ブロックチェーンが​改ざんに​強い​理由に​ついて

ブロックチェーンはビットコインの構成技術としてご存じの方も多いと思いますが、ビットコイン以外にも様々なことに利用されている技術です。

ブロックチェーン技術とは簡単に言えば

です。

複数の取引記録をひとまとめにして１つのブロックとして扱います。
どのくらいの取引を１ブロックにまとめるかはブロックチェーンの種類によって異なります。

以下はブロックチェーンの簡易的な図です。
各ブロックは前のブロックのハッシュ値を持つことで、チェーンのように連なっているわけです。
そして過去から現在までのすべてのブロック(取引履歴が)が 1 本のチェーンのように保存されます。

Proof of Workと​ナンス​（Nonce）

ブロックチェーンにはブロックが次々と連なっていくわけですが、新しいブロックをチェーンにつなぐ際には ナンス(Nonce) と呼ばれる値を探索する必要があります。これは Proof of Work(PoW) と呼ばれる仕組みです。

PoWの概要は以下の通りです。

ある条件とは例えば以下のようなものです。

ハッシュ値が「0000」から始まる

この条件を満たすハッシュ値を見つけるため、ナンス値を変えていき、ひたすら何度もハッシュ値を計算する必要があります。
この作業は非常に計算量が大きいため、マシンパワー（電力）を大量に必要とします。
そしてこのナンス値を見つける作業をマイニングといい、マイニングを行う人をマイナーと呼びます。

さらにこのPoWの難易度は徐々に上がっていくよう調整されます。
例えば条件を「ハッシュ値が「00000」から始まる」に変更すれば難易度はぐんと上がります。
難易度を上げる理由ですが、ネットワーク全体の計算力が増大しても平均ブロック生成時間を一定に保つためです。
ムーアの法則にある通り、コンピュータの計算能力は年々上がっていくので、難易度を変えないとナンス値探索にかかる時間がどんどん速くなっていってしまうわけです。

最初にナンス値を見つけたマイナーには報酬が与えられるため世界中のマイナーが競ってPoWを行っています。

ハッシュ関数には以下の性質があります。

ハッシュ値の検証自体は一瞬でできるため、適当なナンス値を提出してもネットワークの他のノードが即座に検証してはじきます。
分散台帳という名の通り、ブロックチェーン自体は1か所で管理されているのではなく、世界中で管理（保有）されているので他の人もハッシュ値の検証はできるわけです。

簡易的な​実装例

仕組みの理解のため、Pythonでブロックチェーンを簡易的に実装してみます。

ブロックの​作成関数

    def createBlock(self, nonce, preHash = None):
        block = {
            'index' : len(self.chain) + 1,
            'timestamp' : time.time(),
            'nonce' : nonce, # ナンス値
            'preHash' : preHash or self.hash(self.chain[-1]), # 1つ前のブロックハッシュ値
            'data': f'Block{len(self.chain) + 1}取引データ' # 取引データ
        }
        self.chain.append(block)
        return

こちらはブロックを作成しチェーンに追加する関数です。
個々のブロックはナンス値と一つ前のブロックのハッシュ値を持つようにしています。

ナンス値の​探索

    def findNonce(self, lastNonce, conditions = '0000'):
        nonce = 0
        while self.validNonce(lastNonce, nonce, conditions) is False:
            # 条件を満たすナンス値が見つかるまで１ずつインクリメントして試す
            nonce += 1
        return nonce

    def validNonce(lastNonce, nonce, conditions):
        candidate = f'{lastNonce}{nonce}'.encode()
        # ハッシュ値を計算
        candidate_hash = hashlib.sha256(candidate).hexdigest()
        # 計算したハッシュ値が条件を満たすかどうか？
        return candidate_hash.startswith(conditions)

   # 初期ブロック追加
    blockChain.createBlock(nonce = 100, preHash = '0' * 64)
    # ナンス値探索
    nonce = blockChain.findNonce(blockChain.chain[-1]['nonce'], '0000')
    # ナンス値が見つかったのでブロックを追加
    blockChain.createBlock(nonce)