ブロックチェーン学習ロードマップ

ブロックチェーンの状態データベース：アカウントモデルにおけるデータの保存と管理技術

Tags: ブロックチェーン, アカウントモデル, 状態管理, ステートツリー, Ethereum

ブロックチェーンの状態とは何か

ブロックチェーンを学習される中で、「分散型台帳」や「トランザクションの記録」といった側面に触れる機会が多いかと存じます。確かに、ブロックチェーンは基本的に改ざん不可能なトランザクションの履歴を記録するものですが、それだけでは多くのブロックチェーンが持つ機能、特にスマートコントラクトの実行を十分に説明できません。

ブロックチェーンの世界では、「状態（State）」という概念が非常に重要になります。これは、特定の時点におけるブロックチェーン全体の状況を表すものです。ビットコインのようなUTXO（Unspent Transaction Output）モデルを採用するチェーンでは、この状態は未消費のトランザクション出力の集合として表現されます。一方、イーサリアムのようなアカウントモデルを採用するチェーンでは、各アカウント（アドレス）が持つ情報（残高、ノン ス、スマートコントラクトのコード、スマートコントラクトのストレージなど）の集合として状態が表現されます。

スマートコントラクトは、この「状態」を読み取ったり、トランザクションを通じて「状態」を変化させたりすることで機能します。例えば、あるアカウントから別のアカウントへトークンを送金するトランザクションは、送金元アカウントの残高を減らし、送金先アカウントの残高を増やすという「状態の変更」を引き起こします。スマートコントラクトの関数を実行することも、コントラクトの内部ストレージの値を変更するなど、状態の変更を伴う場合があります。

この「状態」がどのように保存され、どのように管理されているのかを理解することは、ブロックチェーン、特にスマートコントラクトプラットフォームの仕組みを深く理解するために不可欠です。

従来のデータベースとの違い

Webエンジニアの皆様は、リレーショナルデータベース（RDB）やNoSQLデータベースなどのデータ管理システムに慣れ親しんでいるかと存じます。これらのシステムは、データを構造化して効率的に保存し、クエリによってデータを取得・更新することに特化しています。

ブロックチェーンの状態データベースは、いくつかの重要な点で従来のデータベースとは異なります。

  1. 分散性と非中央集権: ブロックチェーンの状態データは、ネットワーク上の各ノードに分散して保持されます。中央集権的な管理者は存在せず、データの整合性はコンセンサスアルゴリズムによって維持されます。
  2. バージョン管理と過去の状態: ブロックチェーンは、新しいブロックが生成されるたびに、そのブロックに含まれるトランザクションによって引き起こされた「状態遷移」の結果として新しい状態を持ちます。つまり、各ブロックに対応する過去の任意の時点の「状態」を技術的に復元・参照することが可能です。（ただし、ノードの種類によってはすべての過去の状態を保持しない場合もあります）。従来のデータベースでは、特別な設定なしに過去の任意の時点の状態を容易に参照することは難しい場合が多いでしょう。
  3. 耐改ざん性: ブロックチェーンの状態データは、その構造自体に耐改ざん性が組み込まれています。特に、状態データのハッシュ値がブロックヘッダに含まれることで、過去の状態が改ざんされていないことを検証できるようになっています。

これらの違いは、ブロックチェーンが目指す非中央集権性、透明性、耐改ざん性を実現するために、データ管理の設計思想が従来のシステムとは異なっていることを示しています。

アカウントモデルにおける状態管理の仕組み

イーサリアムなどのアカウントモデルを採用するブロックチェーンでは、状態は世界状態（World State）と呼ばれ、ネットワーク上に存在する全てのアカウントの現在の状態の集合として定義されます。各アカウントは、アドレスをキーとして、以下の情報を持つことができます。

これらのアカウント情報は、効率的かつ耐改ざん性のある方法で管理される必要があります。ここで重要な役割を果たすのが、「Merkle Patricia Tree（またはTrie）」というデータ構造です。

Merkle Patricia Tree (MPT) の役割

Merkle Patricia Treeは、キー（ここではアカウントアドレス）と値（アカウント情報やコントラクトストレージデータ）を格納するための木構造データベースです。その特徴は以下の通りです。

  1. キー・バリュー格納: 指定されたキーに対応する値を効率的に検索、挿入、更新、削除できます。
  2. 耐改ざん性: ツリーのルート（根）のハッシュ値は、ツリー全体のデータを代表します。データの一部が変更されると、その変更は親ノードのハッシュ計算に影響し、最終的にルートハッシュが変化します。これにより、ルートハッシュのみを知っていれば、ツリー全体が改ざんされていないことを検証できます（Merkle Proof）。
  3. 効率的な状態遷移: トランザクションによる状態の変更は、ツリー内の関連するノードのみを更新することで効率的に処理できます。

