ブロックチェーン技術の初心者ガイド：その概要と仕組み

ブロックチェーン 技術は近年流行語になっていますが、そもそも何なのでしょうか？ ブロックチェーンは、暗号資産システムにおける取引の安全で分散型の記録を維持するという重要な役割でよく知られています。

ブロックチェーンやブロックチェーン技術に詳しくなくても、日常の暗号資産の話題で耳にしたことがあるはずです。McKinseyの調査によると、2027年までに世界のGDPの最大10%が、ブロックチェーンを活用した取引と結びつく可能性があります。これは、ブロックチェーンにはまだ手つかずの大きな可能性があり、時間とともに普及がさらに広がる見込みがあることを示しています。

人気が高まっているにもかかわらず、ブロックチェーン技術の背景にある考え方全体を本当に理解している人は多くありません。単なる誇大広告なのでしょうか？ 話題は薄れていくのでしょうか、それとも企業は本当にブロックチェーンを活用して価値を生み出せるのでしょうか？ それは具体的にどのように暗号資産を支えているのでしょうか？ 続きをお読みください。

ブロックチェーン技術とは？

ブロックチェーンは、コンピューターのネットワーク全体で暗号資産の取引を記録し、確認するデジタル台帳です。暗号資産を購入、売却、交換すると、ブロックチェーンがこの情報を収集し、安全に保管します。基本的には、絶えず増え続けるブロックの連なりで、各ブロックには暗号化された取引のリストが含まれています。

要点をわかりやすく伝えるために、簡単な例えを使いましょう。取引を記録する帳簿があるとします。取引をするたびに、帳簿は更新されます。ここで、この帳簿が、同時にほかの何人もの人に開示されているところを想像してください。

これがブロックチェーン技術の基本的な考え方で、ネットワーク全体で共有されるデジタル台帳です。誰かが取引をするたびに、この共有台帳に記録されます。

従来の金融システムとは異なり、ブロックチェーン技術で処理されるデータは、政府やそのほかの第三者による監督や管理を受けない、分散型のネットワークに保管されます。ネットワーク上の誰もがほかの人による記録にアクセスできるため、誰もネットワークを操作したり、単独で支配したりすることはできません。

ブロックチェーン内の各ブロックは、セキュリティのために暗号化され、前のブロックにつながっており、取引の連なりを形成します。これが「ブロックチェーン」という名称の由来です。この構造により、ブロックチェーンに保存されたデータは、ネットワーク全体の合意なしには削除も変更もできず、透明で堅牢、かつ改ざんに強いデータ交換システムが実現します。

暗号資産関連の取引の手段を提供するという明白なユースケースのほかにも、この新しい技術には、数多くの応用の可能性があります。しかし、それらを見ていく前に、ブロックチェーン技術の主な特徴を簡単に確認しておきましょう。

ブロックチェーン技術の主な特徴 

その際立った特徴を紹介します。

分散化

これは、ブロックチェーン技術の特徴の一つです。中央の管理者が運営する従来のデータベースとは異なり、ブロックチェーン技術は分散型です。一つの組織やコンピューターが、チェーンを支配することはできません。

ネットワークの参加者全員が台帳のコピーを持っているため、透明性とセキュリティが確保されます。この分散型の性質により、仲介者が不要になり、中央集権的な障害点のリスクも減ります。

不変性

取引がブロックチェーンに記録され、ブロックがチェーンに追加されると、変更することは極めて困難です。この不変性により、データは改ざんや不正から守られ、永続性が確保されます。

透明性

パブリックブロックチェーンは完全に透明で、誰でも台帳に加えられた変更を確認できます。すべての取引が、ブロックチェーンに追加されると可視化され、検証できるため、この透明性はユーザー間の信頼を築きます。

セキュリティ

ブロックチェーンは、さまざまな暗号技術を使って、台帳に保存されたデータを保護します。これらの技術により、データは不正なアクセスや改変から守られ、取引の安全性と信頼性が確保されます。

コンセンサスモデル

取引の正当性について合意するために、ブロックチェーンはプルーフ・オブ・ワーク（PoW）やプルーフ・オブ・ステーク（PoS）といったコンセンサスモデルを利用します。これらのモデルにより、ネットワーク内のすべての参加者が台帳の状態について合意し、ブロックチェーンの完全性と一貫性が保たれます。

