ブロックチェーンでブロックはどのように作成されるか？徹底解説

ブロックチェーン技術は近年急速に発展しており、その基盤となるブロックの作成プロセスは理解する上で非常に重要です。本稿では、ブロックチェーンにおけるブロック生成メカニズムを分かりやすく解説します。マイニング、ハッシュ関数、プルーフ・オブ・ワークといった重要な概念を丁寧に説明し、新規ブロックがどのようにチェーンに追加されるのかを具体例を用いて示します。複雑な技術を簡潔にまとめ、ブロックチェーン技術への理解を深める一助となることを目指します。

ブロックの生成プロセス：ブロックチェーンにおけるブロック作成

ブロックチェーンにおけるブロックの生成プロセスは、コンセンサスアルゴリズムによって大きく左右されます。最も広く知られているのは、ビットコインで使用されているプルーフ・オブ・ワーク（PoW）と、イーサリアムで使用されているプルーフ・オブ・ステーク（PoS）です。どちらのアルゴリズムも、ネットワーク参加者（マイナーまたはバリデーター）が新しいブロックを作成し、それをチェーンに追加することを競争的に行います。しかし、その方法は大きく異なります。

PoWにおけるブロック作成

PoWでは、マイナーは複雑な計算問題を解くことでブロックの作成権を獲得しようとします。先に問題を解いたマイナーが、そのブロックにトランザクションを記録し、ブロックヘッダーにハッシュ値とnonceを含めて、ネットワークにブロードキャストします。他のマイナーは、このブロックの正当性を検証し、チェーンに追加します。この計算競争は、51%攻撃を防ぐための重要な要素です。計算能力を多く持つマイナーが優位に立ちますが、莫大な計算リソースの消費が課題となっています。

PoSにおけるブロック作成

PoSでは、マイナーに相当するバリデーターが、保有する仮想通貨の量に応じてブロック作成権を獲得する確率が決まります。 バリデーターは、ランダムに選ばれ、新しいブロックを作成し、ネットワークに送信します。他のバリデーターは、このブロックの正当性を検証し、チェーンに追加します。PoWと比べて計算リソースの消費が少なく、より環境に優しいシステムと言えるでしょう。しかし、ステーキングに必要な仮想通貨を多く保有する者の方が有利になるという問題も抱えています。

トランザクションの収集と検証

ブロックが作成される前に、未承認トランザクション（mempool）が収集されます。 マイナーまたはバリデーターは、ネットワークから送られてくるトランザクションを検証します。これは、デジタル署名の検証や、二重支出のチェックなどを含みます。検証されたトランザクションのみが、新しいブロックに含められます。この検証プロセスは、ブロックチェーンのセキュリティと整合性を確保する上で非常に重要です。

ブロックヘッダーの作成とハッシュ計算

検証されたトランザクションがブロックに含まれると、ブロックヘッダーが作成されます。ヘッダーには、前のブロックのハッシュ値、トランザクションのルートハッシュ、タイムスタンプ、nonceなど、重要な情報が含まれます。そして、このヘッダーに対してハッシュ関数が適用され、ブロックのハッシュ値が計算されます。このハッシュ値は、ブロックの一意性を保証し、ブロックチェーンの改ざんを困難にします。

ブロックのブロードキャストとチェーンへの追加

新しいブロックが作成されると、マイナーまたはバリデーターはそれをネットワーク上の他のノードにブロードキャストします。他のノードは、このブロックの正当性を検証します。検証に成功すると、ブロックはブロックチェーンに追加され、チェーンが伸びていきます。このプロセスは、ネットワーク全体で同期して行われるため、すべてのノードは同じブロックチェーンの状態を保持します。

ブロック生成メカニズムの深堀り

ブロックチェーンにおけるブロック生成は、ネットワーク参加者間の合意形成に基づいて行われます。マイナーと呼ばれるノードが、未承認のトランザクションをまとめてブロックを作成し、そのブロックの有効性を証明するために計算処理（プルーフ・オブ・ワークなど）を行います。計算に成功したマイナーは、そのブロックをネットワークにブロードキャストし、他のノードが検証して承認することで、ブロックチェーンに新しいブロックが追加されます。このプロセスは、分散合意アルゴリズムによって保証され、ブロックチェーンの改ざん防止に貢献しています。