イーサリアムでは、このMPTが主に以下の3つのツリー構造に使用されています。

これらのツリー構造により、ブロックチェーンは効率的に状態を管理し、過去の状態への参照を可能にし、さらにデータの耐改ざん性を確保しています。

状態遷移の仕組み

ブロックチェーンの状態は、新しいブロックがネットワークに追加されるたびに遷移します。新しいブロックが生成されるプロセスは以下のようになります。

  1. マイナーやバリデーターは、新しいブロックに含めるトランザクションを選択します。
  2. 現在のブロックのState Treeのルートハッシュ（すなわち、直前のブロックが確定した時点の世界状態）を基に、各トランザクションを順番に実行します。
  3. 各トランザクションの実行結果として、アカウントの残高が変化したり、スマートコントラクトのストレージデータが更新されたりします。これにより、State Tree内の関連するノードが更新されます。
  4. すべてのトランザクションの実行が完了すると、State Treeは新しい状態になります。この新しいState Treeのルートハッシュが計算されます。
  5. この新しいState Treeのルートハッシュ、トランザクションツリーのルートハッシュ、レシートツリーのルートハッシュなどが含まれた新しいブロックヘッダが作成され、ネットワーク上で合意形成プロセスを経てブロックチェーンに追加されます。
# 擬似コード：ブロック処理における状態遷移の概念

class BlockchainState:
    def __init__(self, initial_state_root):
        self.state_tree = MerklePatriciaTree(initial_state_root) # 初期状態のMPT

    def apply_transaction(self, transaction):
        # トランザクションを実行し、状態ツリーを更新する
        # 例: 送金トランザクションの場合
        sender_address = transaction.sender
        receiver_address = transaction.receiver
        amount = transaction.amount

        # 現在のState Treeから送信者と受信者のアカウント情報を取得
        sender_account = self.state_tree.get(sender_address)
        receiver_account = self.state_tree.get(receiver_address)

        # 残高を更新（簡易化）
        sender_account.balance -= amount
        receiver_account.balance += amount

        # State Treeを更新
        self.state_tree.update(sender_address, sender_account)
        self.state_tree.update(receiver_address, receiver_account)

        # 新しいState Treeのルートハッシュを計算
        new_state_root = self.state_tree.get_root_hash()

        # トランザクション実行結果（レシート）を生成
        receipt = { "status": "success", ... }

        return new_state_root, receipt

# ブロックの処理例
current_state_root = get_latest_block_state_root()
current_state = BlockchainState(current_state_root)
block_transactions = get_transactions_for_block()
block_receipts = []

for tx in block_transactions:
    new_state_root, receipt = current_state.apply_transaction(tx)
    block_receipts.append(receipt)
    # State Treeは次のトランザクションのために更新されたまま

# 全トランザクション処理後、ブロックの新しいState Rootが確定
final_state_root_for_block = current_state.get_root_hash()

# 新しいブロックを生成（final_state_root_for_block をヘッダに含む）
# ... 合意形成プロセスへ ...

このプロセスにより、各ブロックは一つ前のブロックの状態から、そのブロックに含まれるトランザクションによって決定論的に導かれる新しい状態への「遷移」を表すことになります。そして、ブロックヘッダに含められた状態ツリーのルートハッシュが、そのブロックに対応する世界状態のフィンガープリントとして機能し、耐改ざん性を保証します。

過去の状態へのアクセスとノードの種類

ブロックチェーン、特にイーサリアムのようなチェーンは、理論上は genesis ブロックから現在のブロックまでの全ての状態の履歴を保持しています。ノードの種類によっては、この履歴のどこまでを保持するかが異なります。

開発者が過去のブロックの状態を参照したい場合（例えば、特定のブロック高でのコントラクトの状態を取得したい場合など）は、アーカイブノードに接続できるRPCエンドポイントを利用する必要があります。

まとめと次のステップ

ブロックチェーンにおける「状態」とその管理技術は、特にアカウントモデルを採用するチェーンの根幹をなす要素の一つです。State TreeやStorage TreeといったMerkle Patricia Treeをベースとしたデータ構造が、分散環境における効率的な状態管理、状態遷移の決定論的な再現、そして耐改ざん性を実現しています。

従来のデータベースとは異なる設計思想を持つブロックチェーンの状態データベースを理解することで、トランザクション処理、スマートコントラクトの実行、そしてブロックチェーン全体の仕組みに対するより深い洞察が得られます。

次の学習ステップとしては、以下のトピックを探求することをおすすめします。

これらのトピックをさらに深く学ぶことで、ブロックチェーン技術者としての理解を一層深めることができるでしょう。