前回は非常にシンプルな、２つのブロックをハッシュ値でつなぐブロックチェーンを作りました。
Pythonのクラスやインスタンス（オブジェクト指向）の復習にもなるので、ぜひ見てみてください。
ですが、さすがにこれだけではブロックチェーンとは呼べませんので、今回は Proof of Work（PoW）を実装し、なぜブロックの改ざんが困難になるのかをコードレベルで確認していきます。
また、それに伴って、マイニングやタイムスタンプ、その他もろもろ（ハッシュの難易度調整、個数調整）を追加しました。
Contents
完成品コード
以下が、今回の実装をすべて含んだ完成形のコードです。
import hashlib
import time
class Block:
def __init__(self, data, previous_hash, nonce, hash, timestamp):
self.data = data
self.previous_hash = previous_hash
self.nonce = nonce
self.hash = hash
self.time = timestamp
def calculate_hash(self):
content = self.data + self.previous_hash + str(self.nonce) + str(self.time)
hash = hashlib.sha256(content.encode()).hexdigest()
return hash
class Blockchain:
def __init__(self):
self.chain = []
self.difficulty = int(input("Difficulty: "))
self.max_block = int(input("Number of blocks: "))
print(f"\n--------------------\n")
genesis_block = self.create_genesis_block()
self.chain.append(genesis_block)
for i in range(1, self.max_block + 1):
self.add_block(f"block {i}")
#ハッシュ関数
def hash_block(self, data, previous_hash, nonce, timestamp):
content = data + previous_hash + str(nonce) + str(timestamp)
hash = hashlib.sha256(content.encode()).hexdigest()
return hash
#ジェネシスブロックの作成
def create_genesis_block(self):
genesis = self.mine_block("genesis", "0")
return Block("genesis", "0", genesis["nonce"], genesis["hash"], genesis["timestamp"])
#マイニング作業
def mine_block(self, data, previous_hash):
nonce = 0
attempts = 0
target = '0' * self.difficulty
start_time = time.time()
timestamp = time.time()
while True:
attempts += 1
hash = self.hash_block(data, previous_hash, nonce, timestamp)
if hash.startswith(target):
break
nonce += 1
end_time = time.time()
elapsed_time = end_time - start_time
result = {
"nonce": nonce,
"hash": hash,
"timestamp": timestamp,
"elapsed_time": elapsed_time,
"attempts": attempts
}
return result
#２つ目以降のブロック追加
def add_block(self, data):
previous_hash = self.chain[-1].hash
mine_result = self.mine_block(data, previous_hash)
block_number = len(self.chain)
nonce = mine_result["nonce"]
hash = mine_result["hash"]
timestamp = mine_result["timestamp"]
elapsed_time = mine_result["elapsed_time"]
attempts = mine_result["attempts"]
new_block = Block(data, previous_hash, nonce, hash, timestamp)
self.chain.append(new_block)
print(f"[Block {block_number} mined]\ndata: {data}\nnonce: {nonce}\nhash: {hash}\ntimestamp: {time.ctime(timestamp)}\ntime: {elapsed_time}\nattempts: {attempts}\n")
print(f"--------------------\n")
#チェーン検証
def is_chain_valid(self):
for i in range(1, len(self.chain)):
current_block = self.chain[i]#現在のBlock
previous_block = self.chain[i-1]#一つ前のBlock
if current_block.previous_hash == previous_block.hash:
if (previous_block.time <= current_block.time) and (current_block.time <= previous_block.time + 100):
if current_block.hash == current_block.calculate_hash():
target = '0' * self.difficulty
if current_block.calculate_hash().startswith(target):
continue
else:
return False
else:
return False
else:
return False
else:
return False
return True
bc = Blockchain()