トランザクションの収集と検証

ブロック生成プロセスは、まずネットワーク上を流れる未承認のトランザクションの収集から始まります。マイナーは、手数料の高いトランザクションを優先的に選択し、ブロックサイズの上限に達するまで集めます。その後、これらのトランザクションがネットワークルールに準拠しているか、二重支出がないかなどを検証します。この検証ステップは、ブロックチェーンのセキュリティと整合性を維持するために不可欠です。

ブロックヘッダーの作成

検証されたトランザクションが集まると、マイナーはブロックヘッダーを作成します。ブロックヘッダーには、前のブロックのハッシュ値、トランザクションのルートハッシュ、タイムスタンプ、ノンスなどの情報が含まれます。これらの情報は、ブロックの識別と検証に利用されます。ノンスは、マイナーがプルーフ・オブ・ワークなどで計算処理を行う際に調整する値であり、ブロックチェーンのセキュリティに重要な役割を果たします。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）の実行

多くのブロックチェーンでは、ブロックの有効性を証明するためにプルーフ・オブ・ワーク（PoW）という計算集約的なプロセスが用いられます。マイナーは、ブロックヘッダーの情報とノンスを元に、特定のハッシュ値を生成しようと試みます。このハッシュ値が、あらかじめ設定された条件を満たした場合、ブロックの生成が成功し、マイナーは報酬を受け取ります。PoWは、計算コストの高さから、不正なブロックの生成を困難にします。

ブロックのブロードキャストと検証

ブロックの生成が成功すると、マイナーは生成したブロックをネットワーク上の他のノードにブロードキャストします。他のノードは、このブロックの有効性を検証します。検証プロセスには、ブロックヘッダーの整合性チェックやトランザクションの検証が含まれます。検証に成功したブロックは、各ノードのローカルブロックチェーンに追加されます。このプロセスを通して、ブロックチェーンの整合性が維持されます。

ブロックチェーンへの追加と永続化

検証されたブロックは、各ノードのローカルブロックチェーンに追加され、永続的に保存されます。これにより、ブロックチェーンは改ざんに対して耐性を持ち、トランザクション履歴の信頼性を確保します。各ノードが同じブロックチェーンを持つことで、分散型のデータベースとして機能し、単一障害点を持たないシステムを実現します。

よくある質問

ブロックチェーンでブロックはどのように作成されるのですか？

ブロックチェーンにおけるブロックの作成は、マイニングと呼ばれるプロセスによって行われます。マイナーと呼ばれる参加者は、複雑な計算問題を解くことで競争します。最初に問題を解いたマイナーは、そのトランザクションをまとめた新しいブロックを作成し、チェーンに追加する権利を得ます。このプロセスには、計算リソースと電力が大量に消費されます。そして、ブロックがチェーンに追加されると、報酬として新しい仮想通貨を受け取ります。

ブロック作成の際に、どのようなデータがブロックに含まれますか？

ブロックには、複数のトランザクションの情報が記録されます。具体的には、送信者と受信者のアドレス、送金量、タイムスタンプなどが含まれます。さらに、前のブロックのハッシュ値も含まれ、ブロックチェーン全体の整合性を保つために重要な役割を果たします。これにより、改ざんが容易に検知できるようになっています。

ブロック作成にかかる時間はどのくらいですか？

ブロック作成にかかる時間は、使用する仮想通貨の種類やネットワークの状況によって異なります。例えば、ビットコインの場合は、平均して10分程度ですが、ネットワークのハッシュレート（計算能力）によって変動します。ハッシュレートが高いほど、ブロック作成にかかる時間は短くなります。また、難易度調整という仕組みによって、ブロック作成間隔が一定に保たれるようになっています。

ブロック作成に失敗した場合、どうなるのですか？

マイナーが計算問題を解くのに失敗した場合、そのマイナーは報酬を得ることができません。他のマイナーが先に問題を解いてブロックを作成し、チェーンに追加するためです。しかし、マイニングに参加し続ける限り、次のブロック作成の機会を得ることができます。計算リソースと電力を投入し続けることが、マイニングにおける重要な要素です。