ビットコインプロトコルの実際の仕組み

（Michael NielsenによるBitcoinネットワークのオーサーシップの原理の素晴らしい説明。多くのテキスト、いくつかの写真。不器用な翻訳について-PMで、発見したら修正します）



オンラインのピアツーピア（p2p）通貨であるビットコインを説明するために、何千もの記事が書かれました。 これらの記事のほとんどは、暗号化プロトコルの本質を表面的に説明しており、多くの詳細は省略しています。 深く「掘る」記事でも、重要な点を無視することがよくあります。 この出版物での私の目標は、Bitcoinプロトコルに含まれる基本的なアイデアを明確で簡単にアクセスできる形式で説明することです。 シンプルな原則から始め、次にプロトコルの仕組みを広く理論的に理解し、さらに掘り下げて、ビットコイントランザクションの生データを調べます。



プロトコルの動作を詳細に理解することは十分に困難です。 代わりに、ビットコインを当然のことと考え、ビットコインで金持ちになる方法、ビットコインがバブルであるかどうか、ビットコインが強制課税をいつか破壊できるかどうかなどを推測する方がはるかに簡単です。 これはすべて楽しいですが、あなたの理解を著しく制限します。 ビットコインプロトコルの詳細を理解すると、アクセスできない可能性が広がります。 特に、これは組み込みのスクリプト言語（スクリプトプログラミング言語）ビットコインを理解するための基礎であり、ビットコインを使用してスマートコントラクト（ 1 2 ）などの新しいタイプの金融商品を作成することができます。 次に、新しい金融商品を使用して、新しい市場を作成し、新しい形態の集合的な人間行動を取得できます。



次の出版物で契約などの概念を説明します。 この投稿では、ビットコインプロトコルの内部について説明します。 私を理解するには、 公開暗号鍵の考え方と、 デジタル署名に関する密接に関連する考え方に精通している必要があります。 また、 暗号化ハッシュ関数に精通していると仮定します（入力データを1ビットだけ変更すると、ハッシュ合計が大幅に変化します（約）。） これはどれも非常に難しいことではありません。 基本的なアイデアは、大学の数学の1年次プログラムまたはコンピューターインフォマティクスのクラスから取得できます。 アイデアは美しいので、あなたがそれらに精通していない場合、私は自分自身を慣れるために数時間を費やすことをお勧めします。



暗号化がビットコインの基礎であることは驚くべきことのように思えるかもしれません。 ビットコインは通貨ではなく、秘密のメッセージを送信する方法ではありませんか？ 実際、ビットコインが解決すべき問題は、主にトランザクションのセキュリティに関係します-人々が互いに盗んだり、なりすましたりできないようにするためです。 アトムの世界では、ロック、金庫、署名、銀行の金庫などのデバイスでこのセキュリティを実現しています。 ビットの世界では、暗号化によりこの種のセキュリティを実現しています。 そして、それが魂のビットコインが暗号化プロトコルである理由です。



私の出版物で使用する戦略には、ビットコインの段階的な作成が含まれます。 まず、ほとんど明白なアイデアに基づいた非常に単純なデジタル通貨について説明します。 この通貨をインフォコインと呼び、ビットコインと区別します。 もちろん、Infocoinの最初のバージョンには多くの欠点があります。そのため、Infocoinの反復をいくつか繰り返し、新しい反復ごとに1つまたは2つの簡単な新しいアイデアを紹介します。 このような反復を数回行った後、完全なビットコインプロトコルに到達します。 ビットコインを再発見します！



この戦略は、Bitcoinプロトコル全体の動作を1回で説明した場合よりも遅くなります。 このようなボレーの説明を通じてビットコインの仕組みを理解できたとしても、ビットコインがこのように設計されている理由を理解することは困難です。 ゆっくりと繰り返し説明することの利点は、ビットコインの各要素をより明確に理解できることです。



最後に、私はビットコインを初めて使用することに言及する必要があります。 私は2011年（および1990年代の終わり以来の暗号通貨）以来それを見てきましたが、私は今年の初めまでビットコインプロトコルの詳細に真剣に取り組みませんでした。 だから、私は私の側のエラーの修正に感謝します。 さらに、私の資料には、「著者の問題」をいくつか含めました。執筆中に生じた問題については、自分自身で書き留めています。 面白いと思うかもしれませんが、本文を失うことなく完全にスキップすることもできます。

最初のステップ：署名された意図のプロトコル

それでは、デジタル通貨をどのように設計できますか？



一見、デジタル通貨は不可能に思えます。 人を想像してください-彼女のアリスを呼び出しましょう-彼女は彼女が使いたいデジタルマネーを持っています。 アリスがビット文字列をお金として使用できる場合、どうやって同じビット文字列を繰り返し使用しないようにして、無制限の金額を作成できますか？ または、この問題を何らかの方法で解決できる場合、そのようなビット列の改ざんを防止し、それを使用してアリスから盗むことができますか？



これらは、情報をお金として使用するために克服しなければならない多くの課題のうちの2つにすぎません。



Infocoinの最初のバージョンでは、アリスが（非常に原始的で不完全な）お金の形でビット列を使用する方法を見つけましょう。ただし、彼女は少なくとも何らかの偽造に対する保護を持っています。 アリスが他の人に贈りたいと思ったら、彼にボブ、1つの情報コインと呼びましょう。 これを行うために、アリスは「私、アリス、ボブに1つのインフォコインを贈る」というメッセージを書きます。 次に、秘密暗号化キー（暗号化キー）を使用してデジタル形式でメッセージに署名し、署名されたビット列を全世界に発表します。



（ところで、プロトコルと一般概念を示すために大文字の「Infocoin」を使用し、特定の紙幣を示すために大文字の「infocoin」を使用します。このような慣行は一般的ではありませんが、ビットコインの世界では一般的です）