print("initial chain valid?:", bc.is_chain_valid())だいぶ「ブロックチェーン」になってきたのではないでしょうか！
解説
このコードは、ざっくり見ると以下のような構成になっています。
class Block
def __init__
def calculate_hash
class Blockchain
def __init___
def hash_block
def create_genesis_block
def mine_block
def add_block
def is_chain_valid
それぞれ見ていきましょう。
とその前に、まずはハッシュ関数と、時間のライブラリをインポートします。
import hashlib
import timeBlockクラス
このクラスで、一つのブロックのインスタンスを作成できるようにします。
基本的には、やっていることはシンプルで、情報の保存だけです。
インスタンス作成時に、引数としてデータや一つ前のブロックのハッシュ値、ナンス、自らのハッシュ値、タイムスタンプを受け取り、それらを保存します。
class Block:
def __init__(self, data, previous_hash, nonce, hash, timestamp):
self.data = data
self.previous_hash = previous_hash
self.nonce = nonce
self.hash = hash
self.time = timestampそれに加えて、後で楽になるので、こいつ自身にもハッシュする関数を入れておきます。
def calculate_hash(self):
content = self.data + self.previous_hash + str(self.nonce) + str(self.time)
hash = hashlib.sha256(content.encode()).hexdigest()
return hashこれだけになります。
メインはすべてBlockchainクラスに入っています。
Blockchainクラス
まず、それぞれがどのような役割を分担しているのか確認しましょう。
class Blockchain
def __init___
#チェーンのリストの作成・ハッシュ難易度と個数調整・ブロックを作る司令を出す。
def hash_block
#メインで使うハッシュ関数
def create_genesis_block
#ジェネシスブロックの作成(mine_blockを使用)
def mine_block
#マイニング機構▶条件にあうハッシュ値になるまでナンスを探索する
def add_block
#二回目以降のブロックの作成・追加(mine_blockを使用)、結果の表示
def is_chain_valid
#前後ハッシュ値の照合、時間をチェック、ハッシュの再計算によるチェックこのようになっております。
__init__とハッシュ関数
まず、Blockchainインスタンスが作成されたら、self.chainというリストを作ります。ここにブロックを入れていきます。
それから難易度（ハッシュ値の最初に0が何個並ぶか）と生成するブロックの個数をinputで取得します。
def __init__(self):
self.chain = []
self.difficulty = int(input("Difficulty: "))
self.max_block = int(input("Number of blocks: "))
print(f"\n--------------------\n")
genesis_block = self.create_genesis_block()
self.chain.append(genesis_block)
for i in range(1, self.max_block + 1):
self.add_block(f"block {i}")
def hash_block(self, data, previous_hash, nonce, timestamp):
content = data + previous_hash + str(nonce) + str(timestamp)
hash = hashlib.sha256(content.encode()).hexdigest()
return hashそのあとは、create_genesis_blockを呼び出して、genesis_blockを作成します。それを先程のリストに入れます。
これが最初のブロックです。
そのあとは、最初のinputの値に応じて、forループでブロックを追加していきます。
二回目以降は、データとしてf”block {i}:を使用しています。つまり3つめのブロックなら、”block 3″ですね。
hash_block関数は、データ、一つ前のハッシュ値、ナンス、タイムスタンプ（ブロック生成時のもの）を引数として受け取ります。
それらをstringとして足し合わせて、SHA-256でハッシュした値を返します。
ジェネシスブロック(create_genesis_block)
次に、ジェネシスブロックの生成の関数があります。
def create_genesis_block(self):
genesis = self.mine_block("genesis", "0")
return Block("genesis", "0", genesis["nonce"], genesis["hash"], genesis["timestamp"])これは、まず呼び出されたときにデータを”genesis”、previous_hashを0としてself.mine_block関数に渡して、マイニングしてもらいます。
見つかった結果をgenesisとして保存します。
これは以下のような辞書形式で返ってきます。
result = {
"nonce": nonce,
"hash": hash,
"timestamp": timestamp,
"elapsed_time": elapsed_time,
"attempts": attempts
}上から見つかったナンス（調整値）、ハッシュ値、タイムスタンプ（エポック秒）、経過時間、試行回数です。
Blockインスタンスの作成にはdata, previous_hash, nonce, hash, timestampがそれぞれ必要ですから、
Block("genesis", "0", genesis["nonce"], genesis["hash"], genesis["timestamp"])のようにして、ジェネシスブロックを作成します。
データは”genesis”、前のブロックのハッシュ値は0、ナンス、ハッシュ値、タイムスタンプを渡します。
そうして得られたBlockを返します。
こうして得られた値を、__init__で、リストに追加します。
self.chain.append(genesis_block)これで、ジェネシスブロックの完成です！
マイニング(mine_block)
