JP2021057887A

JP2021057887A - データ構造

Info

Publication number: JP2021057887A
Application number: JP2020135910A
Authority: JP
Inventors: 工藤　健司; Kenji Kudo; 健司工藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-04-08

Abstract

【課題】ブロックチェーンを構成する新たなデータブロックの追加、接続の際に発生する不均一な待ち時間を解消することができるデータ構造を提供する。【解決手段】本発明のブロックチェーン１は、データの先頭をなすジェネシスブロック(Ｇ)と、ジェネシスブロック(Ｇ)の後方に連結されるデータブロック(Ｄ)とからなるデータ構造を有している。データブロック(Ｄ)の１つは、少なくとも２つ以上の異なるジェネシスブロック(Ｇ)に連結され、データブロック(Ｄ)には、連結されたジェネシスブロック(Ｇ)のそれぞれのハッシュ値が格納されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ブロックチェーンのデータ構造に関する。

現在、Peer to Peerに係る個々のPeer（コンピュータ）について、データベースを分散して管理するブロックチェーン技術を応用した様々なシステムが開発されている。ブロックチェーン技術は、仮想通貨の決済、企業間での情報共有、社内における稟議手続等、ネットワーク上で行われる種々の手続処理についての応用が検討されている。

例えば、以下の非特許文献１等の従来のデータ構造（ブロックチェーン１０）は、ブロックチェーン１０を構成するGenesisブロック２０が１つ存在する（図５参照）。そして、Genesisブロック２０のハッシュ値を、連結されるトランザクションデータより計算されたマークルルートと共に、後段の第１のデータブロック３０に格納している。

『ビットコインとブロックチェーン暗号通貨を支える技術』（著：Andreas M. Antonopoulos、訳：今井崇也、鳩貝淳一郎、発行：NTT出版）

しかしながら、ブロックチェーン１０を含むデータ構造は直列数珠つなぎの構造となっているため、第１のデータブロック３０のナンス計算中には、第２のデータブロック４０が連結できない状態である。第２のデータブロック４０のナンス計算は、第１のデータブロック３０のナンス計算が完了し、ブロック０ヘッダのハッシュ値が確定した段階で開始される。すなわち、新たなデータブロックの連結にナンス計算の完了待ちが発生し、性能に影響を及ぼすという問題があった。

ビットコインの場合、平均１０分に１回の割合でデータブロックが生成されるが、あえてこの時間を設定している。しかしながら、実際は５分でデータブロックが生成されることもあれば、１時間経ってもデータブロックが生成されないこともある。

また、２つのグループが同時にマイニングに成功した場合、ブロックチェーンが一時的に分岐する現象が起こる。例えば、データブロック４０（「D2」）がデータブロック５０（「D3」）とデータブロック５１（「Dx」）に分岐したとき（図６参照）、データブロック６０（「D4」）とデータブロック６１（「Dy」）をマイニングして分岐の判定に利用する。

しかしながら、データブロック６０とデータブロック６１のうち、一方の処理は最終的に無駄になってしまう。これは、ブロックチェーン１０の連結点が１箇所であるために発生する事象であり、連結点が複数あれば、無駄な処理を別のロジックに置き換えることができる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ブロックチェーンを構成する新たなデータブロックの追加、接続の際に発生する不均一な待ち時間を解消することができるデータ構造を提供することを目的とする。

本発明は、データの先頭をなすジェネシスブロックと、前記ジェネシスブロックの後方に連結されるデータブロックとからなるブロックチェーンのデータ構造において、前記ジェネシスブロックはｎ（ｎ≧３）個で構成され、全ての前記ジェネシスブロックが円環状に接続され、前記データブロックの１つは、少なくとも２つ以上の異なる前記ジェネシスブロックに接続され、前記データブロックには、連結された前記ジェネシスブロックのそれぞれのハッシュ値が格納されていることを特徴とする。

本発明のブロックチェーンは、データの先頭をなすジェネシスブロックがｎ（ｎ≧３）個あり、これらが円環状に接続されている。データブロックはジェネシスブロックの後方に連結されるが、データブロックの１つは、少なくとも２つ以上の異なるジェネシスブロックに接続されている。

従来、新たなデータブロックを連結可能なポイントは、データ構造（直線状）の終端の１箇所に限られていたが、本発明は連結ポイントの選択肢を増やすことができる。これにより、新たなデータブロックの追加、接続の際に発生する不均一な待ち時間を解消することができる。

本発明のブロックチェーンのデータ構造において、前記ジェネシスブロックの各々の後方に第ｍ（ｍ≧１）列の前記データブロックが連結され、第ｍ列の前記データブロックの１つは、第（ｍ＋１）列の少なくとも２つ以上の前記データブロックに接続され、データ全体としてチューブ形状をなしている。

