ビットコイン必読ガイドⅡ：UTXOモデルの過去と現在
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ビットコイン必読ガイドⅡ：UTXOモデルの過去と現在
UTXOはコンセンサス機構を支援し、ブロックチェーンにおける二重使用問題を解決するだけでなく、ブロックチェーンにトレーサビリティの特性を与える。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者：Echo、BiHelix；Satoshi Labs
指導：洪蜀寧
はじめに
「UTXOブロックチェーンは、今日のブロックチェーン業界の基盤であり、議論の余地のない土台を築いている。UTXO技術は、中本聡が掲げた金融における究極の自由への核心的ビジョンを反映している。」UTXOモデルは、金融活動の中心となる安全性、データプライバシー、スケーラビリティを保証しており、イーサリアムのアカウントモデルと比較してより安全な代替手段である。
ブロックチェーンの原理：UTXOモデルの基礎
ブロックチェーンとは、デジタル化され、非中央集権的で分散型の台帳である。ブロックチェーンはP2P（ピア・ツー・ピア）ネットワークを利用しており、ネットワーク上の参加者はノードと呼ばれる。台帳には取引に関するデータが記録される。ブロックチェーンの最も重要な特徴は、各ブロックが暗号技術によって連結されていることである。
ブロックチェーン：暗号的に連結された構造
・最初のブロック（ジェネシスブロックと呼ばれる）を除き、ブロックチェーン内のすべてのブロックは「前のハッシュ」というフィールドを持っている。これは直前のブロックのハッシュ値であり、ブロックチェーンの安全性の根幹を成すものである。
・ブロックのハッシュ値を決定する要因。この4つの要素のうちどれか一つでも、1ビット変化すれば、ハッシュ値は完全に変わる。これは雪崩効果によるものである。取引データはブロック内に保存されており、ハッシュ値を変える4つの要因の一つでもある。つまり、マイナーが異なる取引を選択し、他の4つの要因を同じにしても、ハッシュ値は異なってしまう。
1. タイムスタンプ
2. ブロック番号：チェーン内の現在のブロックの序数。
3. データ：ブロック上に保存された取引。
4. ナンス
・攻撃者がブロックのデータを改ざんしようとすると、そのブロックのハッシュ値が変化する。前述したように、次のブロックは現在のブロックのハッシュ値を保持しているため、ハッシュ値が変わればチェーンが破綻する。あるいは、攻撃者はその地点からすべてのブロックを再びマイニングしなければならない。これは51％攻撃の一形態である。
「ブロック」とは何か？
ブロックチェーン内のブロックは取引を格納している。ビットコインの場合、約10分ごとに新しいブロックがブロックチェーンに追加されるが、ターゲットハッシュの難易度に応じて、新区間のマイニング時間は変動しうる。
・マイナーがブロックのマイニングに成功すると、それがブロックチェーンに追加される。ブロックがチェーンに追加されると、その内部にあるすべての取引のステータスが「未確認」から「確認済み」へと変わる。
・ビットコインの場合、1つのブロックに格納できる取引の数は固定ではないが、平均的なブロックサイズは1MBである。
・空のブロックも有効であり、つまり空のブロックでもマイニングされ、チェーンに追加されることが可能である。
ブロックチェーン取引の構造
個々の取引を分解すると、異なる意味を持ついくつかの構造が存在することがわかる。以下は、取引に含まれるさまざまな構造である：
1. 取引バージョン番号：ネットワークに対して取引の種類を指定するバージョン番号。この番号により、ノードは特定の取引を検証するために使用すべきルールセットを判断できる。
2. 出力：取引出力は、暗号ロックと時刻で構成される。
3. 入力：取引入力は、ポインタとロック解除キーで構成される。ポインタは以前の取引出力を指し示す。ロック解除キーは、入力が指す前の出力を解除するために用いられる。入力を通じて出力を解除するたびに、ブロックチェーンデータベース内でそれは「使用済み」とマークされる。
4. ロックタイム：取引を即座にブロックチェーンに含めるか、または指定された時刻以降に含めるかを指定する。
UTXOとは、すべての入力によってまだ解除されていない出力のことである。
一度出力が解除されると、それは循環供給から取り除かれ、新たな出力がそれを置き換える。したがって、解除された出力の合計は、常に新しく作成された出力の価値の合計に等しくなる。
UTXOモデルとは何か？
UTXOは、ビットコイン（BTC）のsatoshiやイーサリアム（ETH）のgweiといった暗号通貨の単位ではない。しかし、UTXOはこれらの単位で測定することが可能である。UTXOとはUnspent Transaction Output（未使用取引出力）の略である。ビットコインでは、取引は実行されるまで存在し続け、そのUTXOからの別の取引が完了するまで存続する。取引が完了すると、未使用の出力は入力としてデータベースに戻され、その後別の取引で利用可能になる。
ユーザーがウォレットを通じて取引を開始すると、取引情報を含むUTXOが特定され、ロックが解除され、新しい所有者の情報が譲渡されたUTXOに関連付けられる。そして、ユーザーは同じプロセスを通じてそれらを次の取引で利用できる。取引が繰り返されるにつれ、データベースには所有権の移転記録が蓄積されていく。出力とは、ユーザーが誰かに送信したがまだ使用していない暗号通貨の一部である。これらは暗号通貨の断片として、データベース内の入力として記録される。
UTXOはどのように生成されるのか？
