチェーンでは、P2P通信を使ってネットワーク上の全てのコンピュータが同じ取引記録を共有します。これにより、ブロックチェーンはデータの損失や障害に強くなります。

暗号技術

暗号技術とは、データを不可逆的に変換したり、特定の鍵を持つ者だけが復元できるようにしたりする技術です。暗号技術にはさまざまな種類がありますが、ブロックチェーンでは主に「ハッシュ関数」と「公開鍵暗号方式」が使われます。

ハッシュ関数

ハッシュ関数とは、任意の長さのデータを固定長の文字列（ハッシュ値）に変換する関数です。ハッシュ関数は以下の性質を持ちます。

同じ入力からは必ず同じ出力が得られる
異なる入力からは異なる出力が得られる
出力から入力を逆算することは困難である

ブロックチェーンでは、各ブロックに前のブロックのハッシュ値が含まれます。これにより、ブロック間に鎖状の関係が形成されます。もし過去のブロックが改ざんされた場合、そのブロック以降の全てのブロックのハッシュ値が変わってしまいます。これを検出することで、改ざん防止が可能になります。

公開鍵暗号方式

公開鍵暗号方式とは、秘密鍵と公開鍵と呼ばれる2種類の鍵を使ってデータを暗号化・復号化する方式です。公開鍵暗号方式では以下の性質が成り立ちます。

公開鍵で暗号化したデータは秘密鍵でしか復号化できない
秘密鍵で暗号化したデータは公開鍵でしか復号化できない
公開鍵から秘密鍵を求めることは困難である

ブロックチェーンでは、公開鍵暗号方式を使って取引内容や参加者の身元を検証します。参加者は自分だけが持つ秘密鍵で取引内容に署名し（電子署名）、その署名を公開鍵で検証することで正当性を証明します。これにより、第三者や中央機関なしでも信頼性の高い取引が可能になります。

コンセンサスアルゴリズム

コンセンサスアルゴリズムとは、分散型システムで共通の合意（コンセンサス）を形成するためのアルゴリズムです。コンセンサスアルゴリズムにはさまざまな種類がありますが、ブロックチェーンでは主に「プルーフ・オブ・ワーク」と「プルーフ・オブ・ステーク」が使われます。

プルーフ・オブ・ワーク

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とは、「難しい問題を解くことで作業量（ワーク）を証明する（プルーフ）」ことです。ブロックチェーンでは、この問題とは、ブロックに含まれる取引の正当性や順序を検証するための計算問題です。この計算問題は、特定の条件を満たすハッシュ値を見つけることです。ハッシュ値とは、任意のデータを一定の長さの文字列に変換する関数の出力です。ハッシュ値は、入力が少しでも変われば大きく変化し、出力から入力を逆算することは非常に困難です。そのため、ハッシュ値を求めるには、ランダムな値を入力して試行錯誤するしかありません。このランダムな値をノンスと呼びます。

ブロックチェーンでは、各ブロックには前のブロックのハッシュ値が含まれています。これにより、ブロック間に鎖状の関係が形成されます。もし過去のブロックが改ざんされた場合、そのブロック以降の全てのブロックのハッシュ値が変わってしまいます。これを検出することで、改ざん防止が可能になります。

しかし、ブロックチェーンは分散型のシステムであり、ネットワーク上に参加する複数のコンピュータ（ノード）がそれぞれ同じ情報を保持しています。そのため、新しいブロックを追加する際には、全てのノードが同意する必要があります。しかし、同時に複数のノードが新しいブロックを生成したり、悪意のあるノードが偽のブロックを生成したりする可能性があります。このような場合に、どのブロックを正しいものとして承認するかを決めるために、プルーフ・オブ・ワークが利用されます。

