イーサリアム（ETH）のブロック生成過程を図解で理解しよう
はじめに
イーサリアムは、ビットコインに次ぐ時価総額を誇る、第二世代のブロックチェーンプラットフォームです。単なる暗号資産としての側面だけでなく、スマートコントラクトというプログラムを実行できる機能を持つことで、分散型アプリケーション（DApps）の開発基盤としても注目されています。イーサリアムの根幹をなすブロック生成過程を理解することは、このプラットフォームの可能性を最大限に引き出す上で不可欠です。本稿では、イーサリアムのブロック生成過程を、図解を交えながら詳細に解説します。
ブロックチェーンの基礎
ブロックチェーンは、複数のブロックが鎖のように連なったデータ構造です。各ブロックには、トランザクションデータ、タイムスタンプ、そして前のブロックへのハッシュ値が含まれています。このハッシュ値によって、ブロック間の整合性が保たれ、データの改ざんが極めて困難になります。イーサリアムのブロックチェーンも、この基本的な仕組みを踏襲しています。
トランザクションは、イーサリアムネットワーク上で発生する価値の移動を表します。例えば、あるアドレスから別のアドレスへETHを送信する行為がトランザクションに該当します。これらのトランザクションは、まずトランザクションプール（mempool）に一時的に保存されます。
イーサリアムのブロック構造
イーサリアムのブロックは、以下の要素で構成されています。
- ブロックヘッダー: ブロックに関するメタデータが含まれます。
- トランザクションリスト: ブロックに含まれるトランザクションのリストです。
ブロックヘッダーは、以下の情報を含みます。
- 親ブロックハッシュ: 前のブロックのハッシュ値です。
- 状態ルート: イーサリアムの状態（アカウント残高、ストレージなど）を表すハッシュ値です。
- トランザクションルート: ブロックに含まれるトランザクションを表すハッシュ値です。
- タイムスタンプ: ブロックが生成された時刻です。
- 難易度: ブロック生成に必要な計算量の指標です。
- ガスリミット: ブロック内で実行できるトランザクションの計算量の上限です。
- ガス使用量: ブロック内で実際に使用された計算量です。
- nonce: ナンス値は、マイナーがブロックハッシュを求める際に調整する値です。
ブロック生成のプロセス
イーサリアムのブロック生成は、以下のステップで行われます。
- トランザクションの収集: マイナーは、トランザクションプールからトランザクションを選択し、ブロックに含めます。
- ブロックヘッダーの作成: マイナーは、ブロックヘッダーを作成します。親ブロックハッシュ、状態ルート、トランザクションルート、タイムスタンプ、難易度、ガスリミットなどを設定します。
- ナンスの探索: マイナーは、ブロックヘッダーのハッシュ値が、ネットワークが設定する難易度を満たすナンス値を探します。このプロセスは、Proof-of-Work（PoW）と呼ばれ、膨大な計算量を必要とします。
- ブロックのブロードキャスト: ナンス値が見つかったマイナーは、生成したブロックをネットワークにブロードキャストします。
- ブロックの検証: 他のノードは、ブロードキャストされたブロックの有効性を検証します。トランザクションの署名、ガス使用量、ハッシュ値などが検証されます。
- ブロックチェーンへの追加: 検証に成功したブロックは、ブロックチェーンに追加されます。
Proof-of-Work (PoW) の詳細
イーサリアムは、当初Proof-of-Work（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWでは、マイナーは、ブロックヘッダーのハッシュ値が、ネットワークが設定する難易度を満たすナンス値を探すことで、ブロック生成の権利を得ます。このプロセスは、膨大な計算量を必要とし、マイナーは高性能な計算機（GPUやASIC）を使用して競争します。
難易度は、ブロック生成間隔を一定に保つために調整されます。ブロック生成間隔が短すぎる場合は難易度を上げ、長すぎる場合は難易度を下げます。これにより、ブロックチェーンの安定性が保たれます。
PoWには、消費電力の高さや、51%攻撃のリスクなどの課題があります。これらの課題を解決するために、イーサリアムはProof-of-Stake（PoS）への移行を進めています。
Proof-of-Stake (PoS) への移行 (The Merge)
イーサリアムは、2022年9月に「The Merge」と呼ばれる大規模なアップデートを実施し、コンセンサスアルゴリズムをProof-of-Work（PoW）からProof-of-Stake（PoS）に移行しました。PoSでは、マイナーの代わりにバリデーターがブロック生成の役割を担います。バリデーターは、ETHを預け入れ（ステーク）、ネットワークのセキュリティに貢献することで、ブロック生成の権利を得ます。
PoSには、PoWと比較して、消費電力が大幅に低い、51%攻撃のリスクが低い、スケーラビリティの向上が期待できるなどのメリットがあります。The Mergeによって、イーサリアムは、より持続可能で、安全で、スケーラブルなプラットフォームへと進化しました。
ガス（Gas）の役割
イーサリアムでは、トランザクションを実行するためにガスと呼ばれる手数料を支払う必要があります。ガスは、トランザクションの計算量に応じて消費されます。複雑なトランザクションほど、多くのガスを必要とします。ガス価格は、ネットワークの混雑状況によって変動します。混雑している場合はガス価格が高くなり、そうでない場合はガス価格が低くなります。
ガスリミットは、トランザクションが消費できるガスの最大量です。ガスリミットを超過すると、トランザクションは失敗します。ガス使用量は、トランザクションが実際に消費したガスの量です。ガス使用量がガスリミットを超えない限り、未使用のガスはトランザクション実行者に返金されます。
ガスは、ネットワークのスパムを防ぎ、マイナー（PoW時代）またはバリデーター（PoS時代）に報酬を与えるために重要な役割を果たします。
まとめ
本稿では、イーサリアムのブロック生成過程を、図解を交えながら詳細に解説しました。イーサリアムのブロックチェーンは、ブロック、トランザクション、PoW/PoS、ガスなどの要素で構成されており、これらの要素が連携することで、安全で分散型のプラットフォームを実現しています。The MergeによるPoSへの移行は、イーサリアムの持続可能性とスケーラビリティを向上させ、今後の発展を加速させるでしょう。イーサリアムのブロック生成過程を理解することは、この革新的なプラットフォームの可能性を最大限に引き出す上で不可欠です。
