ビットコインの仕組みとは?採用されているシステムを紹介します

皆さんは「仮想通貨ビットコイン」を実際に手に入れて保有していますか。

例えばビットコインを送金するとき、いったいどのようなしくみで送られ、どのようにして確定するのか、またその作業を支えているのはどのようなしくみか、ご存知でしょうか。わかりやすい簡単な説明で皆さんに解説いたします。

ビットコインの仕組みを知っていることで、日進月歩のビットコインおよび仮想通貨の技術ニュースに敏感になれ、それが相場に及ぼすであろう効果にも素早く反応することができるでしょう。

ビットコインの概要

ビットコイン(Bitcoin)とは、送受信者の支払い・受取権利部分を暗号化してセキュリティを高めつつ、全世界に取引の事実を公開している、中央サーバを持たない電子式の価値交換機能、つまり分散型「決済システム」であると言えます。

コインというよりも、取引のためのプラットフォームと考えるとよいと思います。英語ではこれをCryptocurrencyと呼んでいます。

中央サーバを持たず、ネットワーク上に同じ帳簿を持つ無数のノード(ウォレットなどビットコインを扱うプログラム)が立てられているため、公平、公正かつ安全に取引がP2Pネットワーク上で行われます。

いずれの政府・中央銀行が介入することができず、国際的な取引が安価な手数料で実現できます。

詳細については後述しますが、ビットコインの特徴をまとめると以下のようになるでしょう。

  1. 銀行や国が介在せず、完全な個人間の自由な送金が可能な「P2P」の「決済システム」。
  2. 海外送金と比較した場合、手数料が大変安い(※昨今のビットコイン相場高騰により、この点は疑問視されています)
  3. ネット上の取引であるが、「公開鍵暗号」という技術により干渉や改竄に対しては極めてセキュリティが高い。
  4. 残高が世界中に公開されている「オープン」な電子的財布にビットコインが保存される。
  5. 近年は知名度が高まると共に価格が高騰し、そのために本来高速であるはずが、利用者過多の問題と他の仮想通貨の価格高騰を目論んだスパム迷惑行為などでビットコイン送金の渋滞が散見される。

P2Pという個人間取引

P2Pという言葉がビットコインなどの仮想通貨でよく使われます。これは、Peer to Peer(ピアツーピア)という言葉の略で、中央のサーバや管理者を経由せず(存在せず)、両者が直接接続して取引を行うというものです。

実は仮想通貨が流行する前から、ファイル転送ソフト(WinnyやBitTorrentなど)でのファイル転送用プロトコルでこの「P2P」という概念が使われています。

ビットコインが採用するP2Pネットワーク

ビットコインはP2P方式を採用しており、クライアント・サーバ方式と異なり、全情報を皆がそれぞれ同じように管理しています。

ですので中央サーバがなくとも、AさんとBさんで直接、CさんとFさん、誰とでも一対一で取引ができるようになっていますし、中央サーバが故障してシステムが全部止まってしまうということがありません。

ビットコインには発行主体がない

ここでちょっとお金について考えてみましょう。一般の「お金」は、発行団体があります。日本の通貨である「円」は、法律に基づき日本銀行が発行していますね。アメリカ合衆国の「ドル」は、連邦準備銀行が発行しています。

その意味では、ビットコイン(またその他のいわゆる仮想通貨)は、どこかの国の法律によって発行されているものではないので、「フィアット(法定通貨)」ではありません。

また、「楽天ポイント」「Tポイント」「suica」などの、何らかの企業が管理して発行している電子マネー、またはそれに準ずるポイントでもありません。なぜなら、ビットコインは特定の企業や団体が発行しているものではないからです。

したがって、現時点の常識においては、「ビットコインは通貨ではない」と言われるでしょう。しかし、社会はすでにビットコインでの買い物を受け入れ、大手の量販店・デパートではすでに支払い方法の選択肢としています。

買い物ができるんだったら、ビットコインはもう通貨と言ってもいいんじゃない?
そうだな。古代では、美しい貝殻などが通貨として流通していた。「貨」という漢字を見ても、中央に縦縞のある「子安貝」が「タカラ」となって、人々の間で流通したことを現す形になっている。金属ではないけれど、これもれっきとしたお金だったんだ。
昔は貝殻もお金だったんですね。
うむ。つまり「皆が珍重し、モノやサービスの価値交換のなかだちをする」物体やシステムであれば、それはもうすでに「通貨」と呼べるだろうな。

その意味で、ビットコインという仮想通貨は確かに「通貨」であり、それだけでなくビットコインそのものが「決済システム」を備えています。

しかし、現代における通貨の常識と異なり、ビットコイン(また多くの仮想通貨)の特徴は、発行する主体が存在しない通貨であることが上げられます。

紙幣であれば国の造幣局が出すし、どこかの会社のポイントであればその会社の中央サーバが管理するのですが、ビットコインはP2P型という、中央サーバを持たないタイプのシステムです。