プルーフ・オブ・ワークでは、新しいブロックを生成するためには、そのブロックのハッシュ値があらかじめ決められた難易度（ターゲット）以下であることを証明しなければなりません。つまり、ハッシュ値が特定の桁数で0で始まるようなノンスを見つけることです。例えば、ターゲットが16進数で0000ffff以下であれば、ハッシュ値は0000で始まらなければなりません。このような条件を満たすノンスを見つけるには、大量の計算力と時間が必要です。しかし、一度見つかれば、他のノードはその正しさを簡単に検証できます。

このようにして、プルーフ・オブ・ワークは、「最も計算量の多いチェーンが正しいチェーンである」という合意形成（コンセンサス）を可能にします。これにより、悪意のあるノードが偽のブロックを生成しても、正直なノードが生成するブロックチェーンの方が長くなります。そして、長いチェーンが優先されるため、偽のブロックは無効化されます。

ブロックチェーンのメリット

プルーフ・オブ・ワークによって支えられたブロックチェーンには以下のようなメリットがあります。

中央管理者や仲介者が不要であるため、取引コストや手数料が低く抑えられる
分散型で耐障害性や耐攻撃性が高いため、システム停止やデータ消失のリスクが低い
暗号技術やプルーフ・オブ・ワークによってデータ改ざんや偽造が防止されるため、信頼性や透明性が高い
取引履歴や残高などの情報が全ての参加者に公開されるため、不正や不平等な取引が防止される

ブロックチェーンのデメリット

一方で、プルーフ・オブ・ワークによって支えられたブロックチェーンには以下のようなデメリットもあります。

大量の計算力と電力が必要であるため、環境負荷やコストが高い
ブロック生成や承認に時間がかかるため、取引処理速度やスケーラビリティが低い
プルーフ・オブ・ワーク以外のコンセンサスアルゴリズムと互換性がないため、他のシステムと連携する際に問題が生じる可能性がある
プルーフ・オブ・ワーク自体にも攻撃方法や欠陥が存在するため、完全に安全とは言えない

まとめ

この記事では、プルーフ・オブ・ワークという仕組みとそのメリット・デメリットについてわかりやすく徹底解説しました。プルーフ・オブ・ワークはビットコインなど多くの暗号資産（仮想通貨）で採用されており、分散型で信頼性の高い取引システムを実現しています。しかし同時にプルーフ・オブ・ワークは環境負荷や処理速度など多くの課題も抱えており、今後も改善や革新が求められています。

もしプルーフ・オブ・ワークに興味を持った方はぜひビットコインや他の暗号資産（仮想通貨）についても学んでみてください。ブロックチェーン技術は今後さまざまな分野で活用される可能性がありますからね。

出典

[1] Dwork, Cynthia; Naor, Moni (1992). "Pricing via Processing or Combatting Junk Mail". CRYPTO. Lecture Notes in Computer Science. 740. pp. 139–147. doi:10.1007/3-540-48071-4_10. ISBN 978-3-540-57340-2.
[2] Jakobsson, Markus; Juels, Ari (1999). "Proofs of Work and Bread Pudding Protocols". Secure Information Networks. Communications and Multimedia Security. 16. pp. 258–272. doi:10.1007/978-0-387-35568-9_18. ISBN 978-1-4757-3044-0.
[3] Laurie, Ben; Clayton, Richard (2004). "Proof-of-work" proves not to work; version 0.2 (PDF). WEIS.
[4] Coelho, Fábio Borges (2005). "An Analysis of the Use of Proofs of Work to Discourage Denial of Service Attacks". Proceedings of the 2005 Latin American Network Operations and Management Symposium (LANOMS'2005). IEEE.
[5] Abadi, Martín; Burrows, Mike; Manasse, Mark; Wobber, Ted (2005). "Moderately hard, memory-bound functions". ACM Transactions on Internet Technology. 5 (2): 299–327. doi:10.1145/1064340.1064341.
[6] Dwork, Cynthia; Goldberg, Andrew; Naor, Moni (2003). "On memory-bound functions for fighting spam". CRYPTO. Lecture Notes in Computer Science. 2729. pp. 426–444. doi:10.1007/978-3-540-45146-4_25. ISBN 978-3-540-40674-7.