そのようなプロトタイプのデジタル通貨は、本当にあなたを感動させません！ しかし、彼にはいくつかの利点があります。 世界中の誰でも（ボブを含む）アリスの公開鍵を使用して、アリスが実際に「私、アリス、ボブに情報コインを1つ贈る」というメッセージに署名した人であることを確認できます。 他の誰もこのビット列を作成できませんでした。つまり、アリスは振り向くことができず、「いいえ、私はボブに1つのインフォコインを与えたいという意味ではありませんでした」 。 したがって、プロトコルは、アリスがボブに1つのインフォコインを提供するつもりであることを確立します。 同じ事実-誰もそのような署名されたメッセージを作成できませんでした-は、アリスに偽物に対する限定的な保護を与えます。 もちろん、アリスがメッセージを公開した後、他の人が彼女のメッセージを複製する可能性があるため、ある意味で偽物が可能です。 しかし、これはゼロからは不可能です。 これらの2つの機能（アリスの意図の決定と偽造防止の制限）は、このプロトコルの本当に注目すべき機能です。



私は（完全に）、実際にはデジタルマネーがあるとは言いませんでした。 私は説明します：これは単なるメッセージそのもの、つまり、ビットのシーケンス、またはむしろデジタル署名されたメッセージです： 「私、アリス、ボブに情報コインを1つ与える」 。 将来的には、プロトコルはすべての形式のデジタルマネーが単により意味のあるメッセージになるという点で類似しています。

シリアル番号を使用してコインを識別する

Infocoinの最初のバージョンの問題は、Aliceが同じ署名付きメッセージを何度も何度も送信し続けることができることです。 ボブが署名されたメッセージ「I、アリス、ボブにインフォコインを1つ贈る」のコピーを10個受け取ったとします。 これは、アリスがボブに10個の異なるインフォコインを送ったということですか？ 彼女のメッセージは誤って複製されましたか？ おそらく、彼女はボブをだまして10種類のイフノコインを与えるふりをしようとしていたのに、メッセージは彼女に1つの情報コインを渡すつもりであるということを世界に証明するだけでした。



私たちがやりたいのは、インフォコインをユニークにする方法を見つけることです。 ラベルまたはシリアル番号が必要です。 アリスは、 「私、アリス、ボブに1つのインフォコインをシリアル番号8740348で渡してください」というメッセージに署名します。 その後、アリスは「私、アリス、ボブに1つのインフォコインをシリアル番号8770431で渡す」というメッセージに署名することができ、ボブ（および他の全員）は別のインフォコインが送信されたことを知ることができます。



このスキームが機能するためには、情報コインのシリアル番号の信頼できるソースが必要です。 そのようなソースを作成する1つの方法は、銀行を開くことです。 この銀行は、インフォコインのシリアル番号を提供し、誰がどのインフォコインを持っているかを追跡し、トランザクションが本当に合法であることを確認します。



より具体的には、アリスが銀行に来て、 「アカウントから1つのインフォコインを引き出したい」と言ったと仮定しましょう。 銀行は、口座残高を1インフォコイン減額し、これまでに使用したことのないシリアル番号（1234567など）を割り当てます。その後、アリスがボブにインフォコインを渡そうとすると、「I、Alice、Bob 」 しかし、ボブはインフォコインを受け取っているだけではありません。 代わりに、彼は銀行と連絡を取り、次のことを確認します。（a）このシリアル番号を持つインフォコインはアリスに属します。 （b）アリスはこの情報コインをまだ使っていません。 条件が正しい場合、ボブはこのインフォコインを受け入れたいことを銀行に通知し、銀行は記録を更新して、このシリアル番号のインフォコインが現在ボブの処分にあり、もはやアリスに属していないことを示します。

一緒に銀行を作成する

この最後の決定は非常に有望に見えます。 しかし、もっと野心的なことができることがわかりました。 プロトコルから銀行を完全に除外できます。 これにより、通貨の性質が大きく変わります。 これは、通貨に対して責任を負う単一の組織がもはや存在しないことを意味します。 そして、中央銀行の手にある莫大な力（マネーサプライの管理）を想像すると、これはかなり深刻な変化です。



アイデアは、全員が（集合的に）銀行になることです。 特に、すべてのInfocoinユーザーが誰がInfocoinsを所有しているかの完全な記録を保持していると仮定します。 これは、すべてのInfocoinトランザクションを備えたオープンな総勘定元帳と考えることができます。 この本を「ブロックチェーン」（ブロックチェーン）と呼びます。これが、ビットコインがすべての取引の公開記録と呼ぶものです。



アリスがインフォコインをボブに渡したいとします。 彼女は「私、アリス、ボブにシリアル番号1234567のインフォコインを1つ与える」というメッセージに署名し、署名されたメッセージをボブに送信します。 ボブは、ブロックチェーンのコピーを使用して、インフォコインが本当にアリスに属しているかどうかを確認できます。 これが確認されると、彼はアリスにメッセージとネットワークを介したトランザクションの受け入れに関するメッセージを同時に送信し、全員がブロックチェーンのコピーを更新します。



「シリアル番号はどこから来るのか」という問題はまだありますが、解決するのは非常に簡単であることが判明しているため、後でビットコインについて説明するときに延期します。 より複雑な問題は、このプロトコルにより、アリスがインフォコインを二重に消費することをごまかすことです。 彼女は、署名されたメッセージ「私、アリス、ボブにシリアル番号1234567のインフォコインを1つ与える」をボブに送信し、メッセージ「私、アリス、チャーリーに1つのインフォコイン、シリアル番号1234567を与える」チャーリーを送信します。 ボブとチャーリーは両方とも、ブロックチェーンのコピーを使用して、インフォコインがアリスに属していることを確認します。 彼らがこのチェックを同時に行うことを条件に（お互いに意見を聞く機会が得られる前に）、両方ともはい、ブロックのチェーンはアリスのコインの所有権を示しています。 そのため、両者は転送を受け入れ、トランザクションの受け入れに関する情報を一緒にブロードキャストします。 今、問題があります。 他の人はブロックチェーンをどのように更新すべきですか？ 一致する共通のトランザクション帳を取得する方法を見つけるのはそれほど簡単ではないかもしれません。 そして、誰もがブロックチェーンを継続的に更新することに同意できたとしても、ボブまたはチャーリーがだまされる可能性がある別の問題があります。



