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ビットコインプロトコルとは、ビットコインの機能を規定する一連の規則のことです。その主要な構成要素と原則は、中央集権的な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、そして暗号技術によるセキュリティです。
ユーザーは、ビットコイン仮想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、台帳に加えるべき変更であるトランザクションの提案です。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、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ことに同意した場合にのみ発生するためです。この「ネットワーク全体の合意」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うハッシュコードを生成します。このハッシュの生成には高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、ネットワークはまだ処理されていないトランザクションに進みます。紛争が発生した場合は、最も長い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。
ビットコインプロトコルの変更には、ネットワーク参加者間の合意が必要です。ビットコインプロトコルは、数多くの他のデジタル通貨やブロックチェーン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。
ブロックチェーン技術は、コンピュータネットワーク全体でトランザクション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、改ざん耐性を保証し、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、金融以外の分野に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型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、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するために、プルーフオブワークシステムまたはプルーフオブトランザクションを使用します。[ 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ほぼすべての計算能力が、プルーフオブワークである暗号化タス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量の労力がかかることを保証し、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事実上排除することです。難易度が高いため、マイナーは、これらの高い電力要件、高価なハードウェア展開、およびハードウェアの制御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年の中国のビットコインマイニング禁止の結果、米国は現在、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追加する際にプルーフ・オブ・ワークを要求するという仕組みは、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回ハッシュ化したときに、指定された難易度目標よりも小さい数値になるブロックを特定します。必要な作業量は難易度目標に反比例して増加しますが、ハッシュ値は常に1回のSHA-256ダブルハッシュ化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、有効なプルーフ・オブ・ワークは、ブロックのハッシュに必要な数の先頭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によって得られます。ハッシュ化によって有効な結果が得られると、そのブロックは作業をやり直さない限り変更できません。後続のブロックが連鎖していくにつれて、ブロックを変更する作業には、後続の各ブロックに対して作業をやり直すことが含まれます。コンセンサスにずれが生じると、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の合意は、最も長いチェーンによって表され、そのチェーンの生成には最も多く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凌駕します。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 ]
ハードウェアの速度向上と、時間の経過とともにノードを実行することへの関心の変動を補うために、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。ブロックの生成速度が速すぎると、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の激しい事業です。ビットコインのマイニングに使用されてきたさまざまなハッシュ技術を通して「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）などがすべて使用され、それぞれがあまり専門化されていない技術の収益性を低下させてきました。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要な方法であり、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るのを見てきました。[ 8 ]
マイナーの収入のばらつきを減らすために、計算能力はしばしばまとめて「プール」されます。個々のマイニングリグは、トランザクションのブロックを確認して支払いを受け取るまでに長い時間待たなければならないことがよくあります。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、プールで使用されている支払いシステムによって異なります。[ 9 ]
ビットコインの環境への影響は、特にエネルギー消費、温室効果ガス排出、電子廃棄物の点で、文献では重大なものとして特徴づけられています。ビットコインの生成と取引の完了のプロセスであるビットコインマイニングは、エネルギーを消費し、炭素排出を引き起こします。[ 10 ] 2025年のケンブリッジデジタルマイニング産業レポートによると、調査対象となったマイナーは、電力の48%が化石燃料から、52%が再生可能エネルギーや原子力を含む持続可能なエネルギー源から供給されていると報告しました。[ 11 ]さらに、ビットコインは、使用によって物理的に劣化する特殊なコンピュータハードウェアでマイニングされ、電子廃棄物が発生します。[ 12 ] 2025年現在、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関連性が報告されています。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]ビットコインの環境への影響は規制当局の注目を集め、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ます。[ 16 ]
ACS Sustainable Chemistry & Engineering誌に掲載された2023年の研究では、米国で計画されている再生可能エネルギー施設でビットコインマイニングを使用することによる潜在的な経済的利益が発見されました。[ 17 ]
慣例として、ブロック内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です。[ 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 年後半に 25 に、2016 年夏に再び 12.5 に、2020 年に 6.25 ビットコインに減少しました。直近の半減は、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。[ 18 ]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 ビットコインに減少します。[ 19 ]この半減期プロセスは、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。[ 20 ]