次に、今回追加した、Proof of Work（PoW）を使ったマイニングを行う関数です。
ここはとても楽しいところです。
そもそもPoWとは、データにナンスと呼ばれる任意の数字を加えて、それをハッシュした値の先頭に指定された個数の0が並べば、それが認められるというものです。
この関数は、その条件に合ったときのナンスやハッシュ値、時間などを辞書形式にし、返します。
ナンスはnonce、指定する先頭の0の個数がdifficultyです。
def mine_block(self, data, previous_hash):
nonce = 0
attempts = 0
target = '0' * self.difficulty
start_time = time.time()
timestamp = time.time()
while True:
attempts += 1
hash = self.hash_block(data, previous_hash, nonce, timestamp)
if hash.startswith(target):
break
nonce += 1
end_time = time.time()
elapsed_time = end_time - start_time
result = {
"nonce": nonce,
"hash": hash,
"timestamp": timestamp,
"elapsed_time": elapsed_time,
"attempts": attempts
}
return result ナンスを0、試行回数を0に初期化します。
targetは、0をdifficulty個かけたものです。difficultyが5ならば”00000″です。
ナンスを加えてハッシュした結果が、targetで始まれば、そのナンスで決定です。
経過時間計測用のstart_timeと、timestampも定義します。
ここから、マイニングの作業を定義していきます。
while True:
hash = self.hash_block(data, previous_hash, nonce, timestamp)
if hash.startswith(target):
break
nonce += 1
attempts += 1whileループを用いて、ハッシュを何度も何度も試行します。
ナンス=0から始めて、だめなら+1して再挑戦、だめなら+1して再挑戦を繰り返します。(attemptsも、この回数を記録します）
そして、多くの試行を経て条件に合うものが見つかったら、breakします。
その後は以下のように処理されます。
end_time = time.time()
elapsed_time = end_time - start_time
result = {
"nonce": nonce,
"hash": hash,
"timestamp": timestamp,
"elapsed_time": elapsed_time,
"attempts": attempts
}
return result 終了時間を記録し、終了時間から開始時間を引くことで、処理にかかった時間を算出します。
resultという辞書にまとめてこれらの結果を入れ、それを返します。
今回は実際のBitcoinのブロックチェーンに基づいて、時間もハッシュの対象に含めています。
これにより（取引）時間も改ざん不可能となりました。
各ブロックは timestamp を含む完全再計算可能な hash を持つのです。
以上が簡易的ですが、マイニングの実装になります。
ブロックの追加(add_block)
ここでは、ジェネシスブロックを除いた、ブロックの追加作業を行っていきます。
具体的には、まずマイニングの指令を先程のマイニング関数に出して、必要な情報をかき集めて、それを使ってBlockのインスタンスを作成します。
完成形は以下のようになります。
def add_block(self, data):
previous_hash = self.chain[-1].hash
block_number = len(self.chain)
#マイニングを行う
mine_result = self.mine_block(data, previous_hash)
#マイニングの結果より
nonce = mine_result["nonce"]
hash = mine_result["hash"]
timestamp = mine_result["timestamp"]
elapsed_time = mine_result["elapsed_time"]
attempts = mine_result["attempts"]
#ブロック作成
new_block = Block(data, previous_hash, nonce, hash, timestamp)
self.chain.append(new_block)
#作成されたブロックの内容をprint
print(f"[Block {block_number} mined]\ndata: {data}\nnonce: {nonce}\nhash: {hash}\ntimestamp: {time.ctime(timestamp)}\ntime: {elapsed_time}\nattempts: {attempts}\n")
print(f"--------------------\n")マイニングに必要なのはデータと一つ前のブロックのハッシュ値ですから、
mine_result = self.mine_block(data, previous_hash)のようにすることで、マイニングの結果（辞書）を取得することができます。
それらをわかりやすくするために変数に代入し、↓
nonce = mine_result["nonce"]
hash = mine_result["hash"]
timestamp = mine_result["timestamp"]
elapsed_time = mine_result["elapsed_time"]
attempts = mine_result["attempts"]ブロックを作成してチェーンリストに追加します。
new_block = Block(data, previous_hash, nonce, hash, timestamp)
self.chain.append(new_block)あとは結果をわかりやすく表示すれば完成です。
このような形式でターミナルに表示されます。
--------------------
[Block 1 mined]
data: block 1
nonce: 1375971
hash: 000005c808a2a8cfc9d1707c4511d2db4467efaebb371af15e901b8645f613d3
timestamp: Mon Feb 2 21:47:30 2026
time: 1.0131967067718506
attempts: 1375971
--------------------これで肝心な動く部分は完成です！