一見すると、アリスが再支出するのは難しいようです。 結局、アリスが最初にメッセージをボブに送信した場合、ボブはメッセージを確認し、ネットワーク上の他の全員（チャーリーを含む）にブロックチェーンを更新するように伝えることができます。 これが起こると、チャーリーはアリスにだまされなくなりました。 そのため、最も可能性が高いのは、アリスが短期間に限って繰り返し支出を行えることです。 ただし、明らかに、このような期間は望ましくありません。 さらに悪いことに、アリスがこの期間を長くできる方法があります。 たとえば、ネットワークトラフィック分析を使用して、ボブとチャーリーが多くの通信遅延を抱えている時間を見つけることができます。 またはおそらく、彼女は意識的に接続を中断するために何かをすることができます。 彼女が接続を少しでも遅くすることができるなら、これは繰り返し出費することで彼女の仕事を単純化します。



ダブルコスト問題をどのように解決できますか？ 明らかな解決策は、AliceがBobに1つのインフォコインを送信するとき、Bobが単独で取引を検証しようとしないことです。 おそらく、彼はInfocoinネットワークのすべてのユーザーに可能なトランザクションをブロードキャストし、トランザクションが正当なものであるかどうかを判断できるように依頼する必要があります。 全員が取引が正常であると判断した場合、ボブはこのインフォコインを受け入れることができ、全員がブロックチェーンを更新します。 このタイプのプロトコルは、アリスがボブとチャーリーと情報ボックスを費やそうとすると、ネットワーク上の他の人が気づき、ネットワークユーザーがボブとチャーリーにトランザクションに問題があることを伝え、トランザクションが実装されました。



より詳細には、アリスがボブに1つのインフォコインを与えたいと仮定します。 前と同様に、彼女は「私、アリス、ボブにシリアル番号1234567のインフォコインを1つ与える」というメッセージに署名し、署名されたメッセージをボブに渡します。 前と同じように、ボブはブロックチェーンのコピーを使用してヘルスチェックを行い、コインが本当にアリスのものかどうかを確認します。 しかし、その瞬間にプロトコルが変更されます。 ボブは先に進んで取引を受け入れません。 代わりに、Aliceにネットワーク全体にメッセージを送信します。 他のネットワークメンバーは、アリスがこのインフォコインを持っているかどうかを確認します。 その場合、彼らは「はい、アリスはインフォコイン1234567を所有しています。今ではボブに転送できます」というメッセージを送信します。 十分な数の人々がこのメッセージをオンラインで広めたら、誰もがブロックチェーンを更新して、インフォコイン1234567がボブによって所有され、取引が完了したことを示します。



このプロトコルには現在、多くの不正確な要素があります。 たとえば、「十分な人がこのメッセージをブロードキャストする必要があります」とはどういう意味ですか？ 「十分」とはどういう意味ですか？ これは、ネットワーク上の全員を意味するものではありません。Infocoinネットワーク内にいる先験者がわからないからです。 同じ理由で、これはネットワーク上のユーザーの固定シェアを意味することはできません。 私たちは今これを理解しようとはしません。 代わりに、次のセクションでは、説明したアプローチの重大な問題を指摘します。 この問題に注意を払うことで、上記のアイデアをより理解しやすいものにするという楽しい副作用があります。

仕事の証明

アリスが、今説明したプロトコルで再びそれを使いたいとします。 彼女はInfocoinネットワークを制御することでこれを行うことができます。 自動化されたシステムを使用して、Infocoinネットワーク上で、たとえば10億などの多数の個人ID（ユーザー）を構成すると仮定します。 前と同じように、彼女は同じ情報コインをボブとチャーリーに二度払おうとしています。 しかし、ボブとチャーリーがネットワークにトランザクションを確認するように依頼すると、アリスの追加ユーザーはボブにトランザクションを確認したことを通知し、チャーリーはそのようなトランザクションを受け入れて同時に一方または両方を欺いてトランザクションを確認したことをネットワークに通知します。



作業証明と呼ばれるアイデアを使用して、この問題を回避する方法があります。 このアイデアは逆説的であり、他の2つのアイデアの組み合わせが含まれます。（1）（人工的に）コンピュータユーザーの計算の形でネットワークユーザーにとってコストのかかるトランザクションの確認を行います。 （2）トランザクションの検証を支援したことに対する報酬。 報酬は、ネットワーク上の人々がこのプロセスに計算能力を費やす必要があるにもかかわらず、トランザクションの検証を支援するために使用されます。 トランザクションを検証することの利点は費用対効果が高く、誰かが制御するID（ネットワークユーザー）の数への依存を回避するのに役立ちます。したがって、総計算能力のみがテストにプレッシャーをかけることができます。後で説明するように、巧妙な設計を使用して、詐欺師が欺くために膨大なコンピューティングリソースを必要とするように設計することができます。



これが正しい動作の証明の本質です。しかし、真に理解するためには、詳細を調べる必要があります。



アリスがニュース「私、アリス、ボブにシリアル番号1234567のインフォコインを1つ与える」をブロードキャストするとします。



このメッセージを聞くと、誰もがそれを保留中のトランザクションのキューに追加します。聞こえますが、ネットワークによってまだ承認されていません。たとえば、Davidという名前の別のネットワークユーザーには、保留中のトランザクションの次のキューがあります。



私、トム、スーに1つ、シリアル番号1201174のインフォコイン



を渡します。私、シドニー、シンシアに1つ、シリアル番号1295618のインフォコイン



を渡し



ます。すべてのトランザクションが良好であること。彼は、ネットワーク全体のトランザクションの有効性に関するニュースを送信することで支援したいと考えています。



それにもかかわらず、これを行う前に、検証プロトコルの一部として、Davidは困難な計算問題-正しい操作の証明を解決する必要があります。この問題を解決しないと、ネットワークの残りの部分はトランザクションの検証を受け入れません。