この構成によれば、ジェネシスブロックの後方に第１列のデータブロックが連結され、当該第１列のデータブロックの後方に第２列のデータブロックが連結される。さらに、第ｍ（ｍ≧１）列のデータブロックの１つは、第（ｍ＋１）列の少なくとも２つ以上のデータブロックに接続されて、データ全体としてチューブ形状をなす。１つのデータブロックが後段の２つ以上のデータブロックに接続されてデータが拡散していくため、データ改竄の難易度を高めることができる。

新たなデータブロックの追加、接続の際に発生する不均一な待ち時間を解消し、データブロックの改竄の難易度を高めることができる。

実施形態のブロックチェーンのデータ構造を示す概略図である。ブロックチェーンのデータ構造の詳細（ジェネシスブロックとデータブロックの接続）を示す図である。ブロックチェーンのデータ構造の詳細（チューブ形状）を示す図である。ブロックチェーンのデータ構造（変更形態）の詳細を示す図である。従来のブロックチェーンのデータ構造（１）を示す図である。従来のブロックチェーンのデータ構造（２）を示す図である。従来のブロックチェーンのデータ構造（３）を示す図である。従来のブロックチェーンのデータ構造（４）を示す図である。

まず、図１を参照して、本発明のブロックチェーンのデータ構造を説明する。

本発明の実施形態に係るブロックチェーン１は、データの先頭をなすブロックであるジェネシスブロックを複数有し、これらが接続されて円環ブロック２を構成している。ジェネシスブロックは任意の数（ｎ：自然数）であるが、ｎ≧３としてジェネシスブロックが論理的かつ円環状に接続されている。

ここで、「論理的かつ円環状に接続」とは、１０個のジェネシスブロック（図中のGenesisブロック０〜９）を利用する場合、ハッシュ番号の「０と１」、「１と２」、「２と３」、「３と４」、「４と５」、「５と６」、「６と７」、「７と８」、「８と９」を接続し、さらに、ハッシュ番号の最小値「０」と最大値「９」とを組み合わせて「９と０」を接続することを意味する。

従来のブロックチェーン１０のデータ構造（図７参照）は、例えば４個のGenesisブロック２０〜２３を用いた場合、ジェネシスブロックの数だけ直列のデータチェーンが作成される。具体的には、Genesisブロック２０の列にはデータブロック３０，４０，５０が連結され、Genesisブロック２１の列にはデータブロック３１，４１，５１が連結されるが、データチェーン間に相関はない。すなわち、Genesisブロック２０〜２３ごとに別のデータ構造をとることとなる。一方で、本発明は、複数のジェネシスブロックを円環状にして、データブロック同士に相関が生じる点こと特徴点となる。

また、従来のブロックチェーン１５のデータ構造（図８参照）は、本実施形態のブロックチェーン１と比較して、Genesisブロック２０〜２３が円環状となっていない点以外は同じ構成といえる。しかしながら、ブロックチェーン１５では、新たなデータブロック３３の追加に伴い、Genesisブロック２４を追加する必要がある。この点、本実施形態のブロックチェーン１は、ジェネシスブロックの増加を抑えることができる。

図１に示す本実施形態のブロックチェーン１において、Genesisブロック０には、２個のデータブロック(データブロック３Ａ、データブロック３Ｂ)が連結されている。ここで、データブロック３Ａはブロック０ヘッダを有し、データブロック３Ｂはブロック１ヘッダを有している。ブロックＮヘッダ（Ｎ≧０）は、トランザクションの履歴が書き込まれるデータであり、接続されるブロックのハッシュ値と、ナンス値と、マークルルートとから構成されている。

ハッシュ値とは、ブロックＮヘッダに対してアルゴリズム（ＳＨＡ２５６）を用いて、別の数値（文字列）を生成する暗号的な数値である。例えば、Genesisブロック０はデータブロック３Ａ及びデータブロック３Ｂに接続しているので、Genesisブロック０のハッシュ値は、ブロック０ヘッダの内部とブロック１ヘッダの内部にそれぞれ記憶される。このように、１つのデータブロックに２つのハッシュ値が格納される。

ナンス値とは、ハッシュ関数の出力を変更するために用いられる数値である。また、マークルルートとは、マークルツリー（ハッシュ値を含む二分木）内で二分木（ノード）ののペアから１つのハッシュ値が残るルートのことであり、ブロックに含まれる全てのトランザクションが要約されたものである。

図２は、ジェネシスブロックとデータブロックの詳細を示している。

例えば、Genesisブロック０は、データブロック３Ａ（ブロック０ヘッダ）とデータブロック３Ｂ（ブロック１ヘッダ）に連結されている。また、Genesisブロック１は、データブロック３Ｂ（ブロック１ヘッダ）とデータブロック３Ｃ（ブロック２ヘッダ）に連結されている。このため、各データブロックは、ジェネシスブロックのハッシュ値が２つ格納されている。Genesisブロック２〜９についても同様である。なお、図中の「GB」は、ジェネシスブロックを意味する。

