研究 | PathLog

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。 https://pathlog.jp/2026/02/01/%e3%83%96%e3%83%ad%e3%83%83%e3%82%af%e3%83%81%e3%82%a7%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%92python%e3%81%a71%e3%81%8b%e3%82%89%e6%9b%b8%e3%81%84%e3%81%a6%e3%81%bf%e3%81%9f/ 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。 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 = &#91;] 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&#91;"nonce"], genesis&#91;"hash"], genesis&#91;"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&#91;-1].hash mine_result = self.mine_block(data, previous_hash) block_number = len(self.chain) nonce = mine_result&#91;"nonce"] hash = mine_result&#91;"hash"] timestamp = mine_result&#91;"timestamp"] elapsed_time = mine_result&#91;"elapsed_time"] attempts = mine_result&#91;"attempts"] new_block = Block(data, previous_hash, nonce, hash, timestamp) self.chain.append(new_block) print(f"&#91;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&#91;i]#現在のBlock previous_block = self.chain&#91;i-1]#一つ前のBlock if current_block.previous_hash == previous_block.hash: if (previous_block.time &lt;= current_block.time) and (current_block.time &lt;= 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 time Block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 = &#91;] 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&#91;"nonce"], genesis&#91;"hash"], genesis&#91;"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&#91;"nonce"], genesis&#91;"hash"], genesis&#91;"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 += 1 while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&#91;-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&#91;"nonce"] hash = mine_result&#91;"hash"] timestamp = mine_result&#91;"timestamp"] elapsed_time = mine_result&#91;"elapsed_time"] attempts = mine_result&#91;"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"&#91;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&#91;"nonce"] hash = mine_result&#91;"hash"] timestamp = mine_result&#91;"timestamp"] elapsed_time = mine_result&#