368. ブロックチェイン技術の本質機能とその発展型について

注) 本論考のPDFファイル

【概要】

ブロックチェイン技術の輝かしい歴史は、参考サイト1のSatoshi Nakamotoの論文から始まりました。

ブロックチェイン技術は、現代社会におけるあらゆる集団的活動の基礎となる「データ無変更の保証と、データ生成者の証明」を分散型システムにて提供できるので、 ブロックチェイン技術はIoT産業革命,知的財産システム,政治および経済のシステムにおいて根本的な発展をもたらすものとPatentIsland株式会社は考え、 その本質と発展型を考察してきました。

結論から言いますと、ブロックチェイン技術の本質機能は、「インデックスiにおいてデータC(i)が存在し、その後も各データC(i)が変更されずにいることを、分散型システムにて高い信頼性で保証する」 機能であると、私は考えます。
この本質機能の発展型として、「各データC(i)ごとにデータ生成者との信頼性の高い対応付けを分散型システムにて実現する機能」を追加したものがあります。
さらにこの発展型として、「データ提供者とデータ利用者の間の信頼性の高いデータ流通を分散型システムで行なう機能」を追加したものがあります。
(ここで、インデックスiは事象の発生順序を示す順序番号です。インデックスiの特殊形として、時刻を示すタイムスタンプを用いることもできます。)

ブロックチェイン技術(参考サイト1)は、異なった課題の解決のための機能を大変にエレガントに統合しているため、かえってブロックチェイン技術の本質が見えにくくなっています。
したがって、本論考ではブロックチェイン技術を課題別に、その解決のための機能を、できるだけ上位概念化して抽出します。
これによって、ブロックチェイン技術の多様な形態の発想が可能になるとともに、応用範囲の拡大も行えると考えます。

まず、なぜブロックチェイン技術が必要となったのかという背景に立ち返ってみます。

現在の産業や社会のあらゆる分野の活動は、コンピュータや通信やセンサーや記憶装置などからなるデジタル情報処理システムによって大変に高度になり便利になっています。
デジタル情報処理システムは、あらゆる情報をデジタルデータに変換して処理します。 デジタルデータは、複製,保管,変更,送信,受信,加工などの行為を他のデータから独立して容易に行なえるとともに、それらの行為の痕跡が残りにくいという特性を持っています。
そして、これらの特性がデジタル情報処理システムの大きな発展の基盤となっています。

しかし、これらの特性はその反作用として、データの信頼性や信用性を担保することが大変に困難であることの根本原因にもなっています。

そこで、ブロックチェイン技術では、「データブロックをそのデータブロックの内容によって一意に決まる値であるとともに、その値の生成に大変に大きな計算パワーを必要とする という連結データを生成し、その連結データを次のデータブロックの内容の一部にするという事を繰り返して、データブロックの列(ブロックチェイン)を形成する」という方策を 用いました。
この結果、ブロックチェインの一部を構成するデータブロックでは、そのデータブロックのデータの内容の変更を、他のデータブロックに影響を与えないで行なうことが不可能と 言えるほどに困難になりました。それが、「データ無変更の保証」をもたらし、データの信頼性や信用性に大きく貢献します。

言わば、「ムカデ競争」では、各人が勝手な動きができないように前後の人と結ばれているのと等価です。

(上図の出典: http://blog.goo.ne.jp/the-second-wind/e/ec081df786c92003a28e2db91cb4b38d )

以下、ブロックチェイン技術の本質機能を、参考サイト1の内容を起点として順番に説明していきます。


1. 「データ無変更を分散型システムにて高い信頼性で保証する」という課題を解決するための機能について

参考サイト1では、ビットコインの実現のためのブロックチェイン技術を説明しているためもあり、 参考サイト2においてもブロックチェインを「不正が難しい取引台帳」であるとしていますが、ブロックチェイン技術は取引データの処理にだけ使用されるものではないと考えます。

そこで、ブロックチェイン技術の本質を説明するために、下記の図1では取引データとは言わず、Cを単にデータとしました。
また、参考サイト1でいうハッシュは、前段と後段の連結機能に本質があるのであり、ハッシュ関数はその連結機能の耐改ざん性を大幅に増すものであると考え、 下記の図1では、ハッシュと呼ばず「連結データ」と呼びました。
さらに、参考サイト1では、電子署名を用いていましたが、電子署名はデータCが取引データである場合のように、取引対象の提供者を特定するためには必要なものですが、 「データ無変更を分散型システムにて保証する」ための特徴機能ではないと考え、下記の図1では省略しました。