ブロックチェーンの種類

ブロックチェーンは長年にわたって大きく進化し、さまざまな属性に基づく多様な種類が生まれました。主な種類を紹介します。

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、誰でも許可なく参加し、データを読み書きできる、オープンで分散型のネットワークです。例としては、ビットコインやEthereumがあります。ユーザーはコンセンサスの仕組みを使ってネットワークを更新し、自分のノードに台帳のコピーを保持します。

プライベートブロックチェーン

これに対して、プライベートブロックチェーンは、アクセスや参加が特定の主体や参加者に限定される、許可制のネットワークです。データに対するプライバシーとコントロールを高めるために、企業での利用でよく使われています。

トークン型ブロックチェーン

これは標準的なブロックチェーンで、ネットワーク上の資産やユーティリティを表すデジタルトークンの発行と管理を伴います。これらのトークンは、ブロックチェーンのエコシステム内で、取引、交換、あるいは特定の目的のために使えます。

トークンなしのブロックチェーン

ネイティブトークンなしで動作し、取引やデータの記録と検証だけに集中するブロックチェーンもあります。トークンが不要な特定の用途で使われることがあります。

分散型ブロックチェーン

分散型ブロックチェーンでは、複数のノードやコンピューターがネットワークに参加し、それぞれがブロックチェーン台帳全体のコピーを保持しています。

ハイブリッドブロックチェーン

ハイブリッドブロックチェーンは、パブリックとプライベートのブロックチェーンの要素を組み合わせたもので、アクセスのしやすさ、コントロール、スケーラビリティの面で柔軟性を持たせられます。特定のデータは非公開に保ちつつ、パブリックブロックチェーンのセキュリティと透明性の恩恵も受けたい場面でよく使われます。

ブロックチェーン技術はどのように機能するのか？

ブロックチェーン技術は、セキュリティのために連結され暗号化された、一連のブロックで構成されています。各ブロックには複数の取引が含まれ、ブロックチェーンに記録された各取引は、所有者のデジタル署名によって認証され、改ざんから守られています。通常、こうしたプロセスの大部分は裏側で行われ、取引を開始する人がそれらの動きを目にすることはありません。

データがブロックに記録されると、それ以降のすべてのブロックを変更しない限り改変できず、そのためにはネットワークの過半数の合意が必要です。これらがどのように機能するのか見てみましょう。

取引の開始

ブロックチェーン上の取引は、デジタル資産（暗号資産など）を送りたい、またはスマートコントラクトを実行したいユーザーによって開始されます。たとえば、あるユーザーが別のユーザーに暗号資産を送ると決めたとします。その場合、受取人のアドレス、送金額を指定し、場合によっては、一般にガス代として知られる取引手数料を支払う必要があります。

ブロードキャスト

ブロックチェーンは、ノードと呼ばれる、相互に接続されたコンピューターで構成されるピアツーピアのネットワーク上で機能します。ノードとは、基本的にネットワークに貢献するさまざまな人のことです。ネットワーク上のノードは、ネットワーク内での役割に応じて、異なる機能を果たします。

取引が作成され署名されると、その取引はこれらのノードにブロードキャストされます。続いてノードは、ユーザーの状態と取引の正当性を検証し、「コンセンサスメカニズム」と呼ばれる仕組みを通じて、ブロックチェーンに含めるべきかどうかを判断します。このプロセスは通常、次のように進みます。

取引の受信

• ブロードキャスト：ユーザーが取引を作成して署名すると、それはブロックチェーンネットワークにブロードキャストされます。ブロードキャストされた取引を受け取ったノードは、検証プロセスを開始します。
• 取引プール：各ノードは通常、メムプールと呼ばれることの多い、未承認の取引のプールを保持しています。新しい取引は、検証のためにこのプールに追加されます。

検証チェック

ブロックチェーン上の取引のセキュリティと完全性を確保するために、ネットワーク内のノードによっていくつかの検証チェックが行われます。

デジタル署名の検証

ユーザーが取引を開始すると、そのウォレットソフトウェアは、ユーザーの秘密鍵を使って署名を行います。このデジタル署名は、秘密鍵の所有者がその取引を承認したことの証明となります。その後、ノードは、送信者の公開鍵を使ってデジタル署名を検証し、取引の真正性を確認します。

