ブロックチェーン学習ロードマップ - ブロックチェーンにおけるトランザクションのライフサイクル：生成から確定までの技術解説

ブロックチェーンにおけるトランザクションのライフサイクル：生成から確定までの技術解説

Tags: トランザクション, 電子署名, ブロックチェーン, 分散システム

はじめに

ブロックチェーン技術を理解する上で、最も基本的な要素の一つが「トランザクション」です。これは、ブロックチェーン上で行われるあらゆる操作（例えば、仮想通貨の送金やスマートコントラクトの実行など）の記録単位となります。Webエンジニアの皆さんは、データベースにおけるトランザクションには馴染みがあるかもしれません。しかし、ブロックチェーンにおけるトランザクションは、その性質や処理の仕組みが大きく異なります。

本記事では、ブロックチェーン上のトランザクションが、ユーザーによって生成されてから、最終的にブロックに取り込まれ、確定するまでの一連の「ライフサイクル」を技術的な観点から解説します。このライフサイクルを理解することは、ブロックチェーンがどのように情報を記録し、合意を形成しているのかを知る上で非常に重要です。

ブロックチェーンにおけるトランザクションとは

ブロックチェーンにおけるトランザクションは、ネットワーク参加者（ノード）間で交わされる、状態変化を引き起こす情報のかたまりです。最も典型的な例は仮想通貨の送金ですが、NFTの売買、スマートコントラクトの関数呼び出しなど、様々な種類のトランザクションが存在します。

データベースのトランザクションがACID特性（原子性、一貫性、独立性、永続性）によってデータの整合性を保証するのに対し、ブロックチェーンのトランザクションは分散されたネットワーク上での合意形成を通じて、状態の更新と改ざん耐性を実現します。一度ブロックに取り込まれ、一定数の後続ブロックが積み重なると、そのトランザクションの内容を覆すことは非常に困難になります。

トランザクションの具体的な構造はブロックチェーンの種類によって異なりますが、一般的には以下のような要素が含まれます。

入力 (Input): 資金の源泉（例：送金元の過去のトランザクション出力）や、操作の前提条件。
出力 (Output): 資金の宛先や、操作結果として生まれる新しい状態。
金額/データ: 送金量やスマートコントラクト呼び出しの引数など、操作の具体的な内容。
手数料 (Fee): トランザクションをブロックに取り込んでもらうためにマイナー（バリデーター）に支払うインセンティブ。
署名 (Signature): トランザクションの発信者が正当な権限を持っていることを証明するための電子署名。

トランザクションの生成：電子署名の仕組み

トランザクションを生成する最も重要なステップの一つが、電子署名です。これは、送信者がそのトランザクションの発信者であることを証明し、同時にトランザクションの内容が改ざんされていないことを保証するための仕組みです。

ブロックチェーンでは、通常「公開鍵暗号方式」が利用されます。ユーザーは秘密鍵と公開鍵のペアを持ちます。

秘密鍵: ユーザーだけが知っている秘密の情報。トランザクションに署名するために使用します。
公開鍵: 誰でも知ることができる情報。他のユーザーが署名が正当であることを検証するために使用します。公開鍵からブロックチェーン上のアドレス（ウォレットアドレス）が生成されることが一般的です。

トランザクションの生成プロセスは以下のようになります。

まず、送金先のアドレス、送金額、その他の必要な情報を含むトランザクションの元データを作成します。
次に、この元データに対してハッシュ関数を適用し、固定長のハッシュ値（メッセージダイジェスト）を取得します。
最後に、自分の秘密鍵を使って、このハッシュ値を暗号化します。これが電子署名です。

トランザクションには、元のデータと生成された電子署名、そして検証に使用する公開鍵が含まれます。（場合によっては公開鍵そのものではなく、そこから導出されたアドレスが使われ、検証時に公開鍵が必要になることもあります。）

電子署名の検証プロセスは、トランザクションを受け取ったノード（または受信者）が行います。

受け取ったトランザクションの元データに対して、再びハッシュ関数を適用し、ハッシュ値を取得します。
トランザクションに含まれる公開鍵を使って、電子署名を復号します。復号された値は、元のトランザクション作成者が秘密鍵で署名したハッシュ値であるはずです。
新しく計算したハッシュ値と、電子署名から復号したハッシュ値を比較します。