本論考では、ブロックチェインに組み込まれたブロック内のデータC(i)の内容を、そのブロックチェイン内の他のブロックに影響を及ぼさずには変更することができないし、 ネットワークを構成する他の多数のノードがデータが勝手には変更されていないことを保証するという「データ無変更の分散型保証」を実現する仕組みを、 特徴機能として抽出しました。
特徴機能は、次の3つです。

(1)データの変更の困難性を実現するために、前段および後段との連結データによる連鎖を利用する機能
(2)所定条件を満足するブロックをブロードキャストして、他の十分な範囲のノードからブロックチェインへの追加の承認を得る機能
(3)各ノードでの自己が保有するブロックチェイン内のブロック間の連結性および他のノードの有する連結データとの一致性を検査する機能






特徴機能1. データの変更の困難性を実現するために、前段および後段との連結データによる連鎖を利用する機能

まず、ブロックチェイン技術を実行するシステムの構造は、時系列の順序番号である「i」ごとにデータを獲得する処理W(i)を内蔵する機能ブロックF(i)が、 一列に連結した多段処理システムであり、各段の間は情報が流れていると、します。
そして、機能ブロックFの動作を、次のようなプロセスP1,P2の組み合わせとして記述します。

P1: 前段である機能ブロックF(i−1)が保持するデータブロックD(i−1)によって一意に決定される連結データB(i−1)と、 処理W(i)で獲得したデータC(i)と調整データR(i)と組み合わせて、データブロックD(i)を形成します。

P2: 前記のデータブロックD(i)によって一意に決定される連結データB(i)が所定条件を満足しなければ、調整データR(i)を変更して、 前記P1に処理を戻します。連結データB(i)が所定条件を満足していれば、Eの値に成功フラグを設定し、 B(i)を後段の機能ブロックF(i+1)に与えます。

ここで、「機能ブロックF(i)がデータC(i)を確定させる」とは、前記のプロセスP1によって形成されたデータブロックD(i)から生成されるとともに、 所定条件を満足する連結データB(i)を生成して外部に出力することであるとします。所定条件を連結データB(i)が満足するようにするために、調整データR(i) が調整手段となります。
次に、データC(i)の確定の後にC(i)を変更することの困難性を説明します。
データC(i)は、調整データR(i)および連結データB(i−1)と組み合わされてデータブロックD(i)を形成しています。
そのため、C(i)の変更は、データブロックD(i)によって一意に決まる連結データB(i)以降の各連結データの変更が必要という形で影響を後段にもたらします。
もし、後段の機能ブロックF(i+1)以降に気付かれないように、機能ブロックF(i)においてC(i)を変更しようとするならば、 C(i)を変更しても連結データB(i)を変更しなくても済むようにしなければならないことになります。


連結データB(i)は、データC(i)と前段からの連結データB(i−1)と調整データR(i)の組み合わせからなるデータブロックD(i)から生成されますので、 データC(i)の変更の影響が連結データB(i)以降の後段に発生しないようにしようとするならば、適切な連結データB(i−1)の値を探索して発見し、 そのような値に連結データB(i−1)を変更することが必要となります。
連結データB(i−1)の変更は、さらにその前段の連結データの変更を必要とするというように、前段方向に変更の影響が波及します。
すなわち、データブロックがプロセスP1とP2で実現されるチェインを構成しているという枠組みのもとでは、データC(i)の変更は、 前段または後段の連結データに影響を与えてしまうので、その影響の存在を検知するプロセスと組み合わせるならば、データC(i)の変更が困難となります。

ここで、データC(i)の確定後にデータC(i)を変更し、C(i)の変更に応じて連結データB(i)も変更し、連結データB(i)を後段の機能ブロックF(i+1)に 与えていない状態を想定します。
その状態では、機能ブロックF(i)が保有する連結データB(i)と、後段の機能ブロックF(i+1)が前段から受け取ったものとして保有する連結データの値が相違 しますが、どちらが正しいのかの判別がつきません。
そこで、連結データBが満足すべき条件であって、そのような条件が成立するデータブロックDの内容は滅多に見つからないものを設けることで、データCの確定後に データCを変更しにくくしています。
すなわち、図1に示すように、調整データR(i)を内部で自動生成してデータブロックD(i)の内容を自動調整して、データブロックD(i)に対応する連結データB(i) が大変に多大な計算パワーを用いて初めて適切な調整データR(i)が発見できるような難度の高い所定条件を満たす内部構造を持たせることで、 機能ブロックFのチェインによって、データの変更がされにくいという信頼性の高いシステムを実現できることがわかります。




