プルーフ・オブ・ワークと採掘：ブロックチェーンと分散台帳のレッスン

解くのは大変で、確認は一瞬

プルーフ・オブ・ワーク(作業証明)とは、ブロックを足す前に、手間のかかる計算をさせる決まりです。計算には時間がかかりますが、答えが正しいかの確認は、一瞬で済みます。

4桁の数字の南京錠で考えます。開けるには最大1万通りを試しますが、開いたかどうかは、見れば分かります。

このレッスンのゴール

メモ

採掘には手間がかかり、確認は軽い理由を説明することができる。

キーワード

ことば	いみ
ナンス	条件に合うまで、ブロックに足して変える数
難易度	ハッシュ値の先頭に並べるゼロの数
採掘	条件に合うナンスを探す作業。マイニングとも呼ぶ
プルーフ・オブ・ワーク	手間をかけたことを示す、確かめやすい証拠
試行回数	ナンスを試した回数

学生が入力するセルは、このプレビューでは空白です。

ナンスを変えて、ハッシュ値を探す

決まりは「ハッシュ値の先頭に、ゼロが難易度の数だけ並ぶこと」です。ブロックの中身は変えられないので、ナンスという数だけを0、1、2と増やします。

ナンスが変わるたびに、ハッシュ値は別の値になります。当たるまで試し続ける作業が、採掘です。

Python でナンスを探す

コード: python

import hashlib

DIFFICULTY = 2
data = "hello"

nonce = 0
while True:
    digest = hashlib.sha256((data + str(nonce)).encode()).hexdigest()
    if digest.startswith("0" * DIFFICULTY):
        break
    nonce = nonce + 1

print("ナンス", nonce, "ハッシュ値", digest[:10])

# DIFFICULTY を 3 に変えて、もう一度実行しましょう。
# 見つかるまでの試行が、ずっと増えます。

ラボで4つの難易度を試す

次の Run は、同じブロックを難易度1から4まで採掘します。表示は英語で、difficulty は難易度、nonce はナンス、tries は試行回数、hash はハッシュ値の先頭です。ブロックも出発点も決まっているので、答えはいつも同じです。

難易度1から4を採掘する

コマンド

docker exec jupyter python3 steps/mine.py

ここでは表示のみで、実行されません。無料アカウントを作成すると、実行ボタンで自分のラボのターミナルに入力できます。

例: ゼロが増えると、試行が増える

難易度	平均の試行回数	ラボの試行回数
1	16	15
2	256	835
3	4096	7992
4	65536	109028

学生が入力するセルは、このプレビューでは空白です。

ゼロが1つ増えると、16倍になる

ハッシュ値の1桁は16通りなので、ゼロが1つ増えるごとに、平均の試行は16倍になります。表の左は計算した平均で、右はラボの結果です。

採掘は運にも左右されるので、実際の回数は平均より多くも少なくもなります。でも、増え方の勢いは変わりません。

確認はハッシュを1回計算するだけ

採掘は何千回も計算しますが、確認はたった1回です。ナンスを入れたブロックのハッシュ値を計算し、先頭のゼロの数を見るだけで済みます。

次の Run は、さきほど見つけたナンス227で、その1回の計算をします。表示は先頭10文字で、001b92541e になります。

ナンス227を1回で確かめる