ブロックチェーンのデータ構造

台帳を「鎖」として捉える

ブロックチェーンは、名前のとおりブロックを鎖状につないだデータ構造です。要点は、ブロックそのものよりつなぎ方にあります。データベース（/database/）の行を後から UPDATE できるのとは対照的に、ブロックチェーンは一度確定したデータを構造的に書き換え不能にします。しかも「監査ログを別途取って後で照合する」のではなく、改ざんがあればハッシュ値の不整合として即座に露見するよう、データ構造自体に検知能力が埋め込まれています。

本記事では、(1) 前ブロックハッシュによる連結、(2) 連結がなぜ改ざんを検知できるか、(3) ブロック内部をまとめるマークルルートの役割、(4) 全体を貫く追記専用（append-only）という設計思想、の順に原理を追います。合意形成（誰がブロックを追加してよいか）は/devops/の合意アルゴリズムの領分なので、ここではデータ構造そのものに焦点を絞ります。

ブロックの構造とヘッダ

1つのブロックは大きくヘッダと**本文（トランザクション群）**に分かれます。連結を担うのはヘッダです。ビットコインを例に、ヘッダに含まれる代表的なフィールドを挙げます。

重要なのは、ブロックのIDそのものがヘッダのハッシュである点です。ブロックハッシュは H(ヘッダ) として計算され、ヘッダには前ブロックハッシュとマークルルートが含まれます。つまりブロックハッシュは、**そのブロックの本文（マークルルート経由）と、それ以前の全履歴（前ブロックハッシュ経由）**の両方を要約した値になります。

BlockHash(n) = H( Header(n) )

Header(n) = { prevHash: BlockHash(n-1),
              merkleRoot: MerkleRoot(本文のTx群),
              timestamp, nonce, ... }

（上の { ... } はヘッダの構成要素を示す擬似表記です。）

前ブロックハッシュによる連結

各ブロックのヘッダは、直前のブロックヘッダのハッシュを prevHash として保持します。これにより、ブロックは新しい方から古い方へ一方向にたどれる逆向きの単方向リストを形成します。先頭は特別な**創世ブロック（genesis block）**で、prevHash を持たない（またはゼロで固定された）起点です。

[Genesis] ← [Block1] ← [Block2] ← ... ← [Block n]
   ↑ prevHash=0   ↑ prevHash          ↑ prevHash=H(Header n-1)

ここで矢印は prevHash が指し示す向きです。ポインタが値ではなく**ハッシュ（内容そのものの要約）**である点が普通の連結リストと決定的に違います。通常のポインタは「どこにあるか（アドレス）」しか示しませんが、ハッシュポインタは「どこにあり、かつ中身が何であるべきか」を同時に固定します。参照先の中身が1ビットでも変われば、ハッシュ値が変わり、参照が食い違うのです。

改ざんが構造的に露見する理由

いま攻撃者が過去の Block k の本文（あるトランザクションの金額など）を書き換えたいとします。連鎖して何が起きるかを追います。

つまり、たった1バイトの改ざんがその地点から末尾まで全ブロックのハッシュを無効化します。雪崩効果により部分修正では辻褄が合わず、Block k を書き換えた者は k から最新ブロックまでをすべて再構築しない限り、正当な鎖を提示できません。

この「末尾の1ハッシュが全履歴を封印する」性質は、ハッシュ関数を連結して過去を固定するハッシュチェーンそのものであり、追記専用ログの改ざん検知（タイムスタンプ、監査ログ）と同じ原理です。

マークルルートの役割

ブロック本文には数百〜数千のトランザクションが入りえます。これらをそのまま連結してハッシュしてもヘッダに1個の要約は作れますが、それでは「特定のトランザクションがこのブロックに含まれる」ことを、本文全体を持たずに検証することができません。ここで**マークル木（ハッシュ木）**を使います。

各トランザクションのハッシュを葉に置き、隣り合う2つを連結してハッシュする操作を、ノードが1つ（=マークルルート）になるまで繰り返します。この根だけをヘッダに入れます。

H = ハッシュ関数

葉:   L0=H(Tx0)   L1=H(Tx1)   L2=H(Tx2)   L3=H(Tx3)
中間:      N01=H(L0 || L1)        N23=H(L2 || L3)
根:              MerkleRoot = H(N01 || N23)

マークルルートをヘッダに含める効果は2つです。

たとえば Tx0 がブロックに含まれることは、L1 と N23 の2つの兄弟ハッシュ（authentication path）だけ渡せば、検証者が H(H(L0 || L1) || N23) を計算してヘッダ内のマークルルートと突き合わせることで確認できます。全トランザクションをダウンロードせずヘッダだけ持つ**軽量クライアント（SPV, Simplified Payment Verification）**が成立するのは、この O(log N) 証明のおかげです。

追記専用（append-only）という思想

以上を貫くのは、台帳が追記専用である、という設計思想です。既存ブロックの上書きも削除も行わず、常に末尾へ新しいブロックを足すだけ。前ブロックハッシュとマークルルートは、この一方向性を暗号で強制する装置です。

この帰結として、ブロックチェーンが保持するのは「口座の現在残高」のような最新スナップショットではなく、創世ブロックからの全トランザクション履歴です。ある時点の状態は、履歴を先頭から順に適用（再生）することで導かれます。

この構造は目新しい発明というより、追記専用ログ（データベースの WAL やイベントソーシング）にハッシュチェーンによる改ざん検知と分散合意を組み合わせたものと見ると位置づけやすくなります。上書きを捨てて全履歴を残す代償に、過去を書き換えれば必ずばれるという強い完全性を得ているわけです。

まとめ

• ブロックチェーンは、各ヘッダに前ブロックハッシュを持たせて連結したハッシュチェーン。ブロックのIDはヘッダのハッシュ自体で、本文と全履歴の両方を要約する。
• 過去ブロックを1バイト改ざんすると、マークルルート→ブロックハッシュ→次ブロックの prevHash 不整合と波及し、その地点から末尾まで全ブロックのハッシュが無効化される。だから改ざんは隠せず、構造的に検知される。
• マークルルートは本文全トランザクションを1ハッシュへ畳み、ヘッダに固定する。本文完全性の担保に加え、**O(log N) の包含証明（SPV）**を可能にする。実装では葉と内部ノードのプレフィックス分離が必須。
• 全体を貫くのは**追記専用（append-only）**の思想。上書き・削除をせず全履歴を残し、各時点の状態は履歴の再生で導く。過去を書き換えれば必ずばれる、という完全性が本質。