Davidはどのような問題を解決する必要がありますか？これを説明するために、hをネットワーク上のすべての人に知られている固定ハッシュ関数とします。これはプロトコルに組み込まれています。ビットコインは、よく知られたハッシュ関数を使用します。SHA-256ですが、暗号的に安全なハッシュ関数はすべて機能します。 Davidの未完の取引のキューにLラベルを付けましょう。そうすれば、参照しやすくなります。 Davidが数字x（いわゆるワンタイム数字）を追加し、その組み合わせからハッシュ和を計算するとします。たとえば、L =“ Hello、world！”（明らかにこれは操作のリストではなく、説明のために1行だけを使用）と1回限りのx = 0を使用すると、（16進形式で出力が得られます）



h（ `` Hello、world！0 "）= 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64



デビッドが解決しなければならないタスクは、正しい動作の証明です-は、xをLに追加し、組み合わせのハッシュの結果が一連のゼロで始まるように、素数xを見つけることです。この問題を解決するために必要なゼロの数を変更することにより、タスクを多少難しくすることができます。タスクの正しさの比較的単純な証明では、ハッシュの開始時に3つまたは4つのゼロのみが必要です。一方、タスクの正しさのより困難な証明では、はるかに多くのゼロ、たとえば15個の連続したゼロが必要です。いずれの場合でも、結果がゼロから開始されないため、x = 0の適切な1回限りの数字を見つける上記の試みは失敗しました。 x = 1を試してみましょう。また機能しません：



h（ "Hello、world！1"）= e9afc424b79e4f6ab42d99c81156d3a17228d6e1eef4139be78e948a9332a7d8



x = 2,3,4 ...のさまざまな値を探し続けることができます。最後に、x = 4250を使用して、



h（ "Hello、world！4250"）= 0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9を取得し



ます。これは、「仕事の証明」という単純な問題を解決するには十分ですが、「仕事の証明」というより難しい問題を解決するには十分ではありません。



このタスクを解決するのが難しいものがあります。暗号化ハッシュ関数の結果は、乱数のように動作します。ソースデータの少なくとも1ビットを変更すると、結果が大幅に異なるため、予測が不可能になります。したがって、最初に10個のゼロを持つハッシュ値が必要な場合、Davidは平均してソートする必要があります。適切な素数を見つける前に異なるx値。これは、かなりの計算能力を必要とするかなり複雑なタスクです。



ハッシュ関数の出口で多かれ少なかれゼロを介して、このタスクを解決するのを多少難しくすることは可能です。実際、ビットコインプロトコルは、上記の作業証明パズルのわずかなバリエーションを使用して、タスクの難易度をかなり良好に制御します。ビットコインは、ゼロを要求する代わりに、正しい動作の証拠として、トランザクションブロックのヘッダーのハッシュがターゲットとして知られる数以下であることを要求します。この目標は、Bitcoinブロックが承認に平均で約10分かかるように自動的に調整されます。



（実際には、ブロックの承認にはかなりの時間がかかる可能性があります-新しいブロックがわずか1〜2分で承認されることもあれば、20分以上かかることもあります。これはビットコインプロトコルで直接変更されるため、 1つの問題を解決する代わりに、いくつかの問題を解決する必要がある場合があります;慎重に設計されたソフトウェア設計を使用すると、ブロックをチェックする時間のばらつきを大幅に削減できます。クリスマスツリー。）



さて、Davidは幸運で、正しい番号xを見つけたと仮定しましょう。やった！（以下で説明するように、彼は番号を見つけたことに対する報酬を受け取ります）。主張する操作ブロックを、xの値とともにネットワークに変換します。 Infocoinネットワークの他のメンバーは、xがタスクの正確さを証明するソリューションであることを確認できます。そして、ブロックチェーンを更新して、チェーンに新しい操作ブロックを含める必要があります。



正常な動作を証明するというアイデアを成功させるためには、ネットワークユーザーがトランザクションを検証するためのインセンティブが必要です。そのようなインセンティブがなければ、他の人の操作を検証するためだけに貴重な計算能力を使う理由はありません。また、ネットワークユーザーがこの電力を使用する準備ができていない場合、システム全体が機能しません。この問題の解決策は、トランザクションの検証を支援した人々に報いることです。特に、トランザクションのブロックを正常に検証した人に一定量のインフォコインをクレジットすることで報酬を与えると仮定します。インフォコインの報酬は非常に大きいので、テストに参加するインセンティブが与えられます。



ビットコインプロトコルでは、この確認プロセスはマイニングと呼ばれます。検証されたトランザクションのブロックごとに、成功した鉱夫はビットコインで報酬を受け取ります。当初、この賞は50ビットコインに設定されていました。ただし、21万チェックブロックごと（約4年に1回）、報酬は半分になります。これは一度だけ起こりました。これまで、ブロックのマイニングに対する報酬は25ビットコインです。このハーフレートカットは4年ごとに2140年まで続きます。その時点で、マイニング報酬はブロックごとに10 ^ -8ビットコイン未満に低下します。 。したがって、2140年には、ビットコインの総供給量は増加しなくなります。ただし、これはトランザクションのチェックを継続するインセンティブを排除しません。ビットコインはまた、トランザクションで一定の金額をトランザクション料金として割り当てることを可能にします。これはマイナーに送られ、トランザクションの受け入れに役立ちます。ビットコインの初期には、取引手数料はゼロでしたが、ビットコインの人気により、取引手数料は徐々に増加しており、現在、マイニングブロックの25ビットコインの報酬に追加されています。



仕事の証明は、取引をより速く受け入れる競争と考えることができます。コンテストに参加するたびに少し処理能力がかかります。鉱山労働者が競争に勝つ可能性は（大まかに言って、いくつかの予約がある場合）彼らが制御する総処理能力に等しい。したがって、たとえば、マイナーがビットコインのトランザクションを検証するために使用されるすべての処理能力の1％を制御する場合、約1％の勝率があります。つまり、多くのコンピューティング能力が競争に関与している場合、不正な鉱山労働者は、大量のコンピューティングリソースを費やさない限り、検証プロセスをゆがめる可能性が比較的低くなります。



もちろん、これはインスピレーションを刺激しますが、不正な側はブロックチェーンを破壊する可能性は比較的わずかですが、これは通貨に対する信頼を刺激するのに十分ではありません。特に、再支出の問題はまだ完全には解決されていません。



