5分で分かるビットコインの仕組み・入門編【出来るだけ簡単に解説】

ブログを始めて40記事目でこの記事を書いてます。
本来この記事を1記事目で書くべきでしたw

自分がビットコインに出会った当時、疑問に思っていたこと、理解できなかった事を、出来るだけ分かりやすく簡単な言葉でまとめてみました。

初めての方でも理解できるようにまとめてますので、是非最後まで目を通してみて下さい。

きっとビットコインの魅力を感じる事が出来ると思います。

ナカモト・サトシによるビットコイン論文

まずビットコインを知るうえで、Satoshi Nakamoto(ナカモト・サトシ)という人物を知っておく必要があります。名前だけみるといっけん日本人に思えますが、今でも国籍や生い立ち等の素性は何も分かっていません。

サトシは一人の人物ではなく、何人かの団体ではないかという説もあります。

このナカモト・サトシなる謎の人物は2008年10月31日に急遽現れ、暗号関連のメーリングリスト上に「Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System」という論文を投稿しました。

ビットコインの存在が初めて明らかになった日です。

論文の題名にもなっているPeer to Peer(P2P)とは「対等な2者間による」という意味で、「Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System」は対等な2者間での電子マネー送金システムを意味します。

簡単に言うと、ビットコインは「国家や銀行などの第三者機関(中央管理者)に頼る事なく、個人間で決済する事が可能」な電子送金システムです。

後述しますが、このビットコインシステムは、ほぼ改ざん不可能な圧倒的なセキュリティも兼ね備えています。

ビットコインが解決するインターネット上での電子送金の問題点

ビットコインの実際の機能説明に入る前に、インターネットを使っての電子送金では、主に下記のような問題点を抱えています。

中央管理者が介在する事によるデメリットです。

第三者機関である金融機関(銀行等)に頼らないといけない

やり直しやキャンセルが必要な取引には膨大なコストがかかる。
⇒結果、少額取引が出来なくなる。

一定の割合で詐欺が発生する為、金融機関へ個人情報を渡さないといけない。

上記問題は「現金取引(有形通貨)」で解決可能ですが、インターネット上での電子送金では今までこれといった有効な解決方法がありませんでした。

上記2)が少し分かりずらいですが、例をあげると、クレジットカードの不正利用等が発生すると、中央管理者はその処理をさかのぼって訂正したりする必要がある為、仲裁する為の費用等がかかってくるという意味です。

裏を返すと、ビットコインは一度実行された処理(トランザクション)を変更する事が出来ないという事です。これを非可逆的処理と呼んだりします。

またビットコイン取り扱いには、銀行口座等の開設は必要なく、インターネット上でウォレット(ビットコインの財布・口座のようなもの)を持てば、個人情報等を第三者へ提供する事なく、電子送金のやり取りが可能です。

ビットコインは、従来のネット上での電子送金の問題点を解決するシステムです。
※正確にいうと現状のビットコインでは送金手数は決して安くない為、全て解決出来ているわけではないですが、ここでは細かい点は割愛します。

繰り返しになりますが、ビットコインは、第三者機関に頼る事なく、安全でかつプライバシーが確保された、少額決済可能な送金システムを提案しています。

ビットコインの暗号送金システム

ビットコインの送受信にはウォレットが必要になります。

ウォレットとは銀行口座のようなもので、送金の際に相手のウォレットを指定してビットコイン送金を行います。
尚、ウォレットはスマホやPCを使って誰でも簡単に作る事ができます。

ウォレットは主に下記の機能を持っています。
✅アドレス・・・・・・・・・・・銀行でいうところの口座番号
✅秘密鍵(プライベートキー)・・・・送金内容を暗号化する鍵
✅公開鍵(パブリックキー)・・・暗号化された送金内容を復号する鍵

※復号とは、暗号内容を解読するという意味です。

ビットコインの送受信には、公開鍵暗号方式という暗号化技術が採用されており、公開鍵と秘密鍵を使ってビットコインの送受信を行うシステムです。

上記の図に沿って説明します。
アドレスは銀行でいう口座番号にあたり、この相手先のアドレスを指定して、ビットコインの送金を行います。

秘密鍵はビットコインネットワークに送金リクエストをする際に、その送金内容を暗号化する際に使います。
暗号化された送金内容は、秘密鍵に対応する公開鍵でのみ復号する事が出来ます。

この暗号化の事を「電子署名」と呼びます。

また、公開鍵は秘密鍵から生成されますが、公開鍵の情報から逆算して秘密鍵を生成する事は出来ません。

ただし、注意しなければならないのは秘密鍵の管理になります。
図からも分かるように、秘密鍵は銀行口座のATMカードと暗証番号のようなもので、秘密鍵が第三者に盗まれるという事は、全財産を盗まれたも同じです。