P2P型の特徴って何ですか?
外部から影響を受けにくく、一部の人の好き勝手にできない巧妙なしくみになっているんだ。

そのため戦争や国家破産などで紙幣の価値が消えるとか、ポイントを発行していた会社のサーバのトラブルで記録が全部無くなったという問題を起こさないのがビットコインの長所と言えます。

ちなみに、ビットコインのサプライ(市場への供給)は、中央銀行が行うような人為的通貨発行量調整ではなく、マイニングという後述の作業を行う結果の報酬という形で、一定量が自動で供給されるしくみになっています。

さらに「半減期」というしくみで、供給は時を追うごとに少なくなっていくため、大量のサプライのために相場が下がるということがないようになっています。

中央銀行も政府も関与しないため、ビットコインの管理は、ユーザの自己責任です。

ビットコインを使った関連サービスの内容は別として、ビットコインの保管、送受信そのものについてはどこの団体も責任を持たないから、ユーザ自身が管理責任を負う。だからビットコインの仕組みを理解しておくことは重要なんだ。

公開鍵暗号について

ビットコインのセキュリティには、「公開鍵暗号」技術が採用されています。これはビットコインを安全に利用するために大事な「実印」のような存在で、これはユーザ自身がしっかりと管理しなければならないまさに「鍵」です。

公開鍵方式で管理されるビットコイン

ビットコインの財布(ウォレット)のアドレス(例:1AHyKqP97WgwhsehxxxxgwqLYXp2fSDJtXのようなもの)は、実は「公開鍵」を変換したものです、これはメールアドレスに近いもので、変更しようと思えば何度でも変更することが可能です。しかし、これをロックして管理しているものが「秘密鍵」というもので、秘密鍵は複雑な暗号化アルゴリズムで作成されます。

英語式に「プライベートキー」とも呼ばれます。これは簡単に言えば、お金を移動させるためにATMに入力するあの暗証番号に近いものです。

ビットコインのコア技術「ブロックチェーン」の解説

「ブロックチェーン(Blockchain)」とは、ビットコインのやりとりの記録が延々と数珠つなぎになったもので、途中が幾つかの取引をひとかたまりにした「ブロック」になっています。

これらブロックが連続してつながり、鎖のようになります。このブロックチェーンにおいては、ブロックに通し番号が与えられ、連続して管理されていき、ひとつとして喪失することはありません。

このデータ集合「ブロック」の連鎖が「ブロックチェーン」と呼ばれ、その内容のは全世界に公開されていながら、誰かが内容を改竄することができない仕組みになっています。

ブロックチェーンはBitcoin networkに参加するノード(コンピュータ)に同じ取引データ帳簿を同期させます。

世界中のビットコイン財布を入れてある膨大な数のコンピュータに、ビットコインの誕生から今までの全てのビットコイン取引記録が複製されており、そしてその情報は最後の1台が地上から消滅するまでしっかりと残ります。

そのようにして公平、公正に認証された取引の記録は世界中で監視されて安全に保管されます。

また、ブロックチェーン内には送金のやり取り情報のみならず、削除訂正のできないメモ挿入ができます。つまり、ビットコインを送金する際に書き込んだメモは永久に(ビットコインを扱うコンピュータの最後の1台が世界から消えるまで)残ります。

全ての取引記録が、世界中のコンピュータに入ってるなんて、すごいですね。
うむ。ブロックチェーンの仕組みの詳細については後述するが、ブロックチェーンは将来的に個人や組織の資産管理、音楽、著作などの権利管理に応用できる革新的な技術と言えるぞ。

ブロックチェーンの具体的なしくみ

ブロックチェーンを使ったシステムでは、中央サーバにデータが集中保存されているのではなく、過去の取引全記録の複製が参加するノードすべてに与えられます。これにより、中央サーバが止まったら全部停止するリスクから解放され、災害、ハッキングなどから安全にデータを守っています。リスクマネジメント的には「単一障害点がない」と言えるシステムです。

また、ブロックチェーンは単純な文字データではなく、それぞれのデータ管理番号の前後関係が巧妙につくられており、途中の内容を改ざんすると、その後のデータもすべて修正しないとつじつまが合わなくなる仕組みになっています。

そのため、それを一瞬のうちに完了できるようなコンピュータは現時点でこの世界には単独では存在しないため、悪意あるハッキングは成功し得ないことになります。

ブロックチェーンの中には、記録の束であるブロックが連なっています。ひとつのブロックの中には、内部に5つの重要なデータがセットで記録されています。

  1. 取引時間(タイムスタンプ)
  2. 取引データ
  3. 前回のブロックから引き継がれたハッシュデータ(値)
  4. 「ナンス(nonce)」という数字
  5. その他メッセージ等