二重コストをすぐに分析します。これを行う前に、インフォコインの説明に重要な詳細を記入したいと思います。トランザクションが行われたInfocoinネットワーク内の順序を調整することが理想的です。そのような注文がない場合、いつどの人がどのインフォコインを所有しているかが不明確になる可能性があります。これを解決するには、新しいブロックには、ブロック内のトランザクションのリストに加えて、チェーンで承認された前のブロックへのポインターを常に含める必要があります。 （実際には、ポインターは前のブロックの単なるハッシュです）。したがって、ブロックチェーン（ブロックチェーン）があります。これは、次のトランザクションブロックの直接チェーンであり、各ブロックには直前のブロックへのポインターが含まれています。







場合によっては、プラグが一連のブロックに表示されます。これは、たとえば、2人の鉱夫が誤って同時に操作ブロックをチェックし、両方が新しく承認されたブロックをネットワークにブロードキャストし、一部の人々が自分のブロックチェーンを一方向に更新し、他の人々が他の方向に更新した場合に発生する可能性があります：







これは問題を引き起こすようですこれは回避しようとしています-トランザクションが発生した順序が明確ではなくなり、誰がどのインフォコインを所有しているかが明確になりません。幸いなことに、プラグを削除するために使用できる簡単なアイデアがあります。ルールは次のとおりです。プラグが突然発生した場合、ネットワーク上の人々は両方のブランチを追跡します。しかし、どの時点でも、マイナーはブロックチェーンのコピーがより長い分岐を継続することにのみ取り組んでいます。



一部のマイナーが最初にブロックAを取得し、一部のマイナーがブロックBを取得するフォークがあるとします。ブロックAを最初に取得したマイナーは引き続きこのブランチに沿って作業し、他のマイナーはブランチBに沿って進みます。ブランチBで作業しているマイナーがブロックを正常にマイニングしたこと：







これが発生したというニュースを全員が受け取った後、ブランチAで作業している鉱夫は、ブランチBが長くなったことに気付き、このブランチで作業するように切り替わります。以上です！すぐに、ブランチAの作業が停止し、全員が同じ線形チェーンで作業し、ブロックAは無視できます。もちろん、ブロックAに含まれる未確認のトランザクションは、ブランチBで作業しているマイナーのキューで決定を待機し、その後すべてのトランザクションが確認されます。さらに、ブランチAで作業しているマイナーは、ブランチAを早期に拡張することが判明する場合があります。この場合、ブランチBでの作業はすぐに停止し、再び1つの線形チェーンがあります。



結果に関係なく、このプロセスにより、ブロックチェーンのトランザクションブロックの順序が時間的に調整されます。 Bitcoinでは、トランザクションが以前に確認されたと見なされないことが認められています：（1）長いブランチのブロックの一部であり、（2）最長のブランチで少なくとも5ブロックが続いた。この場合、トランザクションには「6つの確認」があると言います。これにより、ネットワークがブロックの一貫した順序になるまでの時間が与えられます。インフォコインにもこの戦略を使用します。



合理化を整理しました。不正なユーザーが2回使用しようとした場合に何が起こるかについて考えましょう。アリスがボブとチャーリーとインフォコインを二度費やそうとするとします。彼女にとって可能なアプローチの1つは、両方のトランザクションを含むブロックを独立してチェックしようとすることです。総計算能力の1％を持っていると仮定すると、幸運を得ることができ、数学的な作業の証明の問題を解決することでブロックを確認します。残念なことに、アリスにとっては、正常な動作の証明で問題を解決したにもかかわらず、Ifnokoinネットワーク上の他の人がすぐに再支払いに気づき、拒否されます。だから心配する必要はありません。



彼女がボブとチャーリーとそれぞれ同じインフォコインを行う2つのトランザクションを別々にブロードキャストすると、より深刻な問題が発生します。たとえば、1つのトランザクションをマイナーグループにブロードキャストし、別のトランザクションを別のグループにブロードキャストして、この方法でトランザクションの承認を得ることを望みます。幸いなことに、この場合、先ほど見たように、ネットワークは最終的にこれらのトランザクションの1つのみを確認し、両方は確認しません。したがって、たとえば、ボブの取引を最終的に確認できます。その場合、ボブは落ち着くことができます。一方、チャーリーは自分の取引が確認されていないことを確認し、アリスの申し出を拒否します。だから問題はありません。実際、これが起こることを知っているので、アリスがこれを試す特別な理由はありません。



Alice = Bobの場合、二重支出には別の重要なオプションがあります。アリスはチャーリーのコインを払おうとしますが、彼女は自分自身に「使う」（つまり、自分を返す）こともできます。気づき、対処するのは簡単に見えますが、もちろん、ネットワーク上の同じ人や組織に接続している複数のユーザーを設定するのは簡単なので、この可能性を考慮する必要があります。この場合、アリスの戦略は、チャーリーがインフォコインを受け入れるまで待つことです。これは、トランザクションが最長チェーンで6回確認された後に発生します。彼女は、チャーリーとの取引の前にチェーンを分岐させ、支払い取引を含むブロックを自分自身に追加しようとします。







残念ながら、アリスが長いブランチに追いつくことは非常に困難です。他の鉱山労働者は彼女を助けたがらない。彼らはより長い枝で働くからだ。そして、アリスが少なくともネットワーク上の他の全員と同じくらいの速さで正しい動作の証明を解決できるまで-大まかに言って、これは計算能力の50％以上を制御することを意味します-彼女は単にさらに遅れます後ろに。もちろん、彼女は幸運かもしれません。たとえば、Aliceが処理能力の1％を制御するシナリオを想像できますが、運が発生し、ネットワークの残りが新しいブロックを見つける前に6つの追加ブロックを連続して見つけます。この場合、彼女は先に進み、ブロックのチェーンを制御できます。ただし、この特定のイベントは1 /（100 ^ 6）= 10 ^ -12の確率で発生します。この方向のより一般的な分析は、アリスが他のすべての鉱山労働者に近い速度で正しい操作の証明を解決できない場合、ブロックの長い分岐に追いつく確率は無限に小さいことを示しています。