過去に発生した取引所のハッキング事件も、この秘密鍵が何らかの形で盗まれた事が原因でした。
ビットコインの運用において、秘密鍵の管理は最重要課題になります。

ノード:ビットコインのネットワークを支える屋台骨

では、送金された内容はどのようにして相手のアドレスに届くのでしょうか。

ビットコインには中央で記録を管理するサーバーのような存在がない代わりに、ノードと呼ばれる世界中に点在するコンピューターで取引内容が記録されています。

ノードになる為の条件は特になく、世界中の誰もがノードになる事が出来ます。

この世界中に無数に存在する各々のノードによって、ビットコインが誕生してから今まで全ての取引内容が分散的に記録されている為、中央のサーバーが破壊されてしまいデータが消えてしますような事がありません。

世界中に分散して存在するノード各々が、ビットコインの同一の全取引内容を記録している事から、分散台帳型取引と呼ばれています。

ノードは上記のように、最大8本の足でそれぞれ繋がりあっています。

Aさんが自分のウォレットからBさんへ1ビットコイン(BTC)送金すると、Aさんの一番近くにあるノードがその送金内容を受信し、そこから碁盤の目でつながった各々のノードへ伝わり、最終的に世界に分散する全てのノードにこのAさんの送金内容が伝わるようになっています。

詳細は省きますが、ビットコインのウォレットは必ず1つ以上のノードと繋がっています。

まとめると、ノードとは主に下記2つの役割を持っています。
● 取引データをネットワーク上で伝播する役割
● 取引データが正しいかどうかを検証する役割

次の項目で、2つ目の役割であるノードの「取引データの検証」について説明します。

マイニング:取引データの検証と採掘

ここからがビットコインの取引内容が「改ざん不可能」と言わしめる本質です。

ノードによって伝播された取引内容が世界に分散する全てのノードによって共有され、お互いに監視し合う事により、データ改ざん等の不正を抑止する効果がでます。

しかし、これだけでは改ざん対策としては不十分で、一部のノードが結託し不正を働く可能性があります。次のプロセスであるマイニング(採掘)は、人間の行動原理を非常にうまく使う事により、ノードどうしが結束して不正する事を防ぎます。

マイニングとは簡単に言うと取引の承認作業です。
金鉱山で金を掘り当てる事になぞられ、マイニング(採掘)を行うノードの事をマイナーと呼びます。

ノードはビットコインの取引内容を記録する以外にも、マイニング(取引の承認作業)を行う役割も持っています。

マイニングのプロセスでは、まずノードに伝わったユーザーからの送金依頼(トランザクション)をかき集めます。トランザクション数はその時々で前後しますが、だいたい1回あたりのマイニングで数百~2,000のトランザクションを集め、一つの「ブロック」の中に格納します。

そして、そのブロックをある方法で承認し、前回承認されたブロックに繋げていきます。時系列で番号が振り当てられたブロックがチェーンのように繋がっている事から、これをブロックチェーンと呼んでいます。

ブロックチェーンには、2009年にビットコインが誕生してから今に至るまでの全ての取引内容が含まれています。またその取引内容は、世界中の全ての人がこちらのウェブデータベースで確認する事が出来ます。

さて、そもそもブロックの承認とは何かですが、ここでは「ブロックを固める呪文を導き出す事」という例でお話しようと思います。

ブロックが固まり次第、ブロックチェーンに繋げられるとイメージしてみて下さい。

尚、ビットコインには、ブロックを一番早く固めたマイナーに対して、報酬として12.5枚(2018年11月現在)の新規コインが配布されるというプログラミングがされています。
※ビットコインの報酬枚数は、約4年に一度の周期で半減していきます。

報酬は先着1名で、一番早く見つけられないと、ビットコインは1枚も配布されない為、どのマイナーも競って、ブロックを固める呪文を導き出そうとします。

呪文を導き出す方法として、SHA-256という種類のハッシュ関数というアルゴリズム(計算手順)が使われています。

ハッシュ関数とは、どのような文字列を入力しても、常に同じ長さの答えが得られる計算式の事です。実際はこんなに単純ではないですが、下記はかみ砕いた一例です。

ONARAという文字列をハッシュ関数に入れると常にハッシュ値としてKUSAIが求められ、同様にOJISANと入力するとROUGAIが、CRAIGと入力するとCRAZYが常に求められます。

もしONARAを一文字変えてONARUと入力すると、KUSAIとは全く異なるハッシュ値になるという特徴があり、さらにハッシュ関数には一方向性という特徴があり、ハッシュ値から入力値を逆算する事が出来ないという性質があります。