両方のハッシュ値が一致すれば、以下の二点が証明されます。

認証: 署名は、対応する秘密鍵の所有者（つまり、正当な発信者）によって行われた。
非改ざん性: トランザクションの内容は、署名されてから変更されていない。

疑似コード例：電子署名の概念

# 実際の実装はより複雑ですが、概念を示す疑似コードです

def generate_transaction(sender_private_key, recipient_address, amount, data):
    # 1. トランザクションの元データを作成
    transaction_data = {
        "sender": get_address_from_public_key(get_public_key(sender_private_key)),
        "recipient": recipient_address,
        "amount": amount,
        "data": data,
        # 他のフィールド（手数料、タイムスタンプなど）
    }

    # 2. 元データのハッシュ値を計算
    transaction_hash = calculate_hash(transaction_data)

    # 3. 秘密鍵でハッシュ値を署名
    signature = sign_with_private_key(transaction_hash, sender_private_key)

    # 4. トランザクションオブジェクトを完成させる
    transaction = {
        "data": transaction_data,
        "signature": signature,
        "public_key": get_public_key(sender_private_key) # 検証用に公開鍵を含める（またはアドレス）
    }

    return transaction

def verify_transaction(transaction):
    # 1. トランザクションの元データのハッシュ値を計算
    calculated_hash = calculate_hash(transaction["data"])

    # 2. 公開鍵を使って署名を復号し、元のハッシュ値を取得
    recovered_hash = verify_signature_with_public_key(transaction["signature"], transaction["public_key"])

    # 3. 計算したハッシュ値と復号したハッシュ値を比較
    return calculated_hash == recovered_hash

# 使用例（概念）
# user_a_private_key = generate_private_key()
# transaction = generate_transaction(user_a_private_key, "recipient_address", 10.0, "message")
# is_valid = verify_transaction(transaction)
# print(f"トランザクションは有効か: {is_valid}")

この電子署名によって、中央機関を介さずに、誰でもトランザクションの正当性を検証できるようになります。

ネットワークへの伝播：Mempool (トランザクションプール)

生成され、署名されたトランザクションは、ブロックチェーンネットワーク上のいずれかのノードに送信されます。通常、これはトランザクションを作成したウォレットやアプリケーションが接続しているノードです。

トランザクションを受け取ったノードは、まずそのトランザクションが有効かどうかを基本的なレベルで検証します。検証内容には以下が含まれます。

電子署名が有効か
トランザクションの形式が正しいか
手数料が適切か
（UTXOベースの場合）入力として指定された資金が未使用であり、かつ存在するか
（アカウントベースの場合）送信元アドレスに十分な残高があるか

検証に成功したトランザクションは、そのノードの持つ「Mempool」（Memory Pool、またはトランザクションプール）と呼ばれる一時的な保管場所に保持されます。Mempoolは、まだどのブロックにも取り込まれていない、承認待ちのトランザクションの集合です。

各ノードはそれぞれ独自のMempoolを持っていますが、通常はネットワークを通じて他のノードとその内容を共有し、ブロードキャストします。これにより、有効なトランザクションがネットワーク全体に伝播していきます。無効なトランザクションは、検証時に破棄され、Mempoolにも追加されず、他のノードにも伝播しません。

マイニングとブロックへの取り込み

Mempoolに蓄えられたトランザクションは、次にブロックチェーンに追加されるブロックの候補となります。ブロックの生成（マイニングまたはバリデーション）を担当するノード（マイナーやバリデーター）は、Mempoolからトランザクションを選択し、新しいブロックに含めようとします。

どのトランザクションを選択するかは、ブロックチェーンのルールやマイナー/バリデーターの戦略によります。例えば、手数料が高いトランザクションから優先的に選択されることが一般的です。