もちろん、これは徹底的な安全分析ではなく、アリスが繰り返し出費できないことを示しています。これは信頼性の非公式な議論にすぎません。実際、ビットコインを表す元のテキストには、セキュリティの徹底的な分析は含まれておらず、私が提示したポイントに関する非公式の議論のみが含まれています。セキュリティに関心のあるコミュニティは、まだビットコインを分析し、潜在的な脆弱性を理解しようとしています。これらの研究のいくつかをここで見ることができ、以下の「著者の問題」でいくつかの問題に言及します（元のテストを参照）。現時点では、ju審員はビットコインの安全性をまだ知らないと言ってもいいと思います。



適切な操作とマイニングの証明のアイデアには、多くの疑問が生じます。人々に採掘を説得するにはどのような報酬が必要ですか？インフォコインの放出の変化は、イフノコインの経済にどのように影響しますか？インフォコインのマイニングは最終的に少数または多数の手に集中するでしょうか？マイナーが数人しかいない場合、これはシステムのセキュリティを危険にさらしますか？おそらく、トランザクションのコストは時間の経過とともにバランスが取れます。これにより、望ましくない摩擦の原因にならず、小さなトランザクションが望ましくなくなることはありませんか？これらはすべて、この記事の範囲外の大きな質問です。今後の出版物では、これらの問題に（ビットコインの文脈で）戻ることができます。現在、ビットコインプロトコルの仕組みを理解することに焦点を当てます。

ビットコイン

Infocoinから離れて、実際のBitcoinプロトコルについて説明しましょう。ここにはいくつかの新しいアイデアがありますが、Infocoinの基本的な明らかな変更であるという1つの例外（下記参照）があります。



実際にビットコインを使用するには、まずお使いのコンピューターにウォレットプログラムをインストールします。これが何を意味するのかを理解するために、Multbitというウォレットプログラムのスクリーンショットを次に示します。左側にビットコインの残高を見ることができます-0.06555555ビットコイン、またはこのスクリーンショットを撮った日の為替レートで約70ドル-そして右側に0.06555555ビットコインを形成する2つの最近のトランザクションがあります：







あなたがオンラインストアを作成し、人々がビットコインを使用して商品の支払いを許可することを決定した商人であると仮定します。最初に行うことは、プログラムでビットコインアドレスを生成することです。それに応じて、彼は公開鍵/秘密鍵のペアを生成し、次に公開鍵ハッシュを生成してビットコインアドレスを形成します。







次に、あなたから購入したい人にビットコインアドレスを送信します。これはメールで行うことも、Webページに公開することもできます。これは安全です。アドレスは公開鍵のハッシュ値にすぎず、とにかく世界で安全に知ることができるからです。 （ビットコインアドレスが単に公開鍵ではなくハッシュである理由の質問に戻ります。）



あなたに支払う人がトランザクションを生成します。0.31900000ビットコインを送信する実際のトランザクションのデータを見てみましょう。以下は、ほとんど生のデータを示しています。それらは3つの方法で変更されます。（1）データがシリアルからパラレルに変換されました（デシリアライズされました）。（2）使いやすさのために追加された行番号。（3）実際にはもっと長い場合でも、それぞれの最初の6桁の16進数を表示するだけで、さまざまなハッシュと公開キーを短縮しました。データは次のとおりです。

1. {「ハッシュ」：「7c4025 ...」、
2. 「Ver」：1、
3. 「Vin_sz」：1
4. 「Vout_sz」：1
5. Lock_time：0、
6. 「サイズ」：224、
7. 「入力」：[
8. {「Prev_out」：
9. {「ハッシュ」：「2007ae ...」、
10. 「N」：0}、
11. "ScriptSig"： "304502 ... 042b2d ..."}]、
12. 「アウト」：[
13. {「値」：「0.31900000」、
14. "ScriptPubKey"： "OP_DUP OP_HASH160 a7db6f OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"}]}

行ごとに行こう。



行1には、トランザクションの残りのハッシュ7c4025 ...が16進数で表されています。これは、トランザクション識別子として使用されます。



2行目は、これがビットコインプロトコルのバージョン1の取り決めであることを示しています。



3行目と4行目は、トランザクションにそれぞれ1つの入力と1つの出力があることを示しています。多数の入力と出力を伴うトランザクションと、これがなぜ役立つのかについて以下で説明します。



行5にはlock_timeの値が含まれています。この値を使用して、トランザクションがいつ完了するかを制御できます。ほとんどのトランザクションでは、今日のBitcoinのlock_timeは0に設定されています。つまり、トランザクションはすぐに完了します。



6行目は、トランザクションのサイズ（バイト単位）を示しています。これは現金振替ではないことに注意してください！さらにそれについて。



行7〜11は、操作の導入ビットコインを定義します。特に、8行目から10行目は、対応するハッシュ量を持つ前のトランザクションの出力から入力を取得する必要があることを示しています。これは、2007ae .... .n = 0の16進形式で表されます。そのトランザクション;近い将来、トランザクション内のいくつかの結論（および入力）がどのように機能するかがわかるので、今はあまり心配しないでください。行11には、送金者の署名（304502 ...、スペース、および対応する公開鍵-04b2d ...）が含まれています。再び16進形式で。



入力について注意すべき唯一のことは、前のトランザクションのビットコインがこのトランザクションでどれだけ使用されるべきかを正確に示すことができないことです。実際、前のトランザクションの出力のn = 0からのすべてのビットコインが費やされました。そのため、たとえば、前のトランザクションのn = 0番目の出力が2ビットコインだった場合、2つのビットコインがこのトランザクションに費やされます。これは不快な制限のように思われます。これは20ドル札でパンを買おうとするのと同じで、小さな紙幣に分割することはできません。もちろん、ソリューションには変更を取得するメカニズムが必要です。これは、次のセクションで説明するいくつかの入力と出力を持つトランザクションを使用して実行できます。



