【図解】ブロックチェーン技術の仕組みを初心者向けにわかりやすく解説！

ブロックチェーンは、取引データを「ブロック」という単位でまとめ、時系列に鎖(チェーン)のようにつなげて記録する分散型台帳技術です。

従来のシステムでは銀行や運営企業のような中央管理者が台帳を一元管理していました。

ブロックチェーンではネットワークに参加する多数のコンピュータ(ノード)が同じ台帳を共有・検証します。特定の管理者を信頼しなくても、データの正しさを保てる点が特徴です。

ブロックチェーン技術をわかりやすく解説

ブロックチェーン技術を利用した取引には、従来のお金の取引とは異なる次の7つの特徴があります。

①運営に管理者が必要ない

ブロックチェーンの技術を使った取引では、特定の管理者は必要ありません。

従来のお金のやり取りでは、特定の銀行や企業が取引の実行・管理・修正等を全て行う必要がありました。

ビットコインのブロックチェーンでは、世界中のブロックチェーン参加者が「マイナー」となり、ASIC等のマイニング専用ハードで取引の有効性検証を行います。

マイナーは他のブロックチェーンでは「バリデーター」と呼ばれたり、ハードを含めて「バリデーターノード」と呼ばれたりします。

取引を処理するための「ブロックの生成」に成功すると、報酬として仮想通貨が新しく発行される仕組みになっており、取引処理に協力するマイナーが自然と集まってくる構造になっています。

②誰でも運営に参加し報酬を獲得できる

ビットコインのブロックチェーンの取引処理には誰でも参加でき、ブロックの生成に成功すると報酬としてビットコインを貰えます。

ビットコインは2100万枚という新規発行の上限があり、金や銀といった希少な鉱物資源と本質が似ていることから、ブロックチェーンで報酬を稼ぐことを「マイニング」と呼び、マイニングする人は「マイナー」と呼ばれます。

マイニングには原則ASICという専用のハードが必要です。

※ASIC：application specific integrated circuit

専用ハードが必要になっている理由は本記事後半の承認作業の仕組みで詳しく紹介していますが、取引処理を行うためには高度な計算処理の無数の反復をこなす必要があるからです。

③24時間営業でトラブルで停止しない

ブロックチェーンの仕組みは24時間維持され、トラブルで機能全体が停止することはありません。

銀行のように特定の組織が管理しているサービスの場合、1つトラブルが発生して全体のサービスが一時的に利用できなくなることがあります。

銀行がトラブルでATMが停止して使えなくなるニュースは度々見受けられますが、これがビットコインでは原則起きません。

金融庁 2021年11月26日「みずほ銀行及びみずほフィナンシャルグループに対する行政処分について」 

ブロックチェーンは、世界中の多数の匿名の参加者によって仕組みが維持されています。

ブロックチェーンの仕組みに参加しているある一個人・一組織の保有するマシンにトラブルが生じても、運営にはまったく問題がありません。

1台のコンピューターでトラブルが生じていても、別のコンピューターが取引の承認を行えばいいだけであり、取引の履歴は承認者全体で共有する「分散型台帳」の仕組みになっているからです。

また、営業時間の概念もなく、基本的に定期メンテナンスも必要ない仕組みなので、ブロックチェーン技術による仮想通貨のやり取りは24時間いつでも行えます。

④低コスト＆高速で取引ができる

ブロックチェーンを使った取引では低コスト＆高速で取引ができます。

例えば日本円を海外に送金する場合、従来の銀行では次の4つの手数料で合計約4,000円の手数料が発生し、送金には3日～5日程度掛かります。

ブロックチェーン技術を使った仮想通貨の海外送金の場合、スマホでワンタップで格安の手数料＆短時間で送金を行うことができます。

仮想通貨の中には送金に特化した種類もあり、利用すれば数円の手数料で即時送金も可能です。（仮想通貨XRP）

ブロックチェーンは人や設備の手間がほとんど掛かりません。

管理者がいない仕組みというだけで、これだけのメリットがある訳です。

⑤誰でも取引内容を閲覧できる透明性

ビットコインのブロックチェーンの開発者であるサトシナカモトは「透明性」を重要視しており、ブロックチェーン上で行われた全ての取引は誰でも自由に閲覧できるようになっています。