特徴機能2. 所定条件を満足するブロックをブロードキャストして、他の十分な範囲のノードからブロックチェインへの追加の承認を得る機能

ブロックチェインは、連結データによって連結されたブロックの列です。このブロックの列は、図1に示すような機能ブロックのチェインを内蔵するノードによって 生成されるだけでなく、そのようなノードがインターネットを介してつながっています。(図2)
各ノードは同じブロックチェインを保有するように連携しています。そのため、1つのノードがブロックチェインにブロックを追加したい場合には、他のノードにも そのブロック(追加ブロック)をブロードキャストします。ブロードキャストによって追加ブロックを受領した他のノードは、 受領した追加ブロックが所定条件を満たすかどうかを、各自で検査します。 この検査の結果、十分な範囲のノードが検査合格とした場合、そのブロックはブロックチェインの末尾に追加されます。
すなわち、ネットワークにつながった各ノードが保有するブロックチェインに新たなブロックが追加されるということです。




特徴機能3. 各ノードでの自己が保有するブロックチェイン内のブロック間の連結性および他のノードの有する連結データとの一致性を検査する機能

この特徴機能3が必要な背景をまず、説明します。
ブロックチェインに登録済みのどれかのブロック内のデータCを変更しようとすると、参考サイト12の第17ページに記載のように、変更対象のデータを有するブロックでの 連結データが変化します。しかし、その変化は連結データが所定条件(例:連結データの上位の数桁が0の連続である)を満足するというものでなければなりません。
所定条件を満足するためには、そのブロックでの調整データRの適切な値を探索するという膨大な計算労力の消費が必要となります。
このような膨大な計算労力を費やして、そのブロックでの連結データが所定条件を満足したとしても、ブロックチェイン内のブロック間の連結性の維持のためには、 後続のブロックに与えていた連結データを変更することがさらに必要となります。そうなると、後続のブロックにおいても同様に適切な調整データRを探索して、さらに後続に 与えるべき連結データを生成することが必要となります。
このような処理が1つのノード内で必要となるだけでなく、他のノードが保有しているブロックチェインとの一致性も保たねばならないので、 他のノードにおいても同期してブロックチェインのデータの変更を行なうことが必要となります。
ネットワークを構成する過半数を超える所定割合以上のノードにおいて、同期したブロックチェインの作り替えが行なえたならば、 ブロックチェインに登録済みのどれかのブロック内のデータCを変更することは可能ですが、ノードが別々に管理されていることや計算能力などがばらついていることを考えると、 そのような「多数のノード間で同期したブロックチェインの作り替え」は大変に困難と言えます。

「多数のノード間で同期したブロックチェインの作り替え」に比して、ブロックチェイン内におけるブロック間の連結性の検査や、他のノードの有する連結データとの一致性の 検査は大変に小さな計算労力で実行できますので、そのような検査機能を各ノードで常時、周期的に実行することは簡単です。
そして、その周期が「多数のノード間で同期したブロックチェインの作り替え」に必要な最低時間よりも十分に短いならば、「多数のノード間で同期したブロックチェインの作り替え」 は、その途中段階で発見されて阻止でき、ブロックチェインを原状復帰させることができます。


2. 「データとデータ生成者の信頼性の高い対応付けを分散型システムで行なう」という課題の解決のための機能について

ブロックチェイン技術の説明の中では、電子署名および公開鍵暗号方式による暗号化と復号化の機能が出てきます。(参考サイト2の第15ページ,参考サイト10の第10ページ)
図1でいう機能ブロックF(i)を実行する者であるLが、外部からデータE(i)を、例えばセンサーから得たり自分でキーボードなどから入力して得て、C(i)を生成したとします。 その場合、LをデータC(i)の生成者として、データC(i)に対応付けるとともに、その対応付けを維持する必要があります。
それは、データC(i)が知的財産や契約情報や個人情報や価値情報や取引情報や、データ所有権の対象としたいマシン生成情報のような、権利主体を伴なった情報である場合です。

