ビットコインプロトコル

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ルールです。その主要なコンポーネントと原則は、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、および暗号化セキュリティです。

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、暗号で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提案されたトランザクション、つまり台帳に加えられる変更です。各ノードには、台帳のトランザクション履歴全体のコピーがあります。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実行す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「完全なネットワーク 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で達成されます。マイニングでは、トランザクションのグループをブロックにパッケージ化し、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、非常に少ないエネルギーでハッシュが有効であることを検証できます。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る場合、ブロックとその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。紛争が発生した場合は、最長のチェーンが正しいと見なされます。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 プロトコルの変更には、ネットワーク参加者の合意が必要です。ビットコイン プロトコルは、他の数多くのデジタル通貨やブロックチェーン ベースのテクノロジーの創造に影響を与え、暗号通貨分野の基礎テクノロジーとなっています。

ブロックチェーン技術は、コンピュータネットワーク全体の取引を記録する分散型の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、データの操作を困難にします。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、サプライチェーン管理やスマートコントラクトなど、金融以外の分野でも応用されています。^[1]

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を必要とします。ボランティアの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ベースでブロードキャストされ、ノードは自由にネットワークから離脱したり再参加したりできます。再接続すると、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して検証し、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]}

ビットコインは、プルーフオブワークシステムまたはプルーフオアトランザクションを使用して、ピアツーピアネットワークとして分散タイムスタンプサーバーを形成します。^{[3]この作業は、}ビットコインマイニングと呼ばれることがよくあります。マイニング中は、ビットコインネットワークの計算能力のほぼすべてが、暗号タスクの解決に使用されます。これはプルーフオブワークです。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し、51％攻撃シナリオなどのブロックチェーンのその後の変更を実質的に排除できるようにすることです。困難さのため、マイナーは、これらの高い電力要件、高価なハードウェアの展開、および制御されたハードウェアにもかかわらず、支払いを受けるために「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、米国がビットコインマイニングプールの最大のシェアを占めています。^{[4] [5]}

ブロックチェーンに新しいブロックを受け入れるために作業証明を要求したことは、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 回ハッシュすると、指定された難易度ターゲットよりも小さい数値が生成されるブロックを特定します。必要な平均作業量は難易度ターゲットに反比例して増加しますが、ハッシュは常に SHA-256 の 1 ラウンドを 2 回実行することで検証できます。

ビットコイン タイムスタンプ ネットワークの場合、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、ナンスを増分することで、有効な作業証明が見つかります。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。後続のブロックがその後に連鎖されるため、ブロックを変更する作業には、後続の各ブロックの作業をやり直す作業が含まれます。コンセンサスに偏差があると、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で表され、その生成には最大の労力が必要でした。コンピューティングパワーの大部分が正直なノードによって制御されている場合、正直なチェーンは最も速く成長し、競合するチェーンを上回ります。過去のブロックを変更するには、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を上回る必要があります。遅い攻撃者が追いつく可能性は、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]

ハードウェア速度の向上と、時間の経過とともに変化するノード実行への関心を補うために、有効なハッシュを見つける難易度はおよそ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、難易度が上がり、ブロックを作成して新しいビットコインを生成するためにより多くのハッシュが必要になります。^[3]

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さまざまなハッシュ技術を通じて「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ス処理装置(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) がすべて使用され、それぞれがあまり専門的でない技術の収益性を低下させています。ビットコイン専用の ASIC は現在、ビットコインのマイニングの主な方法であり、GPU の速度を 300 倍も上回っています。マイニングプロセスの難易度は、ネットワーク上でアクティブな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難しくなるにつれて、コンピューターハードウェア製造会社はハイエンド ASIC 製品の売上が増加しています。^[8]

計算能力は、マイナーの収入のばらつきを減らすために、まとめられたり「プール」されたりすることが多い。個々のマイニング装置は、トランザクションのブロックを確認して支払いを受けるまで、しばしば長時間待たなければならない。プールでは、参加している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る。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る。^[9]

ビットコインの環境への影響 は大きい。ビットコインのマイニングは、ビットコインが作成され、取引が確定するプロセスであり、エネルギーを消費し、二酸化炭素排出につながる。2021年に使用された電力の約半分は化石燃料によって生成された。^{[10]さらに、ビットコインは}寿命の短い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。^[11]ビットコインマイニングによって生成される電子廃棄物の量は、オランダで生成される量に匹敵する。 [11] 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。 [ ^{12 ]}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、さまざまな管轄区域でインセンティブや制限につながっている。^[13]