ビットコインに使われているSHA256というハッシュ関数は、どんな文字列の入力値を入れても、答えが常に英数字で64桁になるというアルゴリズムです。

実際のブロックの承認は、下記手順で行います。
1)未処理のユーザーからの送金依頼をブロックに集める
2)直前のブロックのハッシュ値をブロックに入力
3)任意の入力値(ノンス)を入力
4)ハッシュ値を探し当てる=ブロックを固める呪文

当然ですが、ブロックを固める呪文(ハッシュ値)にはルールがあります。
「64桁のハッシュ値の英数字列の先頭に0が19個並ぶ」ハッシュ値が呪文の回答になります。

これを探し当てるには、とにかくコンピューターの計算力をフル稼働させて、ノンスの入力をひたすら繰り返し行います。

見事先頭に0が19個並ぶブロックを固める呪文を見つけたマイナーは、ブロックを固めた後、ブロックチェーンに新たにブロックを繋げる事を許されます。

この一連の承認まで流れをPoW(Proof of Work)仕事量の証明と呼びます。

そしてブロック完成後、ブロックに取り込んでいた数百~2,000程度のトランザクションが、相手に送金された事になります。

報酬としてもらえるのは12.5BTCの新規ビットコインだけでなく、各送金者がマイナーへ支払う送金手数料も同時に得ることが出来ます。

尚、先頭にならぶ0の数は、2週間毎に調整が入ります。

ビットコインのブロック追加は約10分毎に行われるのですが、平均ブロック生成時間が10分以上の場合は先頭につく0の桁数が少なくなる事により難易度が減り、平均ブロック生成時間が10分以内の場合は0の桁数が増えハッシュ値を見つける難易度が高くなるというシステムになっています。

改ざんを不可能にするブロックチェーンの構造

この仕組みこそが、ビットコインの取引内容を改ざんから守っている根幹です。

もし悪意のあるユーザーがデータを改ざんしようとした場合、過去に出来たブロック(約550,000ブロック)全てのハッシュ値を改ざんしなくてなりません。

取引データ17を少しでも改ざんすると、ブロックDのハッシュ値は変わってしまい、ブロックDのハッシュ値を導き出した時に使ったブロックCのハッシュ値、ならびにナンスも同時に変わってしまいます。

これと同じ理由で、ブロックC、ブロックB・・・というように後ろにあるブロックの情報も変わってしまいます。

上記から分かるように、最新のブロックを改ざんするという事は、過去に完成した全てのブロックを改ざんする必要があります。世界中に分散している大勢のマイナーと競いながら、ビットコインのブロックチェーン上にある約550,000ブロックのノンスを再度見つけるなんて事は、実質不可能です。

また、ビットコインのブロックチェーンは、最も長く伸びているチェーンのみ正しいデータと見なすというルールがある為、改ざんしたチェーンを正にする場合、正規ブロックのチェーンよりも常にブロック数で先を越さないといけません。

図のように、正規ブロックチェーンの方は、世界中のマイナーが膨大なハッシュレート(PCの計算能力)を使ってPoWを行っています。常に世界中のマイナーに先んじて不正チェーンを伸ばしていく事はまず不可能でしょう。

唯一改ざんが出来るとしたら、ビットコインをマイニングするハッシュレートの51%以上の過半数を占める事です。

この51%攻撃のリスクは度々話題にあがりますが、そもそも51%以上のハッシュパワーを維持するだけの費用をかけるなら、まじめに正規チェーンのブロックをマイニングをしたほうが、費用対効果が圧倒的に安上がりになります。

また、万が一悪意のあるマイナーがビットコインの改ざんに成功したとしても、それにより信頼で成り立っているビットコインの価格は暴落し、結果的にそのマイナーが保有しているビットコインの価値も下落します。

マイナーは専用のマイニングマシンに多額の先行投資をして、マイニングに参加しています。ビットコインの開発者チームやユーザーと違い、「値段が下落したんでやーめた」とはいきません。

このようにビットコインではPoW勝者へ報酬として12.5BTCを設定する事により、改ざんがほぼ不可能な状況を作り出しています。

また、世界に分散して存在するノードが、取引内容の全記録を共有している事により、参加者皆で監視しあう点も、更に改ざんを難しいものにしています。

まさに性悪説を前提とした、相互監視型の中央管理者不要の型送金システムです。

これらの非常に高いセキュリティの元、ビットコインのP2P送金システムが実現しています。

ビットコインが世界中で当たり前のように使われるようには、まだまだ各国での法整備や税率の話など問題は山積みですが、間違いなく今後、世界中の電子送金のブレイクスルーになるのではないでしょうか。

5年後、10年後にビットコインがどのような進化を遂げているか本当に楽しみです。

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