二重支払いのチェック

ノードは、入力（使用される以前の取引の出力）が、別の取引ですでに使われていないことを確認します。これにより、同じデジタル通貨が複数回使われるのを防ぎ、取引履歴の完全性を保ちます。

十分な残高

また、送信者のアドレスに、取引額と関連する手数料を賄うのに十分な資金があることも確認します。

取引の構造

取引が正しい形式とプロトコルのルールに従っていることを確認します。これには、取引が有効であることを保証するために、データフィールド、入力、出力が正しいかどうかの確認が含まれます。

取引手数料

最後に、マイナーが取引をブロックに含めるインセンティブとなる、適切な手数料が取引に含まれているかを確認します。十分な取引手数料があれば、取引は迅速に処理されます。

ブロックの作成

取引がノードによって検証され、メムプールに置かれると、ブロックにまとめられてブロックチェーンに追加される準備が整います。この時点で、無効な取引も破棄されます。これらの取引をブロックにまとめるプロセスには、以下に示すいくつかの重要なステップがあります。

取引プール

検証済みの取引は、次のブロックに含められるように、プールに集められます。

ブロックの作成

マイナー（新しいブロックを追加するために複雑な数学的問題を解くノード）は、取引プールから検証済みの取引のセットを選び、ブロックにまとめます。このブロックには、前のブロックのハッシュ、タイムスタンプ、ナンス（マイニングで使われるランダムな数値）など、重要な情報を含むヘッダーが含まれます。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）／プルーフ・オブ・ステーク（PoS）

ビットコインのようなブロックチェーンネットワークでは、マイナーがブロックのデータに基づく難しい数学パズルを解くために競争します。プルーフ・オブ・ワークと呼ばれるこのプロセスには、膨大な計算能力が必要です。パズルを最初に解いたマイナーが、新しいブロックをブロックチェーンに追加でき、新たに発行された暗号資産を報酬として受け取ります。

一方、プルーフ・オブ・ステークでは、ネットワークでのステーク量に基づいてバリデーターが選ばれ、新しいブロックを作成します。選ばれたバリデーターは、大規模な計算を必要とせずに、新しいブロックを作成してブロードキャストします。

ブロックの検証と伝播

マイニング（プルーフ・オブ・ワーク）または検証（プルーフ・オブ・ステーク）のいずれかで新しいブロックが作成されると、そのブロックはネットワーク全体にブロードキャストされます。ネットワーク内のほかのノードは、プルーフ・オブ・ワーク、取引の正確性を確認し、プロトコルのルールに従っているかを確かめることで、ブロックの有効性を検証します。

チェーンの更新

検証後、新しいブロックはブロックチェーンに追加され、連続するブロックのチェーンにおける最新のエントリーになります。この更新はネットワーク全体に送られ、すべてのノードがブロックチェーンの最新バージョンを持つようにします。

ブロックチェーンのメリット

ブロックチェーン技術には、さまざまな業界で強力なツールとなるいくつかの主な利点があります。

高いセキュリティ

ブロックチェーンは、その分散型の性質と暗号アルゴリズムのおかげで、高いレベルのセキュリティを提供します。ブロックチェーンが分散型であることは、単一障害点がないことを意味し、潜在的なハッキングに対するセキュリティを高めます。

その暗号ハッシュにより、各取引は暗号化されて前の取引につながるため、ハッカーが情報を改変することは極めて困難です。また、ブロックチェーンは改ざんも変更もできないため、参加者は提示されたデータを信頼できます。

それだけではありません。機密性の高い性質により、ユーザーはなりすましから守られ、企業にも消費者にも魅力的な代替手段となっています。

分散化

この記事全体を通して強調してきたように、ブロックチェーンについて語るなら、分散化は中核となるメリットです。この構造は、仲介者の必要性を減らし、それによって取引コストを下げ、取引の効率を高め、不正の可能性をなくします。

コンプライアンスコストの削減

ブロックチェーン技術は、銀行や決済処理業者といった仲介者を不要にすることで取引を効率化し、関連する手数料を大幅に削減します。詳しく見ていきましょう。

さて、銀行や従来の機関は、顧客の身元を確認して受け入れるために、「顧客確認」（KYC）のプロセスに頼ることがよくあります。このプロセス全体では、更新すらされていない手続きのために、銀行が毎年5億もの費用を支払うことも少なくありません。

