2018年5月1日 更新

ビットコインの安全性を強固にするプルーフ・オブ・ワークとは?

ビットコインの設けれられているシステムで注目を集めているのはブロックチェーンだけではありません。プルーフ・オブ・ワークによる改ざん防止も重要なのです。

アルゴリズムの一つプルーフ・オブ・ワーク

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プルーフ・オブ・ワークとはコンセンサス・アルゴリズムの1つです。

P2P(ピアツーピア)ネットワークにおいて何を発言権として認めるか?という問題に対してのひとつの回答です。古典的なP2PではIPアドレスひとつごと、プロセス1つごとなどに発言権がありましたが、ビットコインではこれをCPUの計算量に応じて発言権を与えることにしました。

具体的には多大な計算量を要する問題(=特定の条件を満たすハッシュを探す)を最初に解いたものに発言権(=ブロック)を与えています。

ビットコインネットワークに偽の情報を受け入れさせるためには過半数の発言権を手に入れなければなりませんが、そのためにはネットワーク全体の半分以上のCPUパワーが必要となります。
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ビットコインにおけるコインの偽造とは、つまり取引データを改ざんすることなので、求めなければならないプルーフ・オブ・ワークも変わり、再計算が必要になります。ここで重要なのが、ブロックに過去の取引データも含まれているということとブロックチェーンの考え方です。つまり、仮に取引データを改ざんしようとすると、その後行われた取引データ(ブロック)も再計算しなければなりません。
ビットコイン情報の改ざんを行うには、私たちが使用しているネットワークの半分以上のCPUパワーが必要なんですね。
そんなCPUなんて現在存在しませんから、事実上不可能なのでしょう。
色々な研究機関で開発されていいる量子コンピューターでも厳しいと思います。

プルーフ・オブ・ワークによる改ざん防止を分かりやすく解説

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例えば、悪意のある人物がブロックチェーンの改ざんを行おうとするとします。ブロックチェーンは約10分で解けるハッシュ値が解読されるたびにその解を含めブロックに分かれていくのですが、次のブロックのハッシュは前のブロックの解を元に作成されるため、データを1つ改ざんした場合ほかのすべてのブロックのハッシュも連動して改ざんしなければなりません。

つまり、ブロックのデータが少しでも変わるとハッシュも変わり、そのハッシュを元に紐づけられたほかのブロックのハッシュもすべて変わってしまうので、ブロックの連続性が失われて改ざんが一瞬で分かるという仕組みです。
ブロックチェーンとプルーフ・オブ・ワークの仕組みがとても分かりやすく書かれていますね。
図も使っているので、文章を読まなくても感覚的にどんなものかつかめると思います。

ブロックを承認するには計算が沢山ありすぎて・・・

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スーパーコンピューターです。
プルーフ・オブ・ワークとは、ビットコイン取引の未承認ブロックを承認する一連の作業を言います。
ブロックを承認するには、
(1)ブロック内にある過去約10分間の全世界での送金者からP2Pネットワークに送られた取引データの電子署名から得る値
(2)既に承認されたブロックの末尾のブロックのハッシュと呼ばれる値
(3)nonce(ナンス)と呼ばれる32ビットの任意の値
の3つの値を使います。
この3つの値とハッシュ関数を使い256桁の値を計算します。この時、先頭にゼロが一定桁数(現在は16桁)並ぶ値を導くnonceが正しいと決められています。
ハッシュ値から元の値を計算することはできないので、そのためにnonceの値を変えながら次々と総当りで計算をしていく必要があります。
もしかしたらこちらのほうが簡潔に要点をまとめてあるので、分かりやすいかもしれません。

まとめ

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とりあえずデータの改ざんを行うには、正しいnonceを見つけるのが大変なんですね。
このnonceはランダムな変数ですし、総当たり式に増加するのです。
しかも、ハッシュ値は一定回数の0の連続から始まるため、元の値を計算することはできません。
つまり、総当たりに計算しなければならず、それが膨大過ぎて無理!ということになるのですね・・・
正直、分かったようでよくわかりませんが、プルーフ・オブ・ワークが凄いということだけは理解しました。
ここまで素晴らしいプルーフ・オブ・ワークですが、デメリットもないわけではありません。
それは大量の電力が必要ということです。
世界中でマイニングに利用している電力の総量が、なんとアルゼンチンの総消費電力に匹敵するらしいのです。
これほど膨大なエネルギーが利用されているということは地球環境にとっては良くないことです。

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