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ビットコインの仕組みとは?わかりやすく簡単に解説します。

ビットコインの仕組みとは?わかりやすく簡単に解説します。

この記事では、初心者の方でも理解できるように、ビットコインの仕組みについて懇切丁寧にわかりやすく説明していきます。

ビットコインを作った人

ビットコインの始まりは「サトシ・ナカモト」を名乗る人物が2008年11月に、暗号理論に関するオンラインコミュニティで「Bitcoin:A Peer to Peer Electronic Cash System(ビットコイン:P2P電子キャッシュシステム)」という論文を発表してからです。

この「サトシ・ナカモト」が提唱した技術(ブロックチェーン)に興味を持ったオンラインコミュニティのギークなエンジニアたちが、分担してコードを書いてビットコインが開発されたのです。

注意
よく誤解されているのですが、サトシ・ナカモトは暗号理論についての論文を発表をした人物であって、「開発者」ではなく「発明者」です。

サトシ・ナカモトの正体

サトシ・ナカモトは日本人の名前のように見えますが、その正体は明かされていません。一説では、100万ビットコインを所有しているため、正体がバレると課税される危険から、名乗り出ないといわれています。

MEMO
2016年にオーストラリアの起業家クレイグ・ライトという方が「自分がサトシ・ナカモトだ」と名乗り出て話題になりましたが、その真相は定かではありません。

ビットコイン最初の取引

ビットコインが最初に「通貨」として取引されたのは2010年5月22日です。フロリダ在住のプログラマーが「ビットコインでピザが買いたい」とビットコイン開発者のフォーラムに投稿し、それに応じたピザ屋がいて、なんと「ピザ2枚=1万BTC」で取引されています。

MEMO
5月22日は「ビットコイン・ピザ・デイ」と呼ばれて、ビットコイン関係者のお祭りの日になっています。

ビットコインの仕組み(技術)とは?

では、「サトシ・ナカモト」が提唱した技術「ブロックチェーン」とは一体どのような技術なのでしょうか。少々専門的な内容になりますが、わかりやすく解説します。

ビットコインの取引はトランザクション

ひとつひとつの取引のことは「トランザクション」と呼ばれています。例えば「AさんからBさんへ○BTC移動する」という形で全ての取引が記録されます。

MEMO
ビットコインの取引は世界中で24時間365日行うことができます。

未承認のトランザクション

トランザクションのリアルタイム更新
出典:1日あたりの取引|blockchain.info

最新の取引であるトランザクションは、上記の画像の通りリアルタイムで更新されていく様子を見ることができます。しかし、この段階での取引はまだ「未承認」の状態です。

そこで、未承認のトランザクションを約10分ごとにまとめて1つの「ブロック」として、それらを一括して承認する仕組みを採用しています。

新しく承認されたブロックは、すでに承認済みのブロックをひと続きにした1本の「チェーン(鎖)」の最後尾にガチャンとはめ込まれて追加されます。これで取引成立です。

注意
「AさんからBさんへ○BTC移動する」という指示を出しても、そのトランザクションを含んだブロックが承認されない限り、取引は完了しません。送金指示から取引成立まで時間がかかるのは、承認待ちの列に並んでいるからなのです。

ハッシュ関数によって暗号化

個々のトランザクションは、「ハッシュ関数」という特殊な関数によって規則性のない一定の長さの文字列(ハッシュ値)に置き換えられます。

ハッシュ関数にかけることで、同じ桁の異なる文字列に置き換えることができるので、ハッシュ関数は暗号技術でよく使われています。

ハッシュ値から元のデータを割り出すことはできません。不可逆で後から勝手に変更できないのです。このハッシュ関数によって、ビットコインの取引が改ざんされることを防いでいるわけです。

MEMO
ビットコインでは「SHA256」というハッシュ関数が利用されているため、ハッシュ値は64桁になります。
参考

ハッシュ関数 (hash function)「分かりそう」で「分からない」でも「分かった」気になれるIT用語辞典

トランザクションに掛かる手数料

個々のトランザクションに手数料が含まれています。例えば、トランザクションのデータ量1000バイトごとに0.0001BTC(1BTCが50万円なら50円)かかるといった具合です。

小口の送金など、大半の取引では手数料は固定されていますが、送金額が大きかったりして、いち早く処理してもらいたい場合は、手数料を上乗せすることができます。

承認作業をしている「マイナー(採掘者)」にしてみれば、手数料が高いほうが取り分は増えるので、そうしたトランザクションを優先的にブロックに取り込むようにルールが整備されているのです。

注意
現在は、お店での決済よりも取引所を介した売買や送金が中心なので、手数料が安いですが、今後ビットコインの取引量が増えて即時決済の必要性が高まると、手数料は上がっていくかもしれません。

ブロックチェーン(分散型台帳)の仕組みとは?