ビットコインにおけるブロックチェーンの構造

例えば、AさんがBさんのウォレットへ、1ビット(ビットコインの単位)を送金したとします。

この送金情報は、取引データとしてすぐにいったん仮保存され、およそ10分間をめどに、他の取引情報と一緒に1個のブロックに書き込まれます。

これをブロックに書き込むことが認証されることなのですが、誰でも単純に書き込むことはできません。その条件として、前回のブロックより引き継いた(生成された)ハッシュ値が必要で、それを得るために更に「ナンス」という数字が必要になります。

ビットコインネットワークの中には、この「ナンス」を早くゲットしようと「早押しクイズ」をする作業が必要になります。なぜなら、いち早くナンスを発見すると、その人は報酬(ビットコインの場合は一定量のビットコイン)がもらえるからです。

ナンスはまるで「先の見えない地中を延々と掘って、やっと見つけた宝石」のようですから、この作業を俗に作業を「マイニング(採掘)」と呼んでいます。またその作業を率先してやる人は「マイナー(採掘者)」と呼ばれます。

マイニングには実際には膨大な電力が消費されますので、報酬と電気料金などのコストの差、つまりどのくらい儲かるかは、地域によって異なってきます。

どんな国でマイニングすれば儲かるのよ?
先進国ではおしなべて電力が高いため儲けが出にくく、例えばラオスなど電力の安い地域では有利だ。中国は電気料金が比較的安く、土地も広いため、大規模なマイニングビジネスを行う会社があり、ビットコインの世界では無視できない影響力を持っている。

ナンスに話を戻しますと、早いもの勝ちゲームの賞品と言えるこの「ナンス」を発見した人だけが、ブロックを生成、すなわちブロックチェーンに認証記録を書き込む(記録係)になれ、そして報酬が得られるのです。

具体的には「ナンス」は、各ブロックの先頭(ヘッダー)のハッシュについてゼロを連続して一定数並べるようにしたものです。

「マイナー(採掘者=認証作業を手伝い報酬を貰おうとする者)」は、自分のコンピュータと膨大な電力を使って高速計算を行い、このブロックヘッダーのハッシュでゼロ連続値ができる正しいナンスの回答を延々と計算します。

いわば「早押しクイズ」です。電力を沢山使って、何度もビットコインの取引の内容が正しいか計算しているわけではありません。

そして偶然に「ナンス」の答えが一番早く分かったマイナーが勝者となって、前述のようにブロックに書き込み、完了させる権利を得られ、その報酬として12.5ビット(BTC)が得られるのです。(2017年末現在)

PoW(Proof of Work)とマイニングについて

ここで、ビットコインに採用されている「正しさを証明する基準」をご紹介します。これは「プルーフ・オブ・ワーク」というもので、英語の省略形でPoWとも書かれます。

ビットコインの取引を認証するにあたり、誰でもOKにしてしまうことはできず、かなりの労力を強いる「クイズ」を行わせることで偽造を防ごうというものです。

前述のマイニングという行為は、「ナンスを発見するクイズを早く解いて報酬をゲットしたいという欲求から、多くのマイナーがどんどんブロック認証をするためのナンス探しをすることです。

大勢が報酬目当てで参加しているため、ハッキングなどで改竄するにも、ほんの僅かの時間しか猶予はありません。また、改竄することで発生するハッシュ値の崩壊も対処しなくてはなりません。

ビットコインのブロックチェーンを書き換えるハッキング行為を、僅かな時間のうちに完了させるは至難の業なのです。

これを成功させるためには数多のマイニングリグの性能を上回る処理能力がなければなりませんが、ほぼ不可能なことだと考えられます。

マイニングリグって何?
マイニング専用のパソコンだ。このような、作業量の多さを以て、認証の正当性を決める方式がこのPoW(プルーフ・オブ・ワーク)なのだ。

半減期によるサプライの調整

さて、ビットコインを始めとする仮想通貨の多くでは、マイニングを行って報酬を出すことによるサプライを少しずつ絞っていくしくみが採用されています。

これを「半減期」と呼んでいます。「半減期」はマイニングの報酬が、一定期間をすぎると以前の半分になるというしくみのことです。

当初、ビットコインのマイニング報酬は、1ブロックごとに50BTCが支払われていました。今の相場でいったらとんでもない高額ですが、2009年当時は極めて価値が低く、フィアット(普通の法定通貨)の金額に直せば、小銭にもならない安いものでした。