また、全ての取引は全バリデーターの「分散型台帳で」共有されており、その内容は不変で改ざんもできません。

ビットコインの取引であれば、Blockchain.comといった公式サイトで詳細を全て閲覧できます。

⑥匿名で利用できる

ブロックチェーンでマイニングを行ったり、ビットコインの送金を行ったりするときに個人情報は必要ありません。

一切の登録は不要で、全て匿名で利用できます。

銀行の場合は、個人情報を提出しないと利用できません。

銀行は過去の取引を全て管理していますが、問題が起こったり差し戻しの必要があったりすると、個人情報と紐づけて修正の対応を取る必要があります。

サトシ・ナカモト氏の論文の表現を使うと「金融は可逆的なサービスを扱っているので、後のことを考えて個人情報を求める必要がある」ということです。

本記事の後半で解説してますが、ブロックチェーンは過去の取引を修正できないという特徴があります。（不可逆的）

従って、ブロックチェーンにはそもそも個人情報を紐づける必要性がありません。

⑦不正が起きない強固なセキュリティ

ブロックチェーンは管理者がいないにも関わらず、高いセキュリティで不正が起きない仕組みになっています。

本記事後半でブロックチェーンで不正を行って取引を削除する具体的な方法について解説していますが、難しいです。

承認作業には専用のマシンによる高度な計算処理が必要になりますが、電気代が多く掛かり、不正を試みる場合は報酬なしでこの電気代を払う必要があります。

従って、電気代を多く費やして成功するか分からない不正を行うより、真面目に承認作業を行ってビットコインを報酬としてもらった方が得だと判断されます。

【図解】ブロックチェーンの仕組み

ブロックチェーンの仕組みは文字通り、仮想通貨の取引の処理は「ブロック」毎にまとめて行われ、「チェーン」のように履歴が一本に繋がることで管理者不要で強固なセキュリティを実現しています。