個々のブロックには数百から数千の取引記録(トランザクション)が含まれています。ここでは、話を単純化するために1つのブロックに100個のトランザクションが含まれているとして解説します。

個々のブロックが繋がる1本のチェーン(ブロックチェーン)

ビットコインが誕生して、最初の取引から100回目の取引までは1番目のブロックに格納されています。2番目のブロックには101回目から200回目のトランザクションが格納されています。つまり100番目のブロックには、9901回目から1万回目のトランザクションが格納されています。

注意
正確には、手数料の高いトランザクションほど優先的に承認されるので、必ずしも行われた順番通りにブロックに格納されるわけではありません。

1年でチェーンに繋がれるブロック数は5万2560個

ブロックは約10分ごとに承認され、最後尾に追加されていくので、1時間で6個。1日で144個。1年で5万2560個のブロックが追加されていく計算になります。

ブロックの繋げ方には規則があり、新しいブロックを最後尾に繋げるには規則に則った鍵を見つける必要があります。そして、この鍵を見つける作業を「マイニング(採掘)」と呼んでいるわけです。

MEMO
一度チェーンの最後尾に繋げられたブロックの順番を後から入れ替えることはできません。ハッシュ値を利用して暗号化してあるので、後から変更することはできないのです。

ブロックチェーンは分散保存

ブロックチェーンは、サーバーで一元管理されているのではなく、世界中に散らばった複数のコンピューターにまったく同じものが保存されています。

中心に国や企業がいて、そこが管理・運営する「クライアント・サーバー方式」ではありません。個々のユーザー同士をネットワークで結んで直接データをやり取りする「P2P(Peer to Peer)方式」を採用しているからです。

取引を1個ずつ個別に承認せずに、数百から数千個の取引をまとめて承認しているのは、同じブロックチェーンをネットワークに繋がった全てのコンピューターがそれぞれ保存する仕組みだからです。

つまり、毎秒数十から数百回にわたるネットワークに繋がる全てのコンピューターを同時に更新するのは物理的に不可能なので、10分ごとにまとめて承認しているというわけです。

MEMO
P2Pネットワーク(分散型)で管理・運営される取引記録の一覧表(台帳)だから、ブロックチェーンのことを「分散型台帳」とも呼ばれています。

マイニング(採掘)の仕組みとは?

マイニング(採掘)とは、新しいブロックを過去の全ての取引記録が記載されたチェーンの最後尾にガチャンとはめ込むための鍵を見つける作業です。では、具体的にはどのような作業なのでしょうか?

ノンス値を試して鍵を見つける作業

個々のトランザクションがハッシュ関数によって64桁のハッシュ値に置き換えられているように、個々のブロックもハッシュ関数によって64桁のハッシュ値に置き換えることができます。

計算式としては、下記3点をハッシュ関数に入れて64桁のハッシュ値に置き換えます。

  • 直前のブロックのハッシュ値
  • 今回のブロックに含まれる全取引データ
  • ノンス値(32ビットの任意の値)

このとき先頭の16桁が全て0になるハッシュ値が得られれば、新たにブロックを追加することができるというルールになっています。

先頭の16桁が0のイメージ
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マイニングには膨大なマシンパワーと電力が必要

32ビットのノンス値は自由に決めることができますが、ノンス値が1桁でも違えば、生成されるハッシュ値も全く違ったものになります。つまり、任意のノンス値を片っ端から当てはめて、しらみつぶしに調べる必要があります。

ハッシュ値の先頭の16桁が0になるノンス値を見つけるために、10分の間に何億〜何兆回にも及ぶ試行錯誤を行うわけですから、マイニングには膨大なマシンパワーと電力が必要になるわけです。

全世界のマイナー(採掘者)による承認レース

このマイニングには、全世界のマイナー(採掘者)が参加できます。全世界のマイナーたちの中で、1番最初にハッシュ値の先頭の16桁が0になるノンス値を見つけた人が勝者となり、報酬としてビットコインが貰える仕組みとなっています、

マイニング報酬の仕組み

1番最初に見つけた人は「12.5BTC」も貰えます。しかし、倉庫代や電気代、特殊なコンピューターを購入するコストが掛かりますので、個人では参入できないくらいの資本力が必要となります。

MEMO
マイニング事業者は人件費の安い中国が中心で、あとは寒いアイルランドや産油国で電気代が安いサウジアラビアなどの一部の国に限られてしまう、というのが現状です。

ビットコインの問題点とは?