UTXOは既存のUTXOを消費することで生成される。すべてのビットコイン取引は入力と出力で構成される。入力は既存のUTXOを消費し、出力は新しいUTXOを生成する。ビットコインを使用する際、ユーザーは引き落とされた金額とウォレットに残った金額しか見えない。これは、1ドルの紙幣で0.50ドルの商品を購入しておつりを受け取り、それをポケットに入れるのに似ている。
UTXOモデルの利点
UTXOモデルはプロトコルレベルでのウォレットを含まない。これはブロック内にグループ化された個別取引に基づく。UTXOモデルはビットコインをはじめとする多くの暗号通貨で採用されている設計である。
・UTXOモデルを使用する暗号通貨はアカウントや残高を使用しない。代わりに、UTXOは現金のようにユーザー間でやり取りされる。
・UTXOモデルでは、各取引がシステムを新しい状態に遷移させるが、すべての取引が独立して新しい状態に移行することは実用的ではない。
・ネットワーク参加者は常に最新の状態と同期していなければならない。
ブロックチェーンに存在するすべてのUTXOは集合として表され、各ビットコインノードによって絶えず維持管理されている。
・各取引はこの集合から要素を消費し、新たな要素を作成して集合に追加する。ブロックチェーンに新しいブロックが受け入れられるたびに、UTXOセットは更新され、ネットワーク内のすべてのビットコインノードはローカルストレージに正確なUTXOのコピーを保持する。
・完全なUTXOセットを合計することで、任意の時点における暗号通貨の総供給量を算出できる。有効なブロックチェーン取引においては、未使用の出力のみがさらなる取引の資金源として使用可能である。二重支出や詐欺を防ぐために、未使用の出力だけが次の取引に使えるという条件は不可欠である。
UTXOモデルとイーサリアムアカウントモデルの違い
未使用取引出力（UTXO）は、ビットコインおよび他の暗号通貨の背後にある分散型データベース技術の一部である。ビットコインはUTXOを使用しているが、UTXOそのものではない。また、イーサリアムはアカウントベースの方式とアカウント残高を使用しており、イーサリアム仮想マシン（EVM）にはUTXOは存在しない。
UTXOの技術的重要性
・言語非依存のスマートコントラクト：UTXOに基づくスマートコントラクトは言語に依存せず、独自のコンセンサスメカニズムを開発することを可能にする。
・分散型取引所とアトミックスワップのサポート：UTXOモデルはアトミックスワップをサポートでき、第三者を介さずに直接的な暗号通貨の交換を実現する。UTXOのアトミックスワップ機能は、ユーザーのウォレット間での直接取引をより容易にする。
・スケーラビリティの優位性：並列処理が可能となり、ブロックチェーンネットワークの計算負荷を低減できる。
・プライバシーとセキュリティ：各UTXO取引は新しいアドレスを使用するため、取引の追跡が困難である。
・二重支出の防止：UTXOは一度しか使用できない。これはブロックチェーン技術の基本であり、同一の通貨が複数回使われることを防ぐ。
・柔軟性：法定通貨よりも高い柔軟性を提供する。
・シンプルな並列化：スマートコントラクト内での取引の並列処理をより簡便にする。
UTXOモデルは、ユーザーがその暗号通貨のすべての部分の所有権を追跡できるため、多くの暗号通貨で使用されている。暗号通貨は匿名性を念頭に置いて設計されているため、UTXOはネットワーク全体に公開されているパブリックアドレスに関連付けられている。
ユーザーが自身のアドレスを明かさない限り、所有者を通じてユーザーを特定することはできないが、このモデルはアドレスを通じた透明性を可能にする。
UTXOのユースケース応用――RGBのオフチェーン転送スキーム
RGBプロトコルの核心理念は、必要最小限の場合にのみビットコインブロックチェーンを呼び出すことであり、つまり作業証明（PoW）とネットワークの非中央集権性を利用して、二重支出の防止と検閲耐性を実現することである。すべてのトークン転送の検証作業はグローバルコンセンサス層から外され、オフチェーンに移され、支払いの受取人側のクライアントによってのみ検証される。
動作原理：
あるRGB契約において、創世トークンはすべてビットコインのUTXOに帰属しており（既存のものでも、一時的に作成されたものでもよい）、このトークンを転送するには、そのUTXOを使用しなければならない。このUTXOを使用する際、ビットコイン取引には追加の出力を含める必要があり、その出力にはメッセージのコミットメントが含まれる。このメッセージの内容こそがRGBの支払い情報であり、入力、どのUTXOにトークンを送るか、アセットID、数量、使用する取引、および付加すべきデータなどを定義する。
まとめ
UTXOの本質は、一種の流れ帳簿記にある。UTXOモデルを通じて、取引資金の存在を検証し、その取引の起源を遡って確認したうえで、コンセンサスメカニズムを通じて全ネットワークにブロードキャストし、チェーン上に記録する。このプロセス全体で、UTXOは関係するアカウントの資金、取引アドレス、送金額、資金源などの情報をすべて記録するため、各取引の最初の出所を追跡できる。まさにこの特性により、UTXOはコンセンサスメカニズムとともに二重支出問題を解決できる。RGBプロトコルの取引情報の安全性と完全性は、UTXOによって確保されている。
総じて、UTXOはコンセンサスメカニズムを支援し、ブロックチェーンの二重支出問題を解決するだけでなく、ブロックチェーンにトレーサビリティという特性を与える。ブロックチェーンはこの基盤の上に立ち、すべての取引の真実性と信頼性を保証することができる。
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