ビットコインプロトコル

ビットコインの送金の図

ビットコイン・プロトコルは、ビットコインの機能を管理する一連の規則です。その主要な構成要素と原則は、中央監視のないピアツーピアの分散型ネットワーク、すべてのビットコイン取引を記録する公開台帳であるブロックチェーン技術、新しいビットコインを作成し取引を検証するプロセスであるマイニングとプルーフ・オブ・ワーク、そして暗号セキュリティです。

ユーザーは、ビットコイン暗号通貨ウォレットソフトウェアを使用して、暗号署名されたメッセージをネットワークにブロードキャストします。これらのメッセージは、台帳に加えられるべき変更である提案されたトランザクションです。各ノードは、台帳のトランザクション履歴全体のコピーを保持しています。トランザクションがビットコインプロトコルのルールに違反している場合、そのトランザクションは無視されます。トランザクションは、ネットワーク全体がそのトランザクションを実行するべきであるというコンセンサスに達した場合にのみ実行されるためです。この「ネットワーク全体のコンセンサス」は、ネットワーク上の各ノードがマイニングと呼ばれるプルーフオブワーク操作の結果を検証することによって達成されます。マイニングは、トランザクションのグループをブロックにまとめ、ビットコインプロトコルのルールに従ったハッシュコードを生成します。このハッシュの作成には高価なエネルギーが必要ですが、ネットワークノードはごくわずかなエネルギーでハッシュの有効性を検証できます。マイナーがネットワークにブロックを提案し、そのハッシュが有効であれば、ブロックと台帳の変更がブロックチェーンに追加され、ネットワークは未処理のトランザクションに進みます。もし紛争が発生した場合は、最長のチェーンが正しいとみなされます。平均して 10 分ごとに新しいブロックが作成されます。

ビットコインのプロトコルを変更するには、ネットワーク参加者の合意が必要です。ビットコインのプロトコルは、他の多くのデジタル通貨やブロックチェーンベースの技術の創出に影響を与え、暗号通貨分野における基盤技術となっています。

ブロックチェーン

ブロックチェーン技術は、コンピュータネットワーク上で取引を記録する、分散型で安全なデジタル台帳です。透明性、不変性、改ざん耐性を確保し、データの改ざんを困難にします。ブロックチェーンはビットコインなどの暗号通貨の基盤技術であり、金融​​分野以外にも、サプライチェーン管理やスマートコントラクトなど、様々な分野で活用されています。[ 1 ]

取引

最高のチェーン ジェネシスブロックからのトランザクションレコードの最長のシリーズで構成されている 現在のブロックまたはレコードに追加します。孤立したレコード 最良のチェーンの外側に存在します。

ネットワークはトランザクションを共有するために最小限の構造しか必要としません。ボランティアによるアドホックな分散ネットワークで十分です。メッセージはベストエフォート方式でブロードキャストされ、ノードはネットワークから自由に離脱・再参加できます。再接続時に、ノードは他のノードから新しいブロックをダウンロード・検証し、ブロックチェーンのローカルコピーを完成させます。[ 2 ] [ 3 ]

鉱業

GPUベースのマイニングリグ、2012年
ビットコインマイニングファーム、2018年

ビットコインは、プルーフ・オブ・ワーク（Proof of Work）システムまたはプルーフ・オブ・トランザクション（Proof of Transaction）を用いて、ピアツーピアネットワークとして分散型タイムスタンプサーバーを構築します。[ 3 ]この作業はしばしばビットコインマイニングと呼ばれます。マイニングでは、ビットコインネットワークの計算能力のほぼすべてが暗号タスク（プルーフ・オブ・ワーク）の解決に使用されます。その目的は、有効なブロックの生成に一定の労力がかかるようにすることで、51%攻撃シナリオのようなブロックチェーンのその後の改ざんを事実上排除することです。この難しさから、マイナーは高い電力要件、高価なハードウェアの導入、そして管理下にあるハードウェアにもかかわらず、報酬を得るために「マイニングプール」を形成します。2021年に中国がビットコインマイニングを禁止した結果、現在、ビットコインマイニングプールの最大のシェアは米国にあります。[ 4 ] [ 5 ]

ブロックチェーンに新しいブロックを承認するためにプルーフ・オブ・ワーク（作業証明）を要求したのは、サトシ・ナカモトの重要なイノベーションでした。マイニングプロセスでは、SHA-256で2回ハッシュ化した際に、指定された難易度目標よりも小さい数値となるブロックを特定します。必要な平均作業量は難易度目標に反比例して増加しますが、ハッシュは常にSHA-256の2倍の1ラウンドを実行することで検証できます。