ピアツーピアのネットワークでは、当事者同士が直接取引できるようになり、第三者の関与が最小限に抑えられ、最終的にコストが下がります。

コスト削減

ブロックチェーン技術は、企業、特に従来の銀行や決済処理の手数料がすぐに積み重なる、高額で大量の取引を扱う企業のコストを大幅に削減できます。

ブロックチェーンがコスト削減を実現する方法の一つが、取引手数料の低さです。ブロックチェーンネットワークの手数料は、通常、従来の金融システムと比べてはるかに低くなっています。たとえば、暗号資産の取引は、従来の銀行振込やクレジットカード取引のごく一部のコストで処理できます。

もう一つの利点は、国際手数料の削減です。ブロックチェーンでは、従来の銀行振込にかかる高額な手数料や為替コストなしに国際取引ができるため、グローバルな貿易に携わる企業にとって特に便利です。

さらに、スマートコントラクトのようなブロックチェーンの自動化されたプロセスは、運営コストの削減に役立ちます。これらの契約は、手作業による監督なしで、取引を自動化し、安全に行います。一定の条件が満たされると、スマートコントラクトは取引プロセスの次のステップを自動的に実行でき、取引のスピードと効率を大幅に高めます。

トレーサビリティ

ブロックチェーンの透明性と永続的な取引記録により、資産を追跡しやすくなります。これは、製品の原産地や流通経路を追跡することが極めて重要なサプライチェーン管理で、特に価値があります。たとえば、Walmart Canadaは、ブロックチェーンを使って70の第三者貨物輸送業者との支払い紛争を解決し、請求書の不一致を70%から1%未満に減らしました。この改善により、期日どおりの支払いが確保され、業務効率が向上しました。

支払い問題の解決にとどまらず、Walmartはブロックチェーンを活用して、サプライチェーン全体のより広い課題にも取り組みました。取引データをブロックチェーンネットワークに記録することで、Walmartとそのサプライヤーは、商品の原産地から店頭の棚までを追跡できます。

このシステムは食品のトレーサビリティも確保し、Walmartとその顧客が、農場、加工施設、輸送ルートなど、食品の出どころに関する詳細な情報を簡単に入手できるようにしています。

リアルタイム処理

分散型の性質により、企業は24時間365日、いつでもリアルタイムで取引でき、従来の銀行にある締め切り時間や制限を気にする必要がありません。

銀行振込や支払いは、通常、営業時間に限られ、週末や祝日による遅延が生じることがありますが、ブロックチェーン取引は、一年中、一日のどの時間でも実行・確認できるため、基本的に取引を継続的に処理できます。

イノベーション

ブロックチェーン技術は、分散型金融（DeFi）、非代替性トークン（NFT）など、さまざまな革新的なアプリケーションの基盤です。こうした新しいアプリケーションは、機会を生み出し、産業を変革しています。

ブロックチェーンの課題

潜在力がある一方で、ブロックチェーン技術の将来には懸念がないわけではありません。主な検討事項には次のものがあります。

リソースを大量に消費する

ブロックチェーンは、ネットワーク内のすべてのノードが、合意に達するために同じ作業を行うため、多くのリソースを必要とします。この繰り返しの作業は、特にビットコインのようなプルーフ・オブ・ワークのシステムで、高いエネルギー消費と計算コストにつながります。

環境への配慮

リソースの使用にとどまらず、ブロックチェーンのマイニングが環境に与える影響もあります。特にビットコインのようなプルーフ・オブ・ワークの仕組みで生じる大きなエネルギー消費は、環境の持続可能性に対する懸念を呼んでいます。

取引の不可逆性

ブロックチェーン取引の不変性は、セキュリティと信頼を高める一方で、取引を取り消せないことも意味します。両当事者が取引の取り消しに同意した場合や、取引が誤ってあるいは不正によって行われた場合でも、取り消す方法はありません。

ユーザー体験

ブロックチェーン技術は、技術に詳しくないユーザーにとっては、かなり複雑で近寄りがたいものになりえます。ユーザー体験を改善し、ブロックチェーンアプリケーションをより直感的で使いやすくすることが、主流への普及を進めるうえで極めて重要になります。