ビットコインでは、マイニング報酬は210,000ブロックごとに半減していきます。終わりも決まっており、最後のマイニングが行われた後は、サプライが止まります。最初からビットコインのプロトコル(プログラム、しくみ)に設定されているのです。

近年では、2016年7月9日に42万個目のブロックが生成され、これにより7/9に以降の報酬はそれまでの25BTCの半分、12.5BTCになりました。

マイナーは半減期を迎えることでビットコインの収入が減ります。その為、電気代などのコストを考えてマイナーを辞めてしまう人もいます。

しかし辞めた人がいると競争率が下がるため、残った人のマイニング報酬を受けるチャンスは増加します(難度が下がる)。

また、半減期によってサプライが減るという認識が市場に広がるため、「さらに手に入りにくい」という思惑から売りが減少し、結果として高騰するため、半減期でBTC収入は減ったが、日本円換算では以前より高かった、ということもあり、半減期が来てもマイニングのモチベーションが下がらずに作業を続けるマイナーも少なからずいます。

もし仮想通貨に半減期がなく、どんどん太っ腹に報酬を出し続けていったならば、コインのサプライが過剰になり「みんながいくらでも持っている」ということになります。そうなれば希少性は失われ、二束三文になってしまうでしょう。

インフレを起こさないようにする「半減期」のしくみが、巧妙にビットコインの価値を保たせているのです。

この「半減期システム」はおよそ4年毎(現在のコンピュータの性能からの予測)に起きますが、将来私達の使うコンピュータ機器の性能向上が、ビットコインのブロックチェーンの伸長の速度と同じペースであれば、予測では2140年ごろにビットコインの最後の1BTCが発行されるまで続きます。

全てのビットコインが発行されたら、ビットコインは止まるんですか?
いいや、その後もビットコインは続いていく。ビットコインを実際に送金してみるとわかるが、送る側は「取引手数料」を少し支払う。マイニングの報酬は実は「新規産出ビットコイン」+「送金者が支払う手数料」をあわせたものなんだ。
つまりマイナーは、手数料収入があるってこと?
そうだ。新たなビットコインの産出がなくなっても、送金者の手数料は相変わらず支払う必要があり、またこれまでの趨勢から、手数料は時間が経つごとに値上げされているため、マイナーの報酬が無くなることはないだろう。

ハッシュ値について

先程「ブロックに取引記録を書き込みためにはハッシュ値が必要」と説明しました。これは、特別な演算を行い、あるデータ(ビットコインの場合は、過去10分前に作られた一つ前のブロックのデータ)から作られた、一定長の値です。

これは「復元が不可能」で、もしも改竄してしまうともとに戻せない崩壊を起こします。

つまり、ハッカーがもしビットコインのブロックチェーンの「100ビット送った」を「1000ビット送った」と書き換えようとするなら、たちまちハッシュ値がおかしくなり、その次に続くべきブロックで必要なハッシュ値にならなくなり矛盾を起こしてしまいます。

ですからハッキングは現実的に大変困難で、事実このハッシュ値の巧妙な構成により、一度もビットコインのデータは改竄されたことがありません。

ハッシュ値とナンスが採用されていることで、データの改ざんがほぼ不可能になります。

ブロック内の取引情報を少し改ざん(例えば金額を変えてしまうなど)すれば、たちまち連続したハッシュが狂ってしまい、一部だけの数字の改竄だけではすまなくなり、延々に他のデータまで変えないとつじつまが合わなくなります。

それはおそらく天文学的な時間がかかり、ナンスを探して報酬を求める大勢のマイナーの処理の速度を追い越して改竄を成功させるのは、事実上不可能になります。

このようにビットコインのブロックチェーンは、デジタルデータの帳簿というだけではなく、ブロックチェーンは「ナンス」という絶妙な仕掛けによって、悪意ある改ざんを未然に防いでいるのです。

ビットコインの今後の課題など

以上、ビットコインのしくみを、できるだけ簡単な表現にしてご説明しました。実際にはビットコインの構造はもっと詳細に説明しなくてはならないしくみが内蔵されていますが、こんかいのご説明で大まかなポイントはご理解いただけるのではないかと思います。

このように書いてみると画期的で素晴らしい可能性を秘めたビットコインですが、すでに夜に出てから10年弱、当初は想像されなかった新たな改善点もいくつか出てきています。

あまりにも人気が出すぎて価格が高騰したため、手数料もフィアット(米ドルや日本円などの法定通貨)計算では銀行手数料より高くなりそうな勢いだ、というのはその一例でしょう。

またデータ量が多くなるにつれ、ブロックチェーンを処理する負荷も深刻になっています。ビットコインのしくみと現状を大まかにでも理解することで、より賢いビットコインの使用や投資ができると思います。

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