ビットコインのタイムスタンプネットワークでは、ブロックのハッシュに必要な数の先頭のゼロビットを与える値が見つかるまで、ナンスをインクリメントすることで、有効な作業証明が求められます。ハッシュによって有効な結果が生成されると、作業をやり直さなければブロックを変更することはできません。後続のブロックが連鎖していくため、ブロックを変更する作業には、後続のブロックごとに作業をやり直す作業が含まれます。コンセンサスに逸脱が生じた場合、ブロックチェーンのフォークが発生する可能性があります。

ビットコインにおける多数決は、最長のチェーンによって表され、その生成には最も多くの労力が費やされました。もし計算能力の大部分が正直なノードによって制御されているなら、正直なチェーンは最も速く成長し、競合するチェーンを凌駕するでしょう。過去のブロックを改ざんするには、攻撃者はそのブロックとそれ以降のすべてのブロックのプルーフ・オブ・ワークをやり直し、正直なノードの作業量を上回る必要があります。遅い攻撃者が追いつく確率は、後続のブロックが追加されるにつれて指数関数的に減少します。[ 3 ]

マイニングの難易度が大幅に上昇しました。

ハードウェア速度の向上と、ノード実行への関心の経時的な変化を補うため、有効なハッシュを見つける難易度は約2週間ごとに調整されます。ブロックの生成が速すぎると、難易度が上昇し、ブロックの作成と新しいビットコインの生成に必要なハッシュの数が増えます。[ 3 ]

難易度とマイニングプール

初期のビットコインマイナーは、 CPUよりもプルーフオブワークアルゴリズムに適していたため、GPUをマイニングに使用しました。[ 6 ]
その後、アマチュアは専用のFPGAやASICチップを使ってビットコインをマイニングしました。写真のチップは、マイニング難易度の上昇により、現在では時代遅れとなっています。
今日、ビットコインマイニング企業は、大量の高性能マイニングハードウェアを収容し、運用するための施設を専用に設けています。 [ 7 ]
2020年4月時点で最大のビットコインマイニングプール（拠点国別）

ビットコインのマイニングは競争的な取り組みです。ビットコインのマイニングに使用されている様々なハッシュ技術を通じ、 「軍拡競争」が見られてきました。基本的な中央処理装置（CPU）、ハイエンドのグラフィック処理装置（GPU）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、特定用途向け集積回路（ASIC）など、あらゆる技術が使用されており、それぞれが専門性が低い技術の収益性を低下させています。ビットコイン専用ASICは現在、ビットコインマイニングの主流となっており、GPUの速度を最大300倍も上回っています。マイニングプロセスの難易度は、ネットワーク上で稼働しているマイニングパワーに合わせて定期的に調整されます。ビットコインのマイニングが困難になるにつれ、コンピューターハードウェア製造企業はハイエンドASIC製品の売上増加に取り組んでいます。[ 8 ]

マイナーの収入のばらつきを抑えるため、計算能力はしばしば束ねられ、あるいは「プール」されます。個々のマイニングリグは、トランザクションブロックを承認して支払いを受け取るまで、しばしば長時間待たなければなりません。プールでは、参加サーバーがブロックを解決するたびに、参加しているすべてのマイナーに支払いが行われます。この支払いは、個々のマイナーがそのブロックを見つけるのに貢献した作業量と、プールが使用する支払いシステムによって決まります。[ 9 ]

環境への影響

カナダ、ケベック州のビットコイン採掘施設

文献では、ビットコインの環境への影響は、特にエネルギー使用、温室効果ガス排出、電子廃棄物のために、重大であると特徴づけられている。ビットコインマイニングは、ビットコインが作成され、取引が確定されるプロセスであり、エネルギーを消費し、二酸化炭素排出をもたらす。[ 10 ] 2025年に使用された電力の48％は化石燃料によって生成されたのに対し、52％は持続可能なエネルギー源によって生成された。[ 11 ]さらに、ビットコインは特殊なコンピューターハードウェアでマイニングされるため、電子廃棄物が発生する。[ 12 ]学者たちは、ビットコインマイニングは、風力や太陽光の余剰電力を利用することで、再生可能エネルギー開発を支援できると主張している。[ 13 ] 2025年の時点で、いくつかの実証研究では、ビットコインマイニングの電力使用量の増加と環境持続可能性指標の悪化との間に関連性が報告されている。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]ビットコインの環境への影響は規制当局の注目を集めており、様々な管轄区域でインセンティブや制限が生じています。[ 17 ]

