ハッシュとは何か？ハッシュ関数と暗号通貨マイニングの基礎知識

ハッシュってたまに聞くんですが、いったい何なんですか？

この記事ではこのような疑問にお答えます。

本記事の内容

ハッシュ関数の役割
固定された長さを持つハッシュ
一貫したハッシュ値
ブロックチェーンの基盤
ブロックヘッダーに基づくハッシュ

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1 ハッシュとは？
2 ハッシュ関数の仕組み
3 ハッシュと暗号通貨について
4 よくある質問
5 まとめ

ハッシュとは？

ハッシュは、数学の関数の一種で、どんな長さの入力でも固定された長さの暗号化された出力に変換します。

つまり、元のデータの量やファイルの大きさにかかわらず、その固有のハッシュは常に同じサイズになります。

ハッシュは「ミートグラインダー（肉挽き機）」のようなものです。

一度挽いた肉を元のステーキに戻すことはできません。

同じように、ハッシュ関数も「一方通行」で、ハッシュ化されたものから元の入力を復元することはできません。

しかし、同じデータに同じハッシュ関数を使うと、ハッシュはいつも同じになります。

ですから、元のデータのハッシュを知っていれば、そのデータが変更されていないかを確認できるのです。

そして、ハッシュは暗号通貨のブロックチェーン管理にもとても重要です。

ブロックチェーンは、データをブロックに分けてチェーンのようにつなげたものです。

それぞれのブロックはハッシュによって保護されていて、データの安全を保つ役割をしています。

ハッシュ関数の仕組み

「ハッシュ関数」とは、いろいろな長さのデータを入れると、決まった長さのデータを出すプログラムのことです。このハッシュ関数は、データを暗号化するときに使います。暗号化とは、データを他の人に読めないように変換することです。

たとえば、「SHA-256」というハッシュ関数があります。これは、入力されたデータを以下のような手順で暗号化します。

データを二進数（0と1の数字）に変換する
ハッシュ値を作る
定数を初期化する
データをビット（二進数の単位）に分ける
メッセージスケジュールを作る
圧縮ループを実行する
最終的な値を変更する

例えば、"Hello"という単語をSHA-256で暗号化すると、"Hello world"や"Hello John"と同じ長さ（64文字）の出力が得られます。でも、出力されるハッシュは全部違います。大文字と小文字でもハッシュは変わります。

例:

Hello: 185f8db32271fe25f561a6fc938b2e264306ec304eda518007d1764826381969
Hello world: 64ec88ca00b268e5ba1a35678a1b5316d212f4f366b2477232534a8aeca37f3c
Hello John: a8119595d77342cc73c93697a7f70920d3f4ded5d458e31907607e997ff76868

同じデータを入れると、毎回同じ結果が出ます。SHA-256はとても早く、あまり計算力を使わずにハッシュを作りますが、その入力を当てるのはとても難しいです。

これが、暗号通貨を安全にするのに理想的な理由です。現代の技術では、この暗号を解読して元のデータを見つけるのに何千年もかかるでしょう。

ハッシュ関数は、メッセージの整合性をチェックしたり、情報を認証するためによく使われます。暗号化ハッシュ関数は、メッセージの内容をもっと分かりにくくする安全機能を加えます。

特に、暗号化ハッシュ関数には次の3つの特性があります。

衝突防止：異なる入力が同じ出力にならないこと
隠蔽性：出力から入力を当てるのが難しいこと
パズルフレンドリー：特定の出力を得るための入力を選ぶのが難しいこと

つまり、ハッシュ関数は、暗号化にとても重要で、安全にデータを扱うために使われているんですね。

ハッシュと暗号通貨について

暗号通貨の背骨は「ブロックチェーン」というものです。ブロックチェーンとは、取引データの個々のブロックを「ハッシュ」という方法でつなぎ合わせて作られた、世界中に分散された台帳のことです。

ブロックチェーンとはブロックチェーンには、検証された取引のみが含まれています。これにより、不正な取引や同じ通貨の二重使用を防ぐことができます。暗号通貨のマイニング（採掘）や検証では、このハッシュを使います。
ハッシュの解決方法暗号通貨のハッシュを解決するには、まず前のブロックのブロックヘッダを入力として使い、ハッシュを生成します。ブロックヘッダには、バージョン番号、タイムスタンプ、前のブロックで使われたハッシュ、メルクルルートのハッシュ、ナンス、ターゲットハッシュが含まれています。

目標は、ネットワークのターゲットハッシュと同じかそれ以下のハッシュを生成することです。ハッシュには「ナンス」と呼ばれる一度だけ使われる数字の並びがあります。マイニングプログラムは、最初の試行でゼロから始まるナンスに焦点を当てます。試行が失敗すると、プログラムはナンスに1を加えてハッシュを再生成します。ターゲットハッシュ以下のハッシュを生成するまで、失敗するたびに1を加え続けます。それが生成されると、解決策として受け入れられます。

ハッシュを解決するためには、マイナー（採掘者）は正しい値を生成するために試行錯誤を続ける必要があります。ハッシュを解決したマイナーは報酬を得て、そのブロックはブロックチェーンに追加されます。

最初の試行で正しいナンスを見つけることは非常にまれで、マイナーは正しいナンスを見つけるまでに多くのオプションを試す可能性があります。難易度（ターゲットハッシュの要件を満たすハッシュを作成するのがどれだけ難しいかを示す尺度）が高ければ高いほど、解決策を生成するのに時間がかかります。

つまり、暗号通貨では、マイナーがハッシュを解決するために多くの試行錯誤を行い、それが成功すると報酬を得て、その情報がブロックチェーンに追加されるんですね。ハッシュを解決するプロセスはとても複雑で、大量の計算が必要なんです。

よくある質問

ハッシュ関数とは何ですか？

ハッシュ関数は、与えられたデータを固定サイズのビット文字列に変換するアルゴリズムです。このビット文字列のことを「ハッシュ」と呼びます。

ハッシュはどのように計算されますか？

ハッシュ関数は複雑なアルゴリズムを使い、任意の長さのデータを固定の長さ（例えば256文字）のデータに変換します。元のデータの1ビットでも変わると、ハッシュ値全体が変わります。これは、デジタルファイルや他のデータの正確さを確認するのに役立ちます。

ブロックチェーンでハッシュはどのように使われますか？

ブロックチェーンシステムのいくつかの部分でハッシュが使われています。各ブロックのヘッダーには前のブロックのハッシュが含まれており、新しいブロックが追加されるときに何も改ざんされていないことを保証します。暗号通貨のブロックチェーンでは、情報を安全に保ち、台帳を変更不可能にするためにハッシュが使われます。