スケーラビリティ

ブロックチェーンネットワークが成長するにつれて、スケーラビリティへの懸念が生じます。現在のブロックチェーンプラットフォームは、大量の取引を素早く処理するのに苦労しており、パフォーマンスが低下することがあります。この制約は、特に大量の取引を効率的に処理する必要があるアプリケーションにとって、広範な利用を妨げる大きな障害になりえます。

相互運用性

異なるブロックチェーンプラットフォームは、互いに孤立して動作していることが多く、相互の通信や連携が難しくなっています。これらの別々のブロックチェーンネットワーク間で相互運用性を実現することは、分散型アプリケーションとエコシステムの可能性を最大限に引き出すうえで極めて重要です。

セキュリティ上の課題

ブロックチェーンは、詐欺や海賊行為といった問題をなくせるとしばしば称賛されますが、万能ではありません。確かに技術は安全ですが、その有効性は、ユーザーの誠実さと入力されたデータの正確さに左右されます。たとえば2022年には、ハッカーがRoninネットワークのノードの半数以上を掌握し、6億ドル超を盗みました。実行するのは難しいか？ 極めて難しいです！ しかし、不可能では決してありません。

ブロックチェーン技術の応用とユースケース

ビットコイン以外にも、EthereumやSolanaなどの暗号資産が、ブロックチェーン技術を使って、スマートコントラクトや分散型アプリケーション（DApps）といった独自の機能を提供しています。Ethereumのブロックチェーンは、取引だけでなく、独自の暗号資産であるEtherを動力とするスマートコントラクトや分散型アプリケーション（DApps）もサポートしています。

スケーラビリティで知られるSolanaは、ブロックチェーンを使って高速な取引処理を実現し、暗号資産市場で人気を集めています。暗号資産取引を円滑にするだけでなく、ブロックチェーン技術には、ほかにも多くのユースケースがあります。いくつか見てみましょう。

取引の安全を確保するブロックチェーンの役割

ブロックチェーン技術は、オンライン取引の一件一件について改ざんできない記録を作ることで、セキュリティを100%引き上げます。このレベルのセキュリティは、ハッキングやデータ漏えいのリスクが常につきまとうデジタル取引において、信頼を築くうえで極めて重要です。

さらに、それが提供する透明性により、ネットワークの参加者全員が取引を独自に検証・監査でき、データの完全性が確保されます。

銀行

銀行にとって、ブロックチェーンは、通貨の取引、決済の処理、融資の確保のプロセスを改善します。また、より高速で安全な取引を可能にすることで、プロセスを効率化します。唯一の信頼できる情報源として機能し、すべての取引を追跡し、不変性を確保して不正から守ります。これにより決済時間が短縮され、マネーロンダリングに対する組み込みの監視機能も提供されます。 

物流

ブロックチェーンは、物流において、サプライチェーン全体での商品の動きを監視する追跡ツールとして使われることが多くあります。そうすることで、ユーザーは出荷から配達まで、荷物に関するリアルタイムの情報を得られます。

たとえば、IBMのブロックチェーンベースのプラットフォームは、世界の貿易物流のデジタル化と簡素化を可能にしました。プラットフォーム上の関係者は、貨物の状況を追跡し、書類を管理し、規制要件への準拠を確保できます。

医療

ブロックチェーンは、主に医療分野で、患者の記録を安全に保管し、データのプライバシーを確保して情報漏えいを防ぐために使われています。2021年7月から2022年6月までの間に、大規模な医療データ侵害が約692件報告されていることを考えれば、これは理にかなっています。加害者は、銀行情報、クレジットカードの詳細、健康・ゲノム検査の記録を盗みました。

スマートコントラクトは、投薬のモニタリング、保険金請求の処理、医療提供者間での医療情報の共有、医療費請求における不正の削減、サプライチェーンを通じた医薬品の追跡の強化といった作業の効率化と自動化にも使われています。

結論

ブロックチェーンは、私たちの生活の中でますます重要な存在になりつつあります。ブロックチェーン技術が成熟し、広く普及し続けるにつれて、さまざまな分野への統合は、さまざまな領域でのイノベーションの可能性を示しています。あらゆる新興技術と同様に、その能力と潜在力は今なお明らかになりつつあります。しかし、ブロックチェーンが今後も存在し続けることは明らかです。

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