チェーン検証(is_chain_valid)
ここでは以下３つの観点から、ブロックチェーンの正しさをチェックしています。
- ブロック同士のハッシュの繋がり
- タイムスタンプの関係
- PoWにおけるナンスも含めたハッシュ値の整合
この３点です。
これを一段階具体的なロジックにすると、(4段階)
- 現在のブロックに保存されている「一つ前のブロックのハッシュ値」と、一つ前のブロックのハッシュ値が同値である
- 現在のブロックの作成された時間が、一つ前のブロックの作成された時間よりも遅い
かつ
現在のブロックの作成された時間が、一つ前のブロックが作成されてから〇〇秒以内になっている - 保存された現在のブロックのハッシュ値が、計算した結果と同値である
- 現在のブロックのハッシュ値を計算し、それが指定された数の0で始まる
ということになります。
本実装では簡略化のため、ブロック生成間隔の上限を100秒とハードコードします。
擬似コードにすると、
もしcurrent_block.previous_hash == previous_block.hashならOK
↓次に進む
もし(previous_block.time <= current_block.time) and (current_block.time <= previous_block.time + 100)ならOK
↓次に進む
もしcurrent_block.hash == current_block.calculate_hash()ならOK
↓次に進む
target = '0' * self.difficulty
もしcurrent_block.calculate_hash().startswith(target)ならOK
↓
完了となります。
これをブロックごとにループで回しますので、最終的にコードは以下のようになります。
def is_chain_valid(self):
#ブロックごとにループ
for i in range(1, len(self.chain)):
current_block = self.chain[i] #現在のBlock
previous_block = self.chain[i-1] #一つ前のBlock
#①
if current_block.previous_hash == previous_block.hash:
#②
if (previous_block.time <= current_block.time) and (current_block.time <= previous_block.time + 100):
#③
if current_block.hash == current_block.calculate_hash():
target = '0' * self.difficulty
#④
if current_block.calculate_hash().startswith(target):
continue
else:
return False
else:
return False
else:
return False
else:
return False
return Trueここで、Blockクラス自身のハッシュ関数を使っています。
チェーンがうまくいっていれば、Trueを返します。
実行
bc = Blockchain()
print("initial chain valid?:", bc.is_chain_valid())bcというBlockchainクラスのインスタンスを作成します。
is_chain_validの結果を表示するようにします。
実行結果は以下のようになります。
難易度6のブロック個数5と入力しました。
Difficulty: 6
Number of blocks: 5
--------------------
[Block 1 mined]
data: block 1
nonce: 19045810
hash: 000000bc15dfaf59dbc8f62eb688b20e4edcfa53bc092687fd6c2512c29f0f95
timestamp: Tue Feb 3 10:09:02 2026
time: 13.969925880432129
attempts: 19045811
--------------------
[Block 2 mined]
data: block 2
nonce: 19282913
hash: 0000008c88f0dab0ae6430d842fc4fff208e6b36c3bf513c3497c9d8fc9ea61e
timestamp: Tue Feb 3 10:09:16 2026
time: 14.559286117553711
attempts: 19282914
--------------------
[Block 3 mined]
data: block 3
nonce: 29935602
hash: 0000003c8c2aa0014275ed9e559d7fb9856769a679c2f95ca3aa9df81dffbfc0
timestamp: Tue Feb 3 10:09:30 2026
time: 22.947882890701294
attempts: 29935603
--------------------
[Block 4 mined]
data: block 4
nonce: 1030480
hash: 0000000dc1d9be902c11fb8c2938585a44e036548c65594eb62161a529eea927
timestamp: Tue Feb 3 10:09:53 2026
time: 0.8383839130401611
attempts: 1030481
--------------------
[Block 5 mined]
data: block 5
nonce: 10172800
hash: 0000003659f70afdf16476c33731135c8e29ba4b98aed737ecb3c36d79d7b08c
timestamp: Tue Feb 3 10:09:54 2026
time: 7.655301094055176
attempts: 10172801
--------------------
initial chain valid?: True以上で完成です！お疲れ様でした。
おわりに
自分でブロックチェーンを書いて、着々と仕組みを深く理解していくのが、本当に楽しくなってきました。
ここまで自力で書ける自分にも驚いています。
時間を忘れてやってしまいます笑
次はこの愛着のある自作ブロックチェーンを使って、数値をいじくって観察したいと思います。
今後はこの実装を使って、以下のような実験を行う予定です。
- difficulty と attempts の関係の統計分析
- ブロック生成時間の分布の可視化
- nonce をランダム初期化した場合の偏り検証
- difficulty を途中で変更した場合の fork 実験
以上です！