特徴機能4. 電子署名を付随させた連結データによって、連結データのもととなったデータとデータ生成者を対応付ける機能

このことを、図3を用いて説明します。

 (1) まず、データ生成者Lは、自己を特定するものとして、公開鍵暗号化方式における秘密鍵Ksと公開鍵Kpの組を生成します。
 (2) データC(i)と連結データB(i−1)と調整データR(i)を組み合わせたデータであるデータブロックD(i)から得られる連結データB(i)を、 公開鍵暗号化方式における秘密鍵Ksで暗号化して、電子署名DSを作成します。そして、この電子署名DSと公開鍵Kpと連結データB(i)を組にして、 機能ブロックF(i+1)に与えます。
 (3) 機能ブロックF(i+1)では、公開鍵Kpを用いて電子署名DSを復号化します。電子署名DSがデータ生成者によって作成された真正なものであれば、 DSの復号化によって連結データB(i)と一致するデータが出現し、機能ブロックF(i+1)においても、 連結データB(i)が公開鍵Kpで示されるデータ作成者Lに対応付けられます。



3. 「データ提供者とデータ利用者の間の信頼性の高いデータ流通を分散型システムで行なう」という課題の解決のための機能について

データ提供者とデータ利用者の間のデータ流通を実行するためには、分散型システムで行なう場合でも、そうでない場合でも、次の機能が必要となります。
(F1)データ提供者が提供可能なデータの属性と提供条件を示した提供側メタデータを用意する機能
(F2)データ利用者が利用を希望するデータの属性と利用条件を示した利用側メタデータを用意する機能
(F3)提供側メタデータと利用側メタデータに基づいて、データ提供者からデータ利用者に提供する対象データとデータ提供者とデータ利用者を決定する機能
(F4)対象データをデータ提供者からデータ利用者に送るデータ移転機能
(F5)データ移転の実績データを記録する機能
(F6)データ移転の実績データに基づいて、データ移転に伴う対価の支払いなどの精算をする機能

対象データが、センシングデータ等のデータであって、F3とF4を自動実行するシステムが、Senseekであると考えます。
対象データが「価値情報」であって、F4とF5を自動実行するシステムが、ビットコインシステムであると考えます。

ブロックチェイン技術を用いてデータ流通の信頼性を上げるには、次の特徴機能5の実現が有効であると考えます。


特徴機能5. 対象データの連結データをデータ利用者の公開鍵で暗号化たものと、前記の連結データにデータ提供者の電子署名を付与したものを、 データ利用者に送る機能



【参考サイト】

1. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
http://bitcoin.peryaudo.org/vendor/bitcoin.pdf
2. ブロックチェインの基本的な仕組み
http://www.slideshare.net/cookle/5-58379474
3. ブロックチェイン
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%AD%E3%83%83%E3%82%AF%E3%83%81%E3%82%A7%E3%83%BC%E3%83%B3
4. ブロックチェーンの仕組みとその可能性
http://fis.nri.co.jp/ja-JP/publication/kinyu_itf/backnumber/2015/10/201510_07.html
5. 平成27年度 我が国経済社会の情報化・サービス化に係る基盤整備(ブロックチェーン技術を利用したサービスに関する国内外動向調査)報告書
http://www.meti.go.jp/press/2016/04/20160428003/20160428003-2.pdf
6. ブロックチェーンをもう一段深く理解する
http://wazanova.jp/items/1314
7. ブロックチェーンの正体
http://jp.techcrunch.com/2015/10/19/blockchain/
8. ブロックチェーンでどこまでできるの? その可能性と課題を探る
http://news.mynavi.jp/articles/2016/04/19/blockchain_nttd/
9. Bitcoinの仕組み
http://bitcoin.peryaudo.org/design.html
10. ブロックチェーン技術の基本と応用の可能性
http://www.slideshare.net/ks91020/ss-58535780
11.サルでも分かるビットコイン ?Bitcoinの仕組みを理解しよう?
http://kivantium.hateblo.jp/entry/20140228/p1
12.深読みビットコイン (2) コンセンサスの行方
http://www.slideshare.net/ks91020/ks91-consensusebisu20150227

13.Bitcoinを技術的に理解する
http://www.slideshare.net/kenjiurushima/20140602-bitcoin1-201406031222
14.電子署名の仕組み
http://esac.jipdec.or.jp/intro/shikumi.html

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