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]これにより、新しいビットコインを流通させる方法が提供されます。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年後半には25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。最新の半減は、2024年4月20日午前12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。^{[14] [15]}次の半減は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。^{[16] [17]}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。^[18]

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。^[19]ブロック内のトランザクションの数が多いからといって、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。^[19]

ナカモトのホワイトペーパーに記載されているように、完全なネットワークノードを実行せずにビットコインの支払いを検証することは可能です（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、最長チェーンが取得されたことが明らかになるまでネットワークノードにクエリすることで入手できます。次に、トランザクションをそのブロックにリンクするマークルツリーブランチを取得します。トランザクションをチェーン内の場所にリンクすると、ネットワークノードがそれを受け入れたことが示され、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]

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使用に対するさまざまな潜在的な攻撃が、現実的または理論的なものとして検討されてきました。ビットコインプロトコルには、不正な支出、二重支出、ビットコインの偽造、ブロックチェーンの改ざんなど、これらの攻撃の一部からビットコインを保護するいくつかの機能が含まれています。秘密鍵の盗難などの他の攻撃には、ユーザーによる十分な注意が必要です。^{[20] [21]}

ビットコインの公開鍵・秘密鍵暗号の実装により、不正な支出が軽減されます。たとえば、アリスがボブにビットコインを送信すると、ボブがビットコインの新しい所有者になります。取引を観察しているイブは、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と取引に署名できません。^[21]

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は、二重支払いである。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ある。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が挙げられる。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以前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る。^{[21] : 4}

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場合、彼女が同時に同じビットコインをボブに送信する別のトランザクションを作成することも依然として可能です。ルールにより、ネットワークはトランザクションの1つだけを受け入れます。これは、受信者間でトランザクションを最初に受け入れるための競争があるため、レース攻撃と呼ばれます。アリスは、イブのアリスへの支払いがブロックチェーンに表示されるまで商品を渡さないことを規定することで、レース攻撃のリスクを軽減できます。^[22]

バリアントレース攻撃（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である。イブは、両方の支払い要求（ボブとアリスに同じコインで支払う）をネットワークに送信する代わりに、アリス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。不正なマイナーがネットワークより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。^[23]

特定の取引を含むブロックから始まって、ブロックチェーンに追加される各ブロックは、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取る商店やサービスは、支払いが行われたと見なす前に、少なくともいくつかの確認がネットワーク上に配布されるのを待つ必要があります。商店が待つ確認が多ければ多いほど、攻撃者が取引を元に戻すのが難しくなります。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制御している場合は、51%攻撃、または多数派攻撃と呼ばれます。^[24] 小規模な攻撃者にとってはより困難ですが、履歴変更攻撃を利益にする金銭的インセンティブがある可能性があります。^[25]

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する能力が限られていることを指します。 ^{[26]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）のサイズと頻度が限られているという事実に関連しています。 ^[27]

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含まれています。^{[28] ：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、平均ブロック作成時間の10分と元のブロックサイズ制限の1メガバイトによって制限されています。これらは共同でネットワークのスループットを制約します。平均または中央値の取引サイズを使用して推定される最大の取引処理能力は、1秒あたり3.3〜7件の取引です。^[27]この問題に対処するために、さまざまな提案および実行された解決策があります。

匿名化解除は、匿名データを他のデータソースと相互参照して匿名データソースを再識別するデータマイニング戦略です。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て、^{[20] [29]}ユーザーの仮名をそのIPアドレスにリンクする攻撃の可能性があります^[30]。ピアがTorを使用している場合、攻撃にはピアをTorネットワークから切り離す方法が含まれており、それ以降のトランザクションでは実際のIPアドレスを使用するように強制します。2014年時点で、ビットコインネットワーク全体に対する攻撃のコストは月額1500ユーロ未満と推定されています。^[30]

• ネットワークプロトコルのリスト
• ウェブ3

• de Vries, Alex; Gallersdörfer, Ulrich; Klaaßen, Lena; Stoll, Christian (2022年3月16日). 「ビットコインのカーボンフットプリントを再考する」. Joule . 6 (3): 498–502. Bibcode :2022Joule...6..498D. doi : 10.1016/j.joule.2022.02.005 . ISSN  2542-4351. S2CID  247143939.