各マイナーは、ブロックに含めるトランザクションと除外するトランザクションを選択できます。[ 21 ]ブロック内のトランザクション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高くなるわけではありません。[ 21 ]
ナカモトのホワイトペーパーで述べられているように、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）。ユーザーは、最長チェーンのブロックヘッダーのコピーのみが必要です。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問い合わせ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の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ことで、ネットワークノードがそれを受け入れたことが証明され、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 ]
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、現実または理論上のさまざまな潜在的な攻撃が検討されてきた。ビットコインプロトコルには、不正な支出、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など、これらの攻撃の一部から保護するいくつかの機能が含まれている。秘密鍵の盗難などの他の攻撃については、ユーザーによる適切な注意が必要である。[ 22 ] [ 23 ]
ビットコインの公開鍵暗号方式の実装により、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ると、ボブがビットコインの新しい所有者になります。イブは取引を観察し、ボブが受け取ったビットコインを使いたいと思うかもしれませんが、ボブの秘密鍵を知らなければ取引に署名することはできません。[ 23 ]
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ってしまうことです。例えば、イブがアリスにビットコインを送金し、その後同じビットコインをボブに送金した場合などがこれに該当します。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、二重支払いを防いでいます。[ 23 ]： 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でも、同時にボブに同じビットコインを送る別のトランザクションを作成する可能性があります。ルール上、ネットワークはトランザクションのうち1つしか受け入れません。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、イブから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配送しないと規定することで、レース攻撃のリスクを軽減できます。[ 24 ]
亜種レース攻撃（ハル・フィニーにちなんでフィニー攻撃とも呼ばれる）では、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ための支払い要求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送信し、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マイニングしようとする。不正な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。通常の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。[ 25 ]
特定のトランザクションを含むブロックから始まる、ブロックチェーンに追加される各ブロックは、そのトランザクション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販売者やサービスは、支払いが完了したとみなす前に、ネットワーク全体に少なくとも数個の確認が分散されるまで待つ必要があります。販売者が待つ確認の数が多いほど、攻撃者がトランザクションを正常に取り消すことは難しくなります。ただし、攻撃者がネットワーク全体の電力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。[ 26 ] 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のあるものにする金銭的インセンティブが存在する可能性があります。[ 27 ]
ビットコインで使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、そのため暗号的に関連のある汎用量子コンピュータを持つ攻撃者からの攻撃に対して脆弱である。[ 28 ]
ビットコイン プロトコルは、楕円曲線デジタル署名アルゴリズム(ECDSA)を使用してトランザクションに署名および検証します。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。 [ 29 ]ビットコイン プロトコルでは、送信者はビットコインを受信者の公開鍵のハッシュに送ることができます。ハッシュは受信者の公開鍵を隠蔽するため、未使用の間は量子耐性があります。しかし、受信者が受け取ったビットコインでトランザクションを行うには、受信者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ことが可能になります。
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であ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・ワークに適用でき、有効なナンスを見つけるのにかかる時間を2乗に短縮できます。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になった場合、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。[ 30 ]
ビットコインのスケーラビリティとは、ビットコインネットワークがプラットフォーム上で大量のトランザクションデータを処理する能力を指します。 [ 31 ]ビットコインブロックチェーンのレコード（ブロックと呼ばれる）は、ビットコインノードの運用コストを抑えることでセキュリティと分散化を優先するため、サイズと頻度が制限されています。[ 32 ] [ 33 ]平均ブロック作成時間が10分、ブロックサイズ制限が約1メガバイトであるため、ベースレイヤーは推定で毎秒3.3～7件のトランザクションを処理します。[ 34 ] : ch. 2 [ 32 ]
その結果、いくつかのレイヤー2ソリューションが実装されました。ライトニングネットワークは、ビットコインベースレイヤー上で決済される、ほぼ瞬時の低手数料の支払いを可能にします。リキッドネットワークは、ビットコインの上に構築されたサイドチェーンで、10分ごとではなく1分ごとにブロックを処理します。[ 35 ] [ 36 ]
匿名解除は、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の戦略です。ビットコインアドレス（仮名）間のつながり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、[ 22 ] [ 37 ]ユーザーの仮名をそのIPアドレスにリンクする可能性のある攻撃[ 38 ]があります。ピアがTorを使用している場合、この攻撃にはピアをTorネットワークから分離し、以降のトランザクションに実際のIPアドレスを使用させる方法が含まれています。2014年の時点で、ビットコインネットワーク全体に対する攻撃のコストは1か月あたり1500ユーロ未満と推定されていました。[ 38 ]
最大スループットとは、ブロックチェーンがトランザクションを承認できる最大レートのことです。現在、ビットコインの最大スループットは3.3～7トランザクション/秒です[1]。この数値は、最大ブロックサイズとブロック間隔によって制限されます。
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