行12から14は、トランザクションからのビットコインの引き出しを決定します。特に、行13は出力の値0.319ビットコインを示しています。 14行目はかなり複雑なプロセスです。 a7db6f ...の値は、目的の受信者のビットコインアドレス（16進形式で記述）であることに注意することが重要です。実際、14行目はビットコインスクリプト言語の表示にすぎません。このノートでは、このプログラミング言語について詳しく説明するつもりはありません。理解すべき主なことは、a7db6f ...はビットコインアドレスにすぎないということです。



ところで、ビットコインのシリアル番号はどこから来たのでしょうか？実際、シリアル番号の役割は、トランザクションのハッシュ和によって果たされます。たとえば、上記のトランザクションでは、受信者は、ハッシュ和2007ae ...（行9）を使用して、前の操作の最初の出力から0.319ビットコインを受け取ります。このトランザクションのブロックチェーンを調べてみると、その出力が以前のトランザクションからのものであることがわかります。などなど。



シリアル番号の代わりにトランザクションハッシュ量を使用することには、2つの賢明なことがあります。まず、ビットコインには、個別の永続的な（仮想）「コイン」はありません。ブロックのチェーンには、単純に長い一連のトランザクションがあります。コインは必要ないことを理解するのは賢明なアイデアであり、取引の本を作成するだけで済みます。第二に、この方法で作業する場合、シリアル番号を発行する中央機関の必要がなくなります。代わりに、トランザクションをハッシュすることによってのみ、シリアル番号を自動的に生成できます。



実際、過去にさかのぼって一連のトランザクションを追跡し続けることができます。最終的に、このプロセスは完了する必要があります。これには2つの方法があります。いわゆるGenesisブロックに含まれる最初のBitcoinトランザクションに到達すると、最初の機会が生じます。これは入力がなく、50ビットコインでの結論のみを持つ特別なトランザクションです。つまり、このトランザクションは初期のマネーサプライを設定します。初期ブロックは、ビットコインネットワークのクライアント（プログラム）によって個別にアクセスされます。そして、これは詳細に触れませんが、これは上記の取引と非常に似ています。ここで、シリアル化されたパラレルソースデータを確認できます。



2番目の可能性は、過去の一連のトランザクションをたどると、最終的にいわゆる基本トランザクション（コインベーストランザクション）に到達することです。開始ブロックを除き、ブロックチェーン内の操作の各ブロックは、特別な基礎となるトランザクションで始まります。この取引は、この作業ブロックを検証する鉱夫に対する賞です。上記の類似した、しかし同一ではないトランザクション形式を使用します。この形式の詳細については説明しません。例については、こちらをご覧ください。ここで基本的な取引についてもう少し読むことができます。。いくつかの点で、上記から正確ではありませんでした。つまり、特に行11でデジタル署名されています。明らかに、支払人はトランザクション全体に署名する必要があります（後で生成されるトランザクションのハッシュを除く）。現在、これは当てはまりません。トランザクションの一部は省略されています。これは、トランザクションの一部になり、変数、トンを。E.彼らは後から変更することができます。ただし、この可塑性は、送信者と受信者が支払う金額には含まれておらず、後で変更することはできません。私は認めなければなりません、私は詳細に適合しませんでした。私が理解しているように、この可塑性はビットコイン開発者コミュニティで議論されており、この可塑性を低減または排除する努力がなされています。

複数の入力と出力を使用した操作

最後のセクションでは、1つの入力と1つの出力の処理がどのように機能するかを説明しました。実際には、多くの場合、複数の入力または複数の出力を持つビットコイントランザクションを作成すると非常に便利です。これがなぜ役に立つのかについては後で説明します。しかし、最初に、実際のトランザクションデータを見てみましょう。

1. 。 {「ハッシュ」：「993830 ...」、
2. 「Ver」：1、
3. Vin_sz：3、
4. 「Vout_sz」：2
5. Lock_time：0、
6. 「サイズ」：552、
7. 「入力」：[
8. {「Prev_out」：{
9. 「ハッシュ」：「3beabc ...」、
10. 「N」：0}、
11. "ScriptSig"： "304402 ... 04c7d2 ..."}、
12. {「Prev_out」：{
13. 「ハッシュ」：「fdae9b ...」、
14. 「N」：0}、
15. "ScriptSig"： "304502 ... 026e15 ..."}、
16. {「Prev_out」：{
17. 「ハッシュ」：「20c86b ...」、
18. 「N」：1}、
19. "ScriptSig"： "304402 ... 038a52 ..."}]、
20. 「アウト」：[
21. {「値」：「0.01068000」、
22. "ScriptPubKey"： "OP_DUP OP_HASH160 e8c306 ... OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"}、
23. {「値」：「4.00000000」、
24. "ScriptPubKey"： "OP_DUP OP_HASH160 d644e3 ... OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"}]}

行ごとに行こう。これは、1つの入力と1つの出力を持つトランザクションに非常に似ているため、非常に迅速に行います。



行1には、トランザクションの残りのハッシュが含まれています。これは、トランザクション識別子として使用されます。



行2は、これがビットコインプロトコルのバージョン1のトランザクションであることを示しています。



3行目と4行目は、トランザクションにそれぞれ3つの入力と2つの出力があることを示しています。



行5にはlock_timeが含まれています。 1つの入力と1つの出力の場合と同様に、値は0です。つまり、トランザクションはすぐに完了します。



行6は、トランザクションのサイズをバイト単位で示しています。



行7〜19は、トランザクションのエントリのリストを定義します。それぞれは、以前のビットコイン取引からの結論に対応しています。



最初のエントリは、8〜11行目で定義されています。



特に、8行目から10行目は、3beabcのハッシュ値を持つトランザクションからのn = 0番目の出力から入力を取得する必要があることを示しています。行11には、署名、スペース、ビットコインの送信者の公開キーが含まれています。



行12〜15は、行8〜11と同様の形式で2番目の入力を定義します。行16〜19は、3番目の入力を定義します。



行20〜24は、トランザクションからの2つの結論を含むリストを定義します。

最初の出力は、行21と22で定義されています。行21は、0.01068000ビットコインの出力値を示しています。前と同様に、22行目はビットコインスクリプト言語の表現です。ここで注意を払うべき主なものは、行e8c30622 ...であり、資金の対象受取人のビットコインアドレスです。