ここでは、ブロックチェーンの4つの仕組みを解説します。

仕組み①：取引はブロック単位で承認

ブロックチェーンの1つ目の仕組みは、ブロックチェーンで行われる取引は、複数の取引が入ったブロックという単位でまとめて行われるということです。

ビットコインのブロックチェーンでは、10分間に行われた取引が1つのブロックでまとめられて承認されます。

ちなみに、ブロックを承認するために掛かる計算作業は「難易度調整」により10分になるように調整されます。

計算作業に掛かる時間は、次の2つの要素で変わります。

マシンスペックは技術の進歩で年々高くなっており、素早く承認作業ができるようになっています。また、承認者が多ければそれだけ早く計算が終わる確率も高まります。

従って、そのままでは年々ビットコインが報酬としてどんどん新規発行されて希少性が下がってしまうため、定期的に計算の難易度を調整する仕組みがあります。（難易度調整）

現在の難易度を確認できるサイト：https://btc.com/stats/diff

仕組み②：取引は全部繋がっている

ブロックチェーンの2つ目の仕組みは、ブロックチェーンのブロックは全て鎖（チェーン）のように繋がっているということです。

繋がっている理由は、最新のブロックに過去の取引情報が全て入っているからです。

この仕組みが高いセキュリティを実現している理由の1つで、過去のある1つの取引を改ざんすることは難しいです。

削除したブロック以降のブロックも全て書き換えないと、ブロックチェーン全体の整合性が取れなくなるからです。

また、全て書き換えるには、多額の電気代を費やして難しい計算処理を何度も行う必要があります。

成功するか分からない改ざんを行うくらいなら、真面目に承認作業に協力してビットコインを報酬として貰った方が良いという判断に自然になる仕組みになっています。

仕組み③：チェーンはさかのぼれない

ブロックチェーン技術の3つ目の仕組みは、ブロックチェーンは遡って（さかのぼって）取引の内容を修正したり、削除したりできないということです。

ビットコインのプルーフオブワークを考案した匿名の人物「サトシ・ナカモト」氏の論文の言葉を使うとブロックチェーンは「不可逆的」となっています。

これにより、ブロックチェーンは匿名で低コストで利用できるようになっています。

例えば銀行の場合、過去に行われた取引も管理する必要があります。振り込み済みでも、誤送金等の問題があった時に差し戻す必要があるからです。

また、こういった可逆的なサービスを行うには、個人情報の管理等のコストが掛かります。

ブロックチェーンは遡ることができない仕組みのため、匿名かつ低コストで利用できる訳です。

仕組み④：チェーンは分岐できない

ブロックチェーン技術の4つ目の仕組みは、ブロックチェーンは最初のブロックから最後のブロックまで一本に繋がっており、分岐は原則行われてないことです。

しかし、仕組み上稀に2人のマイナーが完全に同時にマイニングに成功し、自然と分岐してしまうことがあります。（ブロックチェーン上の分岐はフォークと呼ばれる）

分岐した場合は、最も長いチェーンが採用されます。

分岐してもブロックの中身の取引は基本的同じなので、分岐した短いチェーンのブロックは削除されるだけです。

仮に違う取引が入っていた場合は再度承認にかけられ、メインの長いチェーンの1本の方に統合されます。

2018年5月17日に発生した事例で、意図的にチェーンを分岐させ、メインのチェーンの長さを超えるとチェーンを自分で作成し、メインのチェーンの取引を削除することで二重支払いを行いました。（▶当時のニュース記事はこちら）

モナコインは利用者が少ないため、個人レベルでもフォークしたチェーンの方を伸ばしていくだけの計算能力を確保できる状況だったことが原因です。

ブロックチェーンの承認作業の裏側を解説

次にブロックチェーンの取引承認作業を、イラストで分かりやすく解説していきます。

ブロックの中身のヘッダ情報を理解する

下のイラストは、ビットコインのブロックチェーンにおけるブロックの中身です。

ブロックチェーンのブロック1つ1つは「取引内容」と「ブロックヘッダ情報」の2つで構成されます。

「取引内容」については、10分間で発生するビットコインの送金内容です。

「ブロックヘッダ情報」は、大きく分けて次の4つで構成されます。

承認作業はヘッダ情報のハッシュ化

ブロックチェーンで行われているマイニングは、言い換えるとブロックヘッダ情報をハッシュ化することです。

「ハッシュ」は「ハッシュドポテト」のハッシュで、「細切れにする・ごちゃ混ぜにする」といった意味があります。

ハッシュ化を行うと、文字列を特定の桁数の文字列に変換することができます。

マイニングは「ブロックヘッダ情報をハッシュ化した値の先頭にゼロが連続するまでハッシュ化を繰り返すこと」になります。

そして、ゼロが一定数連続する文字列を見つけることに最初に成功したコンピューターがビットコインを報酬として貰える競争のような仕組みになっています。

例：00000000000000000000006d9262e37f653c95193a53e1ba7b7dbbeac7477042

ちなみに、この必要なゼロが連続する数を調整することで、承認作業の難易度は調整されます。

これだけ大変な承認作業が必要になっていることが高いセキュリティの理由です。

多額の電気代を費やしてまで成功するか分からない不正を行う気にならず、真面目にマイニングを行ってビットコインを報酬として貰った方が儲かるからです。

年を追うごとにコンピューターの性能が上がるため、難易度を上げるためにゼロが増えていくのが基本です。

以下はビットコイン取引の最初の検索サイトを立ち上げた会社「Blockchain.com」の公式サイトで見ることができる難易度推移のグラフです。（ブロック承認に必要な計算量の推移）