Avalon ASICベースのマイニングマシン

採掘されたビットコイン

ビットコイン取引がどのように検証されるかを示す図

慣例により、ブロックの最初のトランザクションは、ブロックの作成者が所有する新しいビットコインを生成する特別なトランザクションです。これが、ノードがネットワークをサポートするインセンティブとなります。[ 2 ]これは、新しいビットコインを流通させる方法を提供します。マイニングの報酬は、210,000ブロックごとに半減します。最初は50ビットコインでしたが、2012年末に25ビットコインに下がり、2016年夏には12.5ビットコインに下がり、2020年には6.25ビットコインになりました。最新の半減期は、2024年4月20日午前0時9分（UTC）（ブロック番号840,000）に発生し、ブロック報酬は3.125ビットコインに減少しました。[ 18 ] [ 19 ]次の半減期は2028年に発生すると予想されており、ブロック報酬は1.625ビットコインに下がります。[ 20 ] [ 21 ]この半減プロセスは、新しいコインの作成が停止するまで最大64回継続するようにプログラムされています。[ 22 ]

支払い確認

各マイナーは、どのトランザクションをブロックに含めるか、または除外するかを選択できます。[ 23 ]ブロック内のトランザクションの数が多いほど、そのブロックを解決するために必要な計算能力が大きくなるわけではありません。[ 23 ]

ナカモトのホワイトペーパーに記載されているように、ネットワークノードをフル稼働させることなくビットコインの支払いを検証することが可能です（簡易支払い検証、SPV）。ユーザーに必要なのは最長チェーンのブロックヘッダーのコピーだけです。これは、ネットワークノードに問い合わせることで取得できます。最長チェーンが取得されたことが確認できれば、トランザクションとそのブロックをリンクするマークルツリーのブランチを取得できます。トランザクションをチェーン内の特定の場所にリンクさせることで、ネットワークノードがそれを承認したことが証明され、その後に追加されたブロックによって確認がさらに確立されます。[ 2 ]

プロトコルの機能

安全

ビットコインネットワークとその決済システムとしての利用に対する様々な潜在的な攻撃（現実のものも理論上のものも含む）が検討されてきました。ビットコインプロトコルには、不正支出、二重支払い、ビットコインの偽造、ブロックチェーンの改ざんといった攻撃からビットコインを保護する機能がいくつか含まれています。秘密鍵の盗難といったその他の攻撃については、ユーザーによる十分な注意が必要です。[ 24 ] [ 25 ]

不正支出

ビットコインは公開鍵暗号方式を採用しているため、不正な支出は軽減されます。例えば、アリスがボブにビットコインを送ると、ボブがビットコインの新しい所有者になります。取引を監視しているイヴは、ボブが受け取ったばかりのビットコインを使いたいかもしれませんが、ボブの秘密鍵を知らない限り、取引に署名することはできません。[ 25 ]

二重支出

インターネット決済システムが解決しなければならない具体的な問題の一つに、二重支払いがあります。これは、ユーザーが同じコインを2人以上の異なる受取人に支払うことです。このような問題の例としては、イブがアリスにビットコインを送り、その後同じビットコインをボブに送った場合などが挙げられます。ビットコインネットワークは、すべてのビットコインの送金をすべてのユーザーが閲覧できる台帳（ブロックチェーン）に記録し、送金されたすべてのビットコインが過去に使われていないことを保証することで、二重支払いを防止しています。[ 25 ] : 4

人種差別攻撃

イブがアリスに商品と引き換えにビットコインを支払うことを申し出て、対応するトランザクションに署名したとしても、彼女が同時に同じビットコインをボブに送る別のトランザクションを作成する可能性は依然として残っています。ルール上、ネットワークはこれらのトランザクションのうちの1つしか受け入れません。これは、受信者間で最初にトランザクションを受け入れるための競争が発生するため、レースアタックと呼ばれます。アリスは、イブからアリスへの支払いがブロックチェーンに反映されるまで商品を引き渡さないことを条件に、レースアタックのリスクを軽減することができます。[ 26 ]