さらに、データブロック３Ａは、後段のデータブロック４Ａ（ブロック１０ヘッダ）とデータブロック４Ｂ（ブロック１１ヘッダ）に連結されている。また、データブロック３Ｂは、後段のデータブロック４Ｂ（ブロック１１ヘッダ）とデータブロック４Ｃ（ブロック１２ヘッダ）に連結されている。２列目以降のデータブロックは、前段のデータブロックのハッシュ値が２つ格納されている。

このようにデータブロックを後段に連結していくと、ジェネシスブロックが円環状になっていることから、ブロックチェーン１の全体のデータ構造は、図３に示すようなチューブ形状をなす。

データブロック３Ａ〜３Ｃ（図２参照）は、図３において、ジェネシスブロック（図中の「G」で示す）の後方に連結される第１列（ｍ＝１）のデータブロック（図中の「D」で示す）である。また、データブロック４Ａ〜４Ｄ（図２参照）は、第２列（ｍ＝２）のデータブロックである。そして、第ｍ列のデータブロックの１つは、第（ｍ＋１）列の少なくとも２つ以上のデータブロックに接続される。

このようなデータ構造では、データブロック「X1」の追加完了を待たずに、新たなデータブロック「X2」の追加が可能となる。すなわち、ブロックチェーン１は、連結ポイントを複数有するデータ構造となっているため、１つの連結ポイントがナンス計算の実行中で、新たなデータブロックが連結できない場合でも、別の計算済みの連結ポイントにデータブロックを連結することができる。

具体的には、データブロック「X1」は、データブロック「D1」のハッシュ値とデータブロック「D2」のハッシュ値を格納するが、データブロック「D1」、データブロック「D2」は連結が完了していれば、その後段にデータブロック「X1」を追加することができる。

また、データブロック「X2」は、データブロック「D2」のハッシュ値とデータブロック「D3」のハッシュ値を格納する。データブロック「D2」、データブロック「D3」の連結が完了していれば、データブロック「X1」の連結完了に関係なく、データブロック「X2」を追加することができる。これは、従来のデータ構造（図５〜図７参照）よりもデータブロックの追加にかかる時間が短縮されることを意味する。また、１つのデータブロックのハッシュ値が２つのデータブロックに格納され拡散していくため、データ改竄の難易度が高まる。

次に、図４に、ブロックチェーン１のデータ構造の変更形態を示す。図示するように、Genesisブロック０は、データブロック３Ａ（ブロック０ヘッダ）とデータブロック３Ｂ（ブロック１ヘッダ）に連結されている。また、Genesisブロック１は、データブロック３Ｂ（ブロック１ヘッダ）とデータブロック３Ｃ（ブロック２ヘッダ）に連結されている。データブロック３Ｂには、Genesisブロック０とGenesisブロック１のそれぞれのハッシュ値が、１つのファイルにまとめて格納されている。

さらに、データブロック３Ａは、後段のデータブロック４Ａ（ブロック１０ヘッダ）とデータブロック４Ｂ（ブロック１１ヘッダ）に連結されている。また、データブロック３Ｂは、後段のデータブロック４Ｂ（ブロック１１ヘッダ）とデータブロック４Ｃ（ブロック１２ヘッダ）に連結されている。２列目のデータブロック４Ｂは、前段のデータブロック３Ａとデータブロック３Ｂのそれぞれのハッシュ値が、１つのファイルにまとめて格納されている。このように、格納する２つのハッシュ値を連結し、さらにハッシュ化して格納しても同様の効果が得られる。

なお、ジェネシスブロックの数の増減により多重度が増加するが、要求されるシステムスケールに合わせて適宜変更することができる。上記実施形態は、本発明を実施する一態様であり、上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明は、各ブロックに対する様々な情報の付加も考慮し得ることを想定している。

何らかの方法、プログラム、端末、装置、サーバ又はシステムにおいて、本実施形態に記載されたものと異なる動作をする側面があるとしても、本発明は、記載された動作の何れかと同一の動作を対象とする。すなわち、記載されたものと異なる動作が存在することは、当該方法等を本発明の範囲外とするものではないことを付言する。

１，１０，１５…ブロックチェーン、２，２０〜２４…ジェネシスブロック、３Ａ〜３Ｃ，４Ａ〜４Ｃ，３０〜６０…データブロック。

Claims

データの先頭をなすジェネシスブロックと、前記ジェネシスブロックの後方に連結されるデータブロックとからなるブロックチェーンのデータ構造において、
前記ジェネシスブロックはｎ（ｎ≧３）個で構成され、全ての前記ジェネシスブロックが円環状に接続され、
前記データブロックの１つは、少なくとも２つ以上の異なる前記ジェネシスブロックに接続されていることを特徴とするデータ構造。
請求項１に記載のデータ構造において、
前記ジェネシスブロックの各々の後方に第ｍ（ｍ≧１）列の前記データブロックが連結され、
第ｍ列の前記データブロックの１つは、第（ｍ＋１）列の少なくとも２つ以上の前記データブロックに接続され、データ全体としてチューブ形状をなしていることを特徴とするデータ構造。