選択されたトランザクションは、ブロックの本体（Body）としてまとめられます。この際、含まれる全てのトランザクションのハッシュ値を使って「マークルツリー」というツリー構造が構築されます。マークルツリーの「ルートハッシュ」は、そのブロックに含まれる全てのトランザクションのデータが変更されていないことを証明する一種のチェックサムとして機能し、ブロックヘッダーに格納されます。前回の記事「ブロックチェーンのデータ構造：ハッシュポインタと改ざん耐性を理解する」で解説したように、ブロックヘッダーは前のブロックのハッシュポインタ、自身のマークルルート、タイムスタンプ、ナンスなどの情報を含みます。

マークルツリーのイメージ

     Root
    /    \
   H12    H34
  / \    / \
 H1 H2  H3 H4
 |  |   |  |
Tx1 Tx2 Tx3 Tx4

（Txはトランザクションデータ、Hはハッシュ値を示します。各親ノードのハッシュはその子ノードのハッシュを結合して計算されます。）

ブロックヘッダーが完成したら、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）のようなコンセンサスアルゴリズムに基づき、そのブロックをチェーンに追加する権利を得るための計算（マイニング）が行われます。この計算に成功すると、新しいブロックが生成されます。

生成された新しいブロックは、再びネットワーク全体にブロードキャストされます。他のノードは、受け取ったブロックが有効であるか（前のブロックに正しく繋がっているか、ブロックヘッダーがコンセンサスルールを満たしているか、含まれるトランザクションが全て有効かなど）を検証します。検証に成功すると、そのノードのブロックチェーンに新しいブロックが追加されます。

トランザクションが初めてブロックに取り込まれ、そのブロックがネットワークの大部分に承認されると、そのトランザクションは「1承認」または「承認済み」という状態になります。

ファイナリティ（確定）

ブロックチェーンの世界では、トランザクションが一度ブロックに取り込まれただけでは、まだ最終的に確定したとはみなされません。これは、ごく稀に発生しうるチェーンの分岐（一時的に複数のノードが異なる新しいブロックを同時に見つける状況）によって、自分が取り込まれたブロックが最終的に「正しいチェーン」から外れてしまう可能性があるためです。

トランザクションの「確定度」は、そのトランザクションが含まれるブロックの上に、さらにどれだけの後続ブロックが積み重なったかによって高まります。例えば、ビットコインでは通常6承認（元のブロックの上に6つのブロックが積み重なること）をもって、トランザクションが十分に確定したとみなされることが多いです。イーサリアムでは、PoW時代はより多くの承認が必要でしたが、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）移行後は、より少ないエポックやチェックポイントの通過で高いファイナリティが得られるようになっています。

後続ブロックが積み重なるにつれて、一時的なチェーン分岐が発生しても、自分のトランザクションが含まれるチェーンが「最も長い（PoWの場合）」または「最も多くのバリデーターに支持されている（PoSの場合）」チェーンとして選ばれる可能性が非常に高くなります。これにより、そのトランザクションは事実上覆すことが不可能となり、ファイナリティに到達したとみなされるのです。

ファイナリティに到達したトランザクションは、ブロックチェーン上に永続的に記録され、関連する状態（例えば、アドレスの残高）は確定的に更新されます。

まとめと次のステップ

本記事では、ブロックチェーンにおけるトランザクションが、生成からファイナリティに至るまでの一連のライフサイクルを解説しました。電子署名による正当性の証明、Mempoolでの検証と待機、ブロックへの取り込み、そして後続ブロックによるファイナリティの獲得というプロセスを通じて、分散されたネットワーク上で信頼性の高い情報の記録が実現されていることがお分かりいただけたかと思います。

このトランザクションのライフサイクルの理解は、ブロックチェーンのコアな仕組みである「コンセンサスアルゴリズム」（PoWやPoSがどのようにブロックを生成し、チェーンを成長させるか）や、「スマートコントラクト」（トランザクションによってどのようにプログラムが実行され、状態が変化するか）といった、さらに高度なトピックを学ぶ上での土台となります。

次に学ぶべきトピックとしては、代表的なコンセンサスアルゴリズムであるPoWとPoSの仕組み、そしてイーサリアムなどで広く使われているスマートコントラクトの実行環境（EVMなど）に焦点を当てることをお勧めします。これらの知識は、ブロックチェーン上で動くアプリケーション（DApps）の開発を目指すWebエンジニアにとって、不可欠なものとなるでしょう。