ブロックチェーンの誕生経緯

最後に、最初に開発されたビットコインのブロックチェーンの成り立ちについてご紹介します。

ブロックチェーンは匿名の人物から誕生

ブロックチェーンが生まれたのは2008年の11月です。

サトシ・ナカモトと呼ばれる匿名の人物が「Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System」というビットコインに関する論文を公表しました。

このビットコインのコンセンサスアルゴリズムがプルーフオブワークです。

▶原文はこちらから読むことが出来ます。

このサトシ・ナカモトと呼ばれる人物の素性は現在も一切分かっていません。

同年の10月にNew Liberty Standardという匿名の組織・人物がビットコインに対して興味を持ち、取引サイトを作成するために、ビットコインを買い取りたいという話を開発者に持ちかけました。

この時5050枚のビットコインが、発行にあたって必要になった電気代5.02ドルで取引されることになりました。

これがブロックチェーン技術によってビットコインが最初に法定通貨と交換された瞬間です。

初めてビットコインの市場を作ったNew Liberty Standardの公式サイトは現在も残っており、下のリンクからアクセスできます。

▶New Liberty Standard 公式サイト

取引サイトといっても非常に簡素なもので、New Liberty Standardに直接メールを行い、ビットコインを何枚買いたい・売りたいというオーダーを出す形でした。

ブロックチェーンは日本の会社から普及

2010年5月に、初めてブロックチェーン技術によりビットコインで商品の購入が行われました。

※厳密にはジェレミー氏が「パパ・ジョンズ」でクレジットカードでピザを購入し、ラズロ氏の所を配達先にしているだけなので、ビットコイン決済を行っている訳ではないです。

5月22日は「ビットコイン・ピザデー」と呼ばれ、仮想通貨における有名な記念日の一つです。

2010年7月には、世界初のビットコイン取引所である「マウントゴックス」が日本で誕生しました。

当時にビットコインで商品やサービスを購入することはほとんど出来なかったため実用性はありませんでしたが、興味本位や投機目的で注目を集めていきました。

そして世界中で仮想通貨取引所が少しずつ増えていき、仮想通貨の市場規模も拡大し現在に至ります。

ブロックチェーンに関するFAQ

ブロックチェーンとは？

ブロックチェーンとは仮想通貨の送金技術のことです。特定の管理者が存在せず、ブロックチェーンに参加しているコンピューターが取引の管理・承認を行う仕組みです。

ブロックチェーンのメリットは？

ブロックチェーンには7つのメリットがあります。①24時間取引が可能なこと、②障害による停止がないこと、③低コストで利用できること、④高速で送金ができること、⑤取引の透明性が高いこと、⑥匿名で利用できること、⑦セキュリティが強固なことです。

ブロックチェーンのデメリットは？

ブロックチェーンのデメリットは承認に必要なコンピュータを動かすために膨大な電気が必要になることです。環境への負担が度々問題になっています。

ブロックチェーンの活用事例は？

ブロックチェーンは仮想通貨とNFTに最もよく利用されています。

ブロックチェーンとNFTの関係は？

ブロックチェーン技術により、NFTは本物であることが証明できるようになっています。ブロックチェーン上にNFTの固有の識別コード、作者情報、取引履歴のデータが存在しているからです。

ブロックチェーンのマイニングとは？

マイニングはブロックチェーン上で行われた取引の承認作業のことです。ビットコインの場合、計算処理を最初に終えたコンピューターが承認に成功し、ビットコインが報酬として付与されます

まとめ：非中央集権的な金融取引を実現

本記事ではブロックチェーンの特徴や仕組みを図解でご紹介してきました。

ブロックチェーンを使った取引では、管理者が不要で低コストかつ高速でお金のやり取りができるようなっています。

送金用に開発された仮想通貨リップルを発行するリップル社は、銀行と共同でリップルを使った送金を世界のスタンダードにするためのテストも行っています。

ブロックチェーンの取引承認の仕組みにはいくつか種類があり、代表的なものは下の記事で詳しく解説しています。