  • 取引が完了するまでの時間
  • 増加するブロックのデータ量
  • マイニングの難易度

順風満帆に見えるビットコインにも技術的な課題が3点あります。

取引が完了するまでの時間

即時決済できないのは、中央集権型ではなく「P2Pネットワークで相互承認する(みんなで認証作業)」というブロックチェーンの基本設計に関わる部分なので仕方がない面があります。

増加するブロックのデータ量

ひとつの「ブロック」には、数百から数千のトランザクションとそれぞれのトランザクションが正しいと確認するための「電子署名」がついています。

つまり、過去にやり取りした全てのメールの署名が毎回くっていてくるようなイメージですので、非常に重くなってしまうのです。

MEMO
現在ビットコインに実装されているひとつのブロックの大きさは「1MB」です。ちなみにハードフォーク(分裂)してできたビットコインキャッシュは「8MB」です。

セグウィット(Segregated Witnessの略でSegWit)

そこでブロックに書き込まれるデータ量を小さくするために、トランザクションの部分と電子署名の部分を分ける「セグウィット(Segregated Witnessの略でSegWit)」と呼ばれる解決策が実装されています。

マイニングの難易度

マイニング競争が激しくなり「クラウドマイニング」も盛んになっています。これは世界中の人たちからオンライン上で資金を募る「クラウドファンディング」の仮想通貨版です。

例えば、支援したマイナーが、マイニングレースで掘り当てる度に支援した資金額に応じて仮想通貨を送ってきてくれます。これにより、個人の方でもマイニングレースを楽しめるわけです。

MEMO
クラウドマイニングでは、マイニングで元をとることが難しくなってきているビットコインよりも、イーサリアムなどの別の新しい仮想通貨のマイニングが中心となっています。そのほうが競争も激しくないので、ペイできるというわけです。

ビットコインの終わりとは?

ビットコインは上限が2100万枚(有限)と決まっているため価値が保てているのですが、すでに1600万枚が発行済です。2009年から8年で4分の3も発行された計算です。

ところが、ビットコインが掘り尽くされるのは「2141年」とされていて、まだ100年以上も先の話です。どうしてこのようなことが起きるのでしょうか?

4年に1度のビットコイン半減期

ビットコインはオリンピックイヤーに、マイナーへの報酬が半分になるというルールが決められているからです。したがって、現在は「12.5BTC」ですが、2020年には「6.25BTC」になるのです。

ではどうして半減期が決められているのでしょうか?

ムーアの法則とビットコイン半減期

ムーアの法則(Moore’s law)とは、インテル創業者の一人であるゴードン・ムーアが、1965年に自らの論文上で唱えた「半導体の集積率は18か月で2倍になる」という半導体業界の経験則です。
出典:ムーアの法則とは-半導体性能の原則|株式会社シナプス

半導体の集積密度が1年半から2年ごとに倍増するという「ムーアの法則」があるからです。コンピューターの処理速度が2年ごとに倍増するなら、マイニングに掛かるコストは半分になるため、「ビットコインの価値も半減しよう」というわけです。

MEMO
ムーアの法則が2年で2倍なのに対して、ビットコインはなぜだか「4年」で2分の1と見積もっている理由は謎に包まれています。

ビットコインの最小単位は1satoshi

ビットコインの最小単位は、小数点以下0が8個続く「1satoshi=0.000000001BTC」と決まられています。半減期を繰り返していけばやがて1satoshiを下回り、分割できなくなるため新規発行は終わるというわけです。それが2141年です。

2141年以降の承認作業

では、2141年以降の承認作業にはどういう報酬が考えられているのでしょうか?それは個々の取引に上乗せされる手数料が報酬の代わりになるといわれています。また、マイニングの難易度そのものを簡単にする可能性もあります。

おわりに

ここまで長い文章をお読みいただきありがとうございます。ビットコインの仕組みについては、上記の動画が図表によりわかりやすいです。また魚住りえアナウンサーによる解説もよかったです。

さらにもっとビットコインについて知りたいという方は、こちらの記事もご一読いただけると、よりビットコインの理解が深まります。

参考

ビットコインとは?世界で1番わかりやすく説明します。初めてのビットコイン

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