ブロックチェーンの不変性はどのように達成されますか？

ブロックチェーンテクノロジーにおける不変性の概念は、ネットワーク内に保存されているデータの整合性とセキュリティを保証する基礎です。不変性とは、ブロックチェーンに記録された後、データを変更、削除、または変更できないことを指します。この特性は、分散型システムの信頼と透明性を維持するために重要です。ブロックチェーンの不変性は、暗号化技術、コンセンサスメカニズム、およびネットワーク自体の分散化された性質の組み合わせによって達成されます。これらの要素がどのように連携して不変の元帳を作成するかをより深く掘り下げましょう。

暗号化ハッシュ

ブロックチェーンの不変性の中心には、暗号化のハッシュがあります。ブロックチェーン内の各ブロックには、トランザクションのリスト、タイムスタンプ、およびハッシュの形の前のブロックへの参照が含まれています。ハッシュは、ハッシュ関数によって生成される固定サイズの文字列であり、入力を取り、一意の出力を生成します。ブロックチェーンのコンテキストでは、ブロックのハッシュは、ブロックのヘッダーをハッシュすることによって作成されます。これには、前のブロックのハッシュ、トランザクションのマークルルート、タイムスタンプ、およびNonCEが含まれます。

• SHA-256などのほとんどのブロックチェーンで使用されるハッシュ関数は、一方向になるように設計されています。つまり、出力からの入力を逆エンジニアリングすることは計算可能です。
• ブロック内のデータ、さらには単一の文字でも変更されると、まったく異なるハッシュが生じます。このプロパティにより、ブロックがチェーンに追加されると、その後のすべてのブロックのハッシュを再計算する必要があることが保証されます。これは、必要な計算能力のために実際には不可能です。

コンセンサスメカニズム

不変性を達成するためのもう1つの重要な要素は、ブロックチェーンネットワークで採用されているコンセンサスメカニズムです。コンセンサスメカニズムは、ネットワークのすべての参加者が元帳の状態に同意するようにするプロトコルです。一般的なコンセンサスメカニズムには、仕事の証明（POW）とステークの証明（POS）が含まれます。

• Bitcoinで使用される仕事の証明（POW）は、鉱夫が複雑な数学パズルを解決してチェーンに新しいブロックを追加する必要があります。鉱業として知られるこのプロセスは、リソース集約的で時間がかかるため、悪意のある俳優がブロックチェーンを変更することは非常に困難です。
• Ethereum 2.0で使用されているSport of Stake（POS）は、保持しているコインの数に基づいてバリデーターを選択し、担保として「ステーク」することをいとわない。バリデーターは新しいブロックを作成し、トランザクションを検証するために選択され、ブロックチェーンを変更しようとすると、彼らの出資が失われます。

分散ネットワーク

ブロックチェーンネットワークの分散型の性質も、不変性を維持する上で重要な役割を果たします。単一のエンティティがデータを制御する従来の集中システムとは異なり、ブロックチェーンネットワークは多数のノードに分散され、それぞれが元帳全体のコピーを維持しています。

• ネットワーク内のノードは、ブロックチェーンの整合性を常に通信および検証します。悪意のある俳優がブロックを変更しようとした場合、ノードの大部分は変更されたバージョンを拒否し、元のデータを保存します。
• ネットワークのマイニングパワーの半分以上を鉱山労働者のグループが制御する51％の攻撃は理論的に可能ですが、ネットワークが成長するにつれてますます困難になります。このような攻撃が発生した場合でも、ネットワークの分散型の性質により、長期的な制御を維持することが困難になります。

確認と時間をブロックします

ブロックの確認と時間の経過により、ブロックチェーンの不変性がさらに向上します。ブロックがチェーンに追加されると、確認されたと見なされますが、その上に追加される各ブロックが追加されるとセキュリティのレベルが上昇します。

• ブロックが変更されずにチェーン内に長く残るほど、安全になります。たとえば、Bitcoinでは、6回の確認後にトランザクションが安全であると見なされます。つまり、トランザクションを含むブロックの後に6ブロックが追加されました。
• タイムファクターは、悪意のある俳優がブロックチェーンを変更することをますます困難にします。彼らは、大規模な確立されたネットワークでは実際には不可能である短いウィンドウ内のすべての後続のブロックについて作業をやり直す必要があるためです。

スマートコントラクトと不変性

コアブロックチェーン構造に加えて、スマートコントラクトはデータの不変性に貢献します。スマート契約は、コードに直接書き込まれた条件を伴う自己実行契約です。ブロックチェーンに展開すると、変更することはできません。

• スマートコントラクトは、事前定義された条件に基づいて自動的に実行され、干渉の可能性なしに合意されたアクションが実行されるようにします。
• スマート契約を変更しようとすると、基礎となるコードを変更する必要があります。これは、前述のように、暗号化およびコンセンサスメカニズムが整っているために非常に困難です。

不変のデータストレージ

最後に、ブロックチェーンテクノロジーの上に構築された不変のデータストレージソリューションは、データのセキュリティと整合性をさらに強化します。これらのソリューションは、ブロックチェーンを使用して、データを変更または削除できない方法でデータを保存します。

• 惑星間ファイルシステム（IPFS）などの不変のデータストレージプラットフォームは、ブロックチェーンを使用して、データの永続的で検証可能な記録を作成し、データが保存されると、変更されないようにします。
• これらのプラットフォームは、階下データの不変性を維持するために、基礎となるブロックチェーンと同じ暗号化およびコンセンサスメカニズムを活用しています。

よくある質問

Q：十分なノードがそれを変更することに同意した場合、ブロックチェーンを変更できますか？

A：理論的には可能ですが、ブロックチェーンを変更するには、ノードの大部分が変更に同意する必要があります。これは、大規模で分散型ネットワークではほとんどありません。コンセンサスメカニズムと暗号化ハッシュは、このようなイベントを非常に困難でリソース集約的にします。

Q：不変性は、ブロックチェーンネットワークのスケーラビリティにどのように影響しますか？

A：すべての履歴データを保存および検証する必要があるため、ブロックチェーンのサイズと必要な計算リソースを増やすことができるため、不変性はスケーラビリティに課題をもたらす可能性があります。ただし、これらの問題に対処するために、シャードや鎖オフチェーントランザクションなどのさまざまなソリューションが開発されています。

Q：不変ではないブロックチェーンはありますか？

A：一部のプライベートまたは許可されたブロックチェーンは、中央当局によって制御されているため、特定の条件下でデータを変更できる場合があります。ただし、BitcoinやEthereumのようなパブリックブロックチェーンは、信頼とセキュリティを維持するために不変であるように設計されています。

Q：不変性は、ブロックチェーンに対するユーザーのプライバシーにどのような影響を与えますか？

A：ブロックチェーンにデータが記録されると永久に残るため、不変性がプライバシーに影響を与える可能性があります。これは、ゼロ知識証明やリングシグネチャなどのプライバシーを向上させるテクノロジーを使用して軽減できます。これにより、機密情報を明らかにすることなくトランザクションの検証が可能になります。