独自のブロックチェーンを構築する

ステップ 1 — ブロックとそのフィンガープリント

ブロックには、いくつかのデータ (トランザクション)、前のブロックへのリンク、および「ノンス」(変更できる数値) が保持されます。その ID は、そのすべての内容の SHA-256 ハッシュです。1 文字を変更すると、ハッシュが完全に変わります。そのハッシュは、ブロックの改ざんを証明するフィンガープリントです。

import hashlib, json, time

class Block:
    def __init__(self, index, transactions, previous_hash, nonce=0):
        self.index = index
        self.timestamp = time.time()
        self.transactions = transactions
        self.previous_hash = previous_hash
        self.nonce = nonce

    def hash(self):
        # A block's fingerprint = SHA-256 of all its contents.
        payload = json.dumps({
            "index": self.index,
            "timestamp": self.timestamp,
            "transactions": self.transactions,
            "previous_hash": self.previous_hash,
            "nonce": self.nonce,
        }, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(payload).hexdigest()

ステップ 2 — マイニング (プルーフ・オブ・ワーク)

マイニングとは、ルールを満たすハッシュを見つけることを意味します。ここでは、設定された数のゼロから始めます。公式はありません。ハッシュが適合するまでノンスを総当たり攻撃します。解決策の確認はすぐにできますが、解決策を見つけるには時間がかかります。この非対称性が Proof of Work の核心です。

DIFFICULTY = 4  # require this many leading zeros

def mine(block):
    # Proof of Work: keep changing the nonce until the hash
    # starts with DIFFICULTY zeros. There is no shortcut —
    # you just have to guess, which is what costs energy.
    target = "0" * DIFFICULTY
    while not block.hash().startswith(target):
        block.nonce += 1
    return block.hash()

ステップ 3 — ブロックをチェーンする

新しいブロックはそれぞれ、前のブロックのハッシュを保存し、ハードコードされた「ジェネシス」ブロックで始まるチェーンに結合します。すべてのブロックはその前のブロックにコミットするため、順序が固定され、履歴がリンクされます。

class Blockchain:
    def __init__(self):
        # The genesis block — the very first, hard-coded block.
        genesis = Block(0, [{"note": "genesis"}], "0")
        mine(genesis)
        self.chain = [genesis]

    def add_block(self, transactions):
        prev = self.chain[-1]
        block = Block(len(self.chain), transactions, prev.hash())
        mine(block)            # do the work
        self.chain.append(block)
        return block

ステップ4-チェーンの検証

チェーンを信頼するには、チェーンを再チェックします。すべてのブロックが前のブロックの実際のハッシュを指している必要があり、すべてのブロックがproof-of-workルールを満たしている必要があります。いずれかのチェックがどこかで失敗した場合、チェーンは無効になります。

def is_valid(chain):
    for i in range(1, len(chain)):
        current, previous = chain[i], chain[i - 1]
        # 1) Each block must point to the real hash of the one before it.
        if current.previous_hash != previous.hash():
            return False
        # 2) Each block must satisfy the proof-of-work rule.
        if not current.hash().startswith("0" * DIFFICULTY):
            return False
    return True

ステップ 5 — 実行してチートを試してみる

次に、いくつかのブロックを追加して、古いトランザクションを改ざんします。過去のデータを変更した瞬間、そのブロックのハッシュは次のブロックが期待するものと一致しなくなり、検証は即座に False を返します。これが、ビットコインの歴史を静かに書き換えることができない理由の縮図です。

bc = Blockchain()
bc.add_block([{"from": "Alice", "to": "Bob", "amount": 5}])
bc.add_block([{"from": "Bob", "to": "Carol", "amount": 2}])

print("Chain valid?", is_valid(bc.chain))   # True

# Now try to cheat: tamper with an old transaction.
bc.chain[1].transactions[0]["amount"] = 5000
print("Chain valid?", is_valid(bc.chain))   # False — tampering is caught!

本物のビットコインが追加するもの

私たちのおもちゃの鎖は骨格を教えます。リアル ビットコインは、ノードのグローバル ピアツーピア ネットワーク、誰がコインを使用できるかを証明するデジタル署名、自動難易度調整、UTXO モデル、ブロック報酬と半減、そして見知らぬ人が信頼することなく同意できるコンセンサス ルールを追加します。以下の説明でそれぞれを詳しく見てみましょう。

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