2番目の結論は、23行目と24行目に、最初の結論と同様の形式で定義されています。



この説明で明らかな奇妙な点は、各出力にビットコインの量が関連付けられているが、入力にはないことです。もちろん、対応する入力の値は、以前のトランザクションの対応する結論を参照することで見つけることができます。標準のビットコイン操作では、トランザクション内のすべての入力の合計は、少なくともすべての結論の合計と同じでなければなりません。 （この原則の唯一の例外は、初期ブロックと基本トランザクション（コインベース）で、どちらもビットコインネットワーク上で新しいオファーを形成します。）出力よりも入力が多い場合、超過分はトランザクション料金として使用されます。これは、現在のトランザクションが含まれる、正常に検証されたブロックに対してマイナーに支払われます。



それはすべて、多数の入力と出力を持つトランザクションについてです！これらは、1つの入力と1つの出力を持つかなり単純なトランザクションバリエーションです。



このようなトランザクションの良い使用法の1つは、降伏のアイデアです。たとえば、0.15ビットコインを送りたいとします。0.2ビットコインを受け取った以前の取引からお金を送ることでこれを行うことができます。もちろん、すべての0.2ビットコインを送りたいとは思いません。このソリューションは、0.15ビットコインを送信し、0.05ビットコインを私の所有するビットコインアドレスに送信します。これらの0.05ビットコインは降伏します。この場合の変更は自分への支払いであるため、これは店舗で変更を受け取るプロセスとは多少異なります。しかし、一般的な考え方は似ています。

おわりに

これで、ビットコイン技術にある基本的な考え方の基本的な説明を終わります。 もちろん、多くの詳細を省略しました-技術的な説明は行いませんでした。 しかし、ビットコインを使用する最も一般的なケースの基本的なアイデアを説明しました。



ビットコインのルールはシンプルで理解しやすいですが、これはこれらのルールのすべての結果を理解するのが簡単であることを意味しません。 ビットコインについてはまだまだ多くのことがあります。これらの問題のいくつかについては、今後検討していきます。



いくつかの物議を醸す点に対処することにより、私の投稿を締めくくります。



ビットコインはどのくらい匿名ですか？ 多くの人々は、ビットコインは匿名で使用できると主張しています。 この声明は、 シルクロードや違法商品を専門とするさまざまな後継者などの市場の形成につながりました。 一方、ビットコインは匿名であるという主張は神話です。 ブロックチェーンは公開されており、オープンであるため、すべての人がビットコイントランザクションを見る機会があります。 ビットコインのアドレスはすぐに実際の人々に関連付けられるわけではありませんが、コンピューター科学者は「匿名」ソーシャルネットワークの匿名化を解除する方法を見つけ出しました。 ブロックチェーンは、これらのメソッドの理想的なターゲットです。 近い将来、ビットコインユーザーの大多数が比較的高い信頼性と使いやすさで識別されない場合、私は非常に驚くでしょう。 この自信は、有罪の嘆願を達成するのに十分なほど高くはありませんが、可能性の高い目標を特定するには十分に高くなります。 さらに、識別は遡及的であるため、2011年にシルクロード市場で薬を購入した人は、たとえば2020年のブロックチェーンに基づいて自身を識別することができます。 これらの匿名化解除方法は、科学者、そしておそらく国家安全保障局（米国）によく知られています。 NSAや他の機関がすでに多くのユーザーを認識していても驚かないでしょう。 皮肉なことに、ビットコインはしばしば匿名として宣伝されています。 そうではありません。 それどころか、ビットコインはおそらく、世界がまだ見たことがない最もオープンで透明な金融商品です。



ビットコインで金持ちになれますか？ まあ多分。 ティム・オライリーはかつて言った。「お金は車のガソリンのようなものです。注意を払う必要があります。そうしないと道路の脇にしまいます。 しかし、長生きする人生はガソリンスタンドのツアーではありません！ »ビットコインへの多くの関心は、人生の位置が本当に大きなガソリンスタンドを見つけることを目的としている人々から来ています。 私は認めざるを得ない、私はそれが不可解だと思う。 私の意見では、ビットコインやその他の暗号通貨を新しい形態の集団行動への道と考える方がはるかに興味深く楽しいです。 知的に刺激的で、創造性の素晴らしい機会を提供し、社会的に価値があり、お金を銀行に入れることもできます。 しかし、銀行のお金があなたの主な仕事であるならば、私は他の戦略が成功するはるかに大きなチャンスがあると信じています。



詳細は省略しました。この投稿ではビットコインの背後にある主要なアイデアを説明しましたが、言及しなかった詳細はたくさんあります。 ここに、たとえば、 Merkle Treeとして知られるデータ構造モデルに基づいて、プロトコルで使用されるサイズ保存機能があります。 これは詳細ですが、非常に詳細であり、データ構造があなたのものであるかどうかをもっと知る価値があります。 オリジナルのビットコインページをダウンロードして探索できます。 第二に、私はすでにビットコインネットワークについて少し話しました-ネットワークがサービス拒否攻撃にどのように対処するか、ノードがどのようにネットワークに参加し、離脱するかなどの質問。 これは魅力的なトピックですが、多くの詳細も必要になるため、省略しました。 詳細については、上記のリンクのいくつかをご覧ください。



スクリプト言語ビットコイン：この記事では、ビットコインをデジタルオンラインマネーの形式として説明しました。 しかし、これははるかに大きく、より興味深い物語のほんの一部です。 既に見たように、各ビットコイントランザクションは、プログラミング言語ビットコインのスクリプトに関連付けられています。 この記事で見たシナリオでは、 「アリスがボブに10ビットコインを贈った」などの簡単な操作について説明しています。 ただし、スクリプト言語を使用して、はるかに複雑なトランザクションを表現することもできます。 言い換えれば、ビットコインはプログラム可能なお金です。 後の出版物では、スクリプトシステムについて説明し、Bitcoinスクリプトをプラットフォームとして使用して、あらゆる種類の素晴らしい金融商品を実験する方法を説明します。



翻訳：アンドレイ・デュベツキー、イゴール・コルサコフ