【第3回】イーサリアムの仕組み｜ブロックチェーンの仕組みとオンチェーンデータ分析

本連載では、ブロックチェーンの基本的な仕組みを解説しながら、オンチェーンデータを分析するための基本的な手法について、全8回で紹介します。

第3回となる今回は、暗号資産（仮想通貨）のなかでビットコインに続き第2位の時価総額（※1）を維持しているイーサリアム（※2）について解説し、ブロックチェーンの仕組みについての理解を深めます。

※1 CoinMarketCap （2023年6月現在）

イーサリアムとは
実データを観察する
- Etherscan
- Dune
イーサリアムのデータ構造
次回予告

イーサリアムとは

イーサリアムは、ブロックチェーン技術を用いて実装された、分散アプリケーションのためのプラットフォームです。

ビットコインの発明とともに登場したブロックチェーン技術は、第2回の連載記事でも解説したとおり、「不特定多数の参加者で構成されるネットワークで、悪意のある参加者が存在したとしても、全体として正しく動き続ける分散アプリケーション」を実現することができます。ビットコインはそれをデジタル通貨として利用しましたが、ブロックチェーン技術は通貨以外にもさまざまな応用が考えられます。

例えば、簡単なマイクロブログサービスを分散アプリケーションとして実装すれば、特定のプラットフォームに依存することなく、いつでも自分のつぶやきを投稿することができ、誰かに検閲されることもなければ、サービス終了とともにデータが消えてしまうということもありません。そのようなさまざまな分散アプリケーションを簡単に実現するためのプラットフォームがイーサリアムです。

イーサリアムの誕生

ブロックチェーン黎明期の分散アプリケーション開発の多くは、ビットコインのコードベースをフォークしてきて、一部を修正するような形でおこなわれていました。第1回の連載記事でも紹介した、「ライトコイン」（※3）や「ネームコイン」（※4）などがその典型例です。ビットコインのコードはオープンソースとして一般に公開されており、誰でもダウンロードして実行できるだけでなく、一部を改変して独自のアプリケーションとして実行することも可能です。

しかし、ビットコインをフォークした形のアプリケーション実装では、そのアプリケーションを動かし続けてくれるためのネットワーク参加者を集めることにハードルがありました。一般的なWebサービスなどのアプリケーションであれば、開発者自身がサーバーを準備してアプリケーションを公開するだけで、世界中の人々がそのアプリケーションにアクセスできます。一方、ブロックチェーンアプリケーションの場合、そのサービスを使いたい利用者が自身のマシンにアプリケーションをダウンロードしてきて、そのマシン上でプログラムを実行し続けなければなりません。もちろん、ビットコインのようにある程度の参加者が集まれば、既存のネットワーク参加者のノードに対して通信するだけでサービスを利用できる形になるのですが、安定したサービスを提供できるレベルまでネットワーク参加者を集めるには、よほど共感されるアイデアやメリットがない限り困難でした。

そこで、すでに稼働している既存のブロックチェーンの上に、汎用的なアプリケーション層を構築するサービスも登場してきました。例えば、ビットコインの場合、トランザクションのなかにビットコインの送金だけでなく、メッセージのような小さなデータを書き込むことができる仕様がありました。ビットコインのトランザクションにテキストを書き込むことで、上記の分散型マイクロブログのようなサービスは構築できます。また、より大規模なデータを扱いたい場合でも、そのデータをハッシュ関数で小さなデータに圧縮することで、「過去にそのデータが存在しており、それ以降改ざんもされていない」といった存在証明が可能です。Blockcerts（※5）というサービスでは、大学の卒業証明書や民間の資格証明書などのハッシュ値をビットコインブロックチェーンに刻み、存在証明をおこなうことで、誰もが簡単にブロックチェーン技術を用いた証明書を発行することができます。

しかし、既存のブロックチェーンを他の用途で使うという仕組みは、もともと想定されていないハック的な使い方のため、使い勝手や効率もよくありません。そこで、汎用的な分散アプリケーションを動かすために設計された新しいブロックチェーンシステムとして、イーサリアムが登場しました。

イーサリアムは、当時19歳の学生であったヴィタリック・ブテリンによって考案されました。そのアイデアがホワイトペーパー（※6）として公開されています。2014年ごろから開発が進められているEthereumは、2023年現在までに大きなアップデートを何度も繰り返しているため、ホワイトペーパーだけを読んでも現在のEthereumの全貌を理解することは難しいのですが、当時の背景やコアコンセプトを知ることで現在の仕組みもより深く理解することができると思いますので、興味あるかたはぜひホワイトペーパーも読んでみてください。

