ブロックチェーン技術の幕開け

こんにちは、次世代システム研究室のN.O.です。

先日部内の研究発表会でブロックチェーンについての発表を行いましたので内容を共有したいと思います。
私の受け持ちとしてブロックチェーンの概要、またブロックチェーンを語るには欠かせないその発祥となったBitcoinについての説明を行いました。スライドのタイトルには「その未来」とありますが、未来の部分は今回は省略させていただきます。今後、別の機会で発表したいと思います。

イメージしやすいようにブロックチェーンを簡単な図にしたものです。
ブロックの中にトランザクションがこのように複数入ってます。
そこにブロックのヘッダとして前のブロックのヘッダのhashやnonce、マークルルートといったものが入ってます。
これらが一つになってブロックを成し、それらが鎖のように連なっていきます。
おおよそこのような形です。
ブロックのヘッダにはマークル木によって全てのトランザクションから得られるhash（＝マークルルート）が入りますのでトランザクションが変わるとヘッダに含まれるマークルルートも変わりますので、結果ブロックヘッダのhashも変わることになります。nonceはProof of Workでは必須ですが、必ずしもブロックチェーンに必要という訳ではありません。

Bitcoinアドレスは公開鍵から生成され、公開鍵は秘密鍵から生成されます。
秘密鍵は256bitのランダムな数値です。
公開鍵は楕円曲線上のスカラー倍算をつかって秘密鍵から生成されます。
Bitcoinアドレスは公開鍵からハッシュ関数、符号化を経て生成されます。

トランザクションには複数のinputとoutputが入っています。トランザクションのhashをキーに前のトランザクションさかのぼっていくことができ、そのBTCの生成取引（coinbase）までたどることも可能です。

hash値は数です。一定の数＝difficulty target以下のhash値になるブロックがブロックチェーンに追加できます
difficulty target以下のhash値を得るのは容易ではないですが、検証はhashを1回計算して突合すればよく、簡単です。

hashを変えるには少しデータが変われば良いので、そこでnonceを調整して何回もhashを計算していきます。
nonceは32bitです。hashは時刻によっても変わりますが、現在のdifficulty targetですと1秒でnonceをすべて使い切ってもまだ足りないため、マイナーはcoinbaseトランザクションの中にextra nonceを作成してマイニングしています。
みごとにdifficulty target以下のブロックを生成したマイナーはP2Pにブロックを流します。
Bitcoin Networkに参加しているノードがブロックを検証し、問題なければブロックチェーンに追加して別のノードに転送します。
ブロックを作ったマイナーは報酬を受け取ります（coinbase+fee)

P2PのネットワークにはノードのIP、トランザクションやブロックなどが伝播していきます。
新しいノードがBitcoinネットワークに参加するには他のノードに接続する必要があります。
新しいノードが他のノードをみつけるにはDNSを利用します。digでAレコードを引くとランダムにIPが帰ってくる様子が確認できます。

dig seed.bitcoin.sipa.be @8.8.8.8

まとめ

Bitcoinはいまや世界中の人々が利用するデジタル通貨に成長しましたが、そのブロックチェーン技術を応用したさまざまなフォークが多数出てきており、今後も楽しみな分野です。またBitcoinを支える技術に興味を持たれましたらMastering Bitcoinという素晴らしい書籍がありますのでぜひご覧になってください。

有志の方によって翻訳されたPDFもあります

当研究室SAによる書評です。こちらも良くまとまっていますのでおすすめです。

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