異種レース攻撃（ハル・フィニーにちなんでフィニー攻撃とも呼ばれる）には、マイナーの参加が必要となる。イブは、ボブとアリスの両方に同じコインで支払うという支払い要求をネットワークに送信する代わりに、アリスへの支払い要求のみをネットワークに発行し、共犯者はアリスではなくボブへの支払いを含むブロックを採掘しようとする。不正マイナーがネットワークよりも先に成功する確率は高く、その場合アリスへの支払いは拒否される。プレーンレース攻撃と同様に、アリスは支払いがブロックチェーンに含まれるまで待つことでフィニー攻撃のリスクを軽減できる。[ 27 ]

歴史の改変

ブロックチェーンに追加される各ブロックは、特定の取引を含むブロックから始まり、その取引の確認と呼ばれます。理想的には、ビットコインで支払いを受ける商店やサービスは、支払いが完了したと判断する前に、少なくとも数回の確認がネットワーク上に配信されるのを待つべきです。商店が待つ確認の数が多いほど、攻撃者が取引を覆すことは困難になります。ただし、攻撃者がネットワーク全体のパワーの半分以上を支配している場合は別で、その場合は51%攻撃、または多数派攻撃と呼ばれます。[ 28 ] 小規模な攻撃者にとってはより困難ですが、履歴改ざん攻撃を利益につなげる金銭的インセンティブが存在する可能性があります。[ 29 ]

量子を利用した攻撃

ビットコインで採用されている暗号プリミティブは量子以前のものであり、暗号に関連する汎用量子コンピュータを持つ敵からの攻撃に対して脆弱である。[ 30 ]

ビットコインプロトコルは、トランザクションの署名と検証に楕円曲線デジタル署名アルゴリズム（ECDSA）を使用しています。ECDSAは離散対数問題のセキュリティに依存しているため、量子コンピュータからの攻撃に対して脆弱です。 [ 31 ]ビットコインプロトコルでは、送信者が受信者の公開鍵のハッシュにビットコインを送信できます。このハッシュは受信者の公開鍵を隠蔽するため、未使用時は量子耐性があります。しかし、受信者が受信したビットコインで取引を行うには、公開鍵をブロードキャストする必要があります。このブロードキャストにより、量子対応の攻撃者が公開鍵から秘密鍵を導き出し、ビットコインを盗む可能性があります。

さらに、プルーフ・オブ・ワークのセキュリティは、ハッシュ計算を実行するのに十分な深さと安定性を備えた汎用量子コンピュータに対して脆弱になる可能性があります。グローバーのアルゴリズムは、ビットコインプロトコルのハッシュベースのプルーフ・オブ・ワークに適用することで、有効なナンスを見つけるのにかかる時間を2乗的に短縮できます。もし、ハッシュベースのプルーフ・オブ・ワークブロックチェーン上でグローバーのアルゴリズムを実行できる量子コンピュータが利用可能であれば、攻撃者は大幅な高速化により51%攻撃を実行できる可能性が非常に高くなります。[ 32 ]

スケーラビリティ

月ごとの取引件数（対数スケール）

ビットコインのスケーラビリティ問題とは、ビットコインネットワークが短期間でプラットフォーム上で大量の取引データを処理できる能力が限られていることを指します。 [ 33 ]これは、ビットコインブロックチェーン内のレコード（ブロックと呼ばれる）のサイズと頻度が制限されているという事実に関連しています。 [ 34 ]

ビットコインのブロックには、ビットコインネットワーク上の取引が記録されている。[ 35 ]：ch. 2 ビットコインネットワークのオンチェーン取引処理能力は、平均ブロック生成時間10分と、元々のブロックサイズ制限である1MBによって制限されている。これらが相まって、ネットワークのスループットを制約している。平均または中央値の取引サイズを用いて推定される最大の取引処理能力は、1秒あたり3.3～7件である。[ 34 ]この問題に対処するために、様々な解決策が提案され、既に実行されている。

プライバシー

クライアントの匿名化

非匿名化とは、データマイニングにおける戦略の一つで、匿名データを他のデータソースと相互参照することで、匿名データソースを再識別するものです。ビットコインアドレス（仮名）間の接続を明らかにする可能性のあるトランザクショングラフ分析に加え、[ 24 ] [ 36 ]、ユーザーの仮名をIPアドレスにリンクさせる攻撃[ 37 ]も考えられます。ピアがTorを使用している場合、この攻撃にはピアをTorネットワークから切り離す手法が含まれており、これによりピアは以降のトランザクションで実際のIPアドレスを使用するように強制されます。2014年の時点で、ビットコインネットワーク全体に対するこの攻撃のコストは月額1500ユーロ未満と推定されています。[ 37 ]

参照

参考文献

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引用文献

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