※3 Litecoin

※4 Namecoin

※5 Blockcerts

※6 Ethereum White Paper

スマートコントラクト

イーサリアムの特徴は、さまざまな分散アプリケーションのロジックを専用のプログラミング言語で記述し、ブロックチェーン上で実行できる点です。ブロックチェーン上で実行する、というのは、トランザクションを発行してブロックチェーン上の状態を変更できる、という意味です。ビットコインの場合も、抽象的にはアカウントごとにビットコイン残高という状態があり、トランザクションの実行後にその状態（残高）が変化する、という形で状態遷移をおこなっています。また、ビットコインのトランザクションも、スクリプトと呼ばれるプログラミング言語でルールが記述されている、という点も似ています。

しかし、ビットコインのスクリプト言語は、通貨の送金という用途に特化しており、無限ループなどを含む任意のロジックを記述することはできませんでした。イーサリアムの場合、無限ループを含む任意のロジックを専用のプログラミング言語で記述し、ブロックチェーンに配置しておくことができます。イーサリアムの利用者は、あらかじめ配置されたプログラムの関数を呼び出すトランザクションを発行することで、通貨の送金だけではないさまざまな用途の分散アプリケーションを利用することができます。

この、イーサリアムにおける汎用的なプログラムを、「スマートコントラクト」と呼びます。スマートコントラクトというアイデアは、デジタル通貨の研究者であるニック・サボが1997年に提唱（※7）しています。ニックのアイデアは、現実世界における自動販売機のような自動執行される契約をデジタル上でも実装するといったものです。例えば、自動車を運転する権利などを契約に基づいて自動的に移転できるようになれば、自動車を担保にしたローンや、レンタカーの運転権利などを自動で権利者に移転したりすることができます。

2023年現在では、そのようなオンラインで物理的なものの使用権を移転できるサービスも普及しつつありますが、多くは特定企業によるサービス提供だと思われます。イーサリアムの場合、このスマートコントラクトを、不特定多数の誰もが参加できるブロックチェーンネットワーク上で実行し、特定のサービス主体に依存しない、次世代スマートコントラクトとして提唱しています。現在、一般的にスマートコントラクトと呼ぶと、イーサリアムを代表とするブロックチェーン上の分散プログラムのことを指すことが多くなっています。

※7 The Idea of Smart Contracts

ビットコインとのデータ構造の違い

同じブロックチェーン技術の応用であっても、ビットコインとイーサリアムにはさまざまな違いがあります。データ構造における両者の最も大きな違いは、UTXOモデルとアカウントモデルです。

第2回の連載記事でも解説したとおり、ビットコインのトランザクションには「Inputs」と「Outputs」という概念があり、Outputsのうちまだどこにも送られていないものが、自由に使える残高、という考え方です。この未使用トランザクションアウトプット(Unspent Transaction Output)をUTXOと呼びます。

一方、イーサリアムの場合は、通貨の送金だけでなく、文字列や複雑なデータ構造を含む汎用的な状態を管理するため、アカウントに対して通貨の残高データが紐づくアカウントモデルとなっています。

実データを観察する

それでは、実際のデータを観察しながら、これまでの解説を確認してみましょう。ビットコインの場合と同様、イーサリアムも自身でノードを立ち上げて、イーサリアムネットワークから情報を取得することもできますし、イーサリアム上のデータをデータベース化したオンラインサービスも数多く存在します。

Etherscan

Etherscan（※8）は、イーサリアムが登場した黎明期から存在し、機能拡張を繰り返し現在でも多くのユーザに利用されているエクスプローラーサービスです。図1に、Etherscanのサービス画面例を示します。

ビットコインの場合と同様に、生成された最新のブロックや、ブロックに含まれるトランザクションの一覧が確認できます。ビットコインの場合は生成されるブロックの間隔は10分前後でしたが、イーサリアムの場合は12秒前後のため、頻繁に画面も更新されます。

※8 Etherscan

Dune

イーサリアムのオンチェーンデータを用いて簡単にデータ分析をおこなえるサービスとして、Dune（※9）を紹介します。第2回の連載記事で紹介したBigQueryでも、一般公開データセットにイーサリアムのデータセットが含まれており、SQLを用いて柔軟な分析が可能です。Duneはそのブロックチェーン特化版の分析サービスであり、ブロックチェーン特有のデータ構造に細部まで対応していたり、作成したクエリやダッシュボードを他ユーザに共有したり可能なソーシャル要素もあるスタートアップサービスです。

図2は、Duneの共同創業者である @hagaetc が作成したダッシュボード例です。

図2. Dune – @hagaetc / DEX metrics のダッシュボード例

※9 Dune

イーサリアムのデータ構造

Etherscanの実データを参照しながら、イーサリアムのデータ構造について確認していきましょう。

ブロック

多くのブロックチェーンでは、複数のトランザクションをまとめたブロックが、前のブロックのハッシュ値を参照している、というデータ構造は変わりません。イーサリアムの場合も、ビットコインと同様に、ブロックとトランザクションというデータ構造を持っています。

図3に、Etherscanで表示したイーサリアムのブロックデータのサンプルを示します。Block Heightは、そのブロックチェーンが積み重ねてきたブロックの長さを表します。Transactionsの行を見ると、このブロックには144のトランザクションと、43の内部トランザクションが含まれていることが分かります。

イーサリアムのブロックも、イーサリアムネットワークに参加している不特定多数のノードによって自律的に生成されており、ブロックの生成に成功した参加者が、所定の手数料を受け取れる仕組みになっています。それらに関する情報が、Fee RecipientやBlock Rewardです。

イーサリアムに特徴的な仕組みとして、ガス（Gas）という概念が存在します。これは、トランザクションを発行するための手数料を計算する仕組みに関連する概念です。ビットコインの場合も、トランザクションを発行するために手数料を支払う必要がありますが、その金額は基本的にトランザクションのデータ量（bytes数）に比例します。ただし、トランザクション手数料の設定はトランザクション発行者が任意に決めることができ、優先的に自身のトランザクションを取り込んでもらうために多めの手数料を支払う、といったことも可能です。

イーサリアムの場合、トランザクション発行者が手数料を任意に決められる、という点では同じですが、そのベースとなる値はトランザクションのデータ量ではなく、トランザクションを計算するために消費するリソース量となります。これは、イーサリアムが無限ループを含むようなプログラムの実行も許容する仕組みとなっているため、トランザクションのデータ量が少ない場合でも、実行のために膨大なリソースを消費してしまう可能性があるためです。このトランザクション実行に必要なリソース量を、ガスという概念で表現しています。

あるトランザクションを実行するために必要なガスは、あらかじめ厳密に計算することは難しいものの、同じ入力に対してであれば基本的には一定のガスがかかります。このガスに対して、1ガスあたりの手数料をトランザクション発行者が指定し、Ether(単位: ETH)というイーサリアムのネイティブ通貨で支払います。

トランザクション

図4は、あるブロックに含まれるトランザクションの一覧を表示したサンプルデータです。トランザクションには固有のトランザクションハッシュ（Txn Hash）がIDとして付与されており、誰が（From）、誰に（To）、ETHを送った量（Value）、実行したメソッド（Method）、支払った手数料（Txn Fee）などが共通の情報として含まれます。

また、リンクとなっている適当なトランザクションのハッシュをクリックすると、そのトランザクションの詳細ページを確認できます。詳細ページに表示される内容はトランザクションの種類によって異なるため、今回は詳細を割愛し、次回以降の連載で必要なトランザクションの種類について深掘りします。

図5に、トランザクション詳細のサンプルページを示します。Overviewのほかに、他のタブを選択することで、表示内容を切り替えることができます。ここでは、Logsタブを開いてトランザクションの詳細なイベントログを表示しています。

コントラクト

Etherscanのページでは、一部のコントラクトについてはソースコードも含めて確認することができます。図5のサイト上の「View Source」から遷移したコントラクトページのサンプルを図6に示します。

イーサリアムのトランザクションの詳細な内容を把握するには、こちらのコントラクトコードまで遡って理解する必要がある場合もあります。また、Etherscanでは、コントラクトコードに実装しているメソッドをサイト上で呼ぶ機能もあります。Read Contractタブでデータ取得系のメソッドを実行することで、そのコントラクトの現在の状態などをノーコードで確認できます。

また、これはまだベータ版の機能ですが、ChatGPTのAPIを利用して、コントラクトコードの内容をAIによって解説したり要約したりといった利用が可能なCode Readerというサービスもアナウンスされました（※10）。

※10 Twitter – @etherscan

コントラクト規格

イーサリアムでは任意のコントラクトコードを実装して実行できますが、各自がバラバラの仕様でコントラクトを実装すると、他のコントラクトで統一的に扱ったり、データの分析が困難になったりする可能性があります。

そこで、イーサリアムではよく利用されるコントラクトの用途について、標準規格の策定が行われています。その規格化は、インターネットの技術仕様の標準化に用いられているRFC(Request For Comments)をもじって、ERC(Ethereum Request for Comments)と呼ばれています。代表的なERCのコントラクト規格には、ERC-20（Token Standard）やERC-721(Non-Fungible Token Standard)などがあります。詳しくは、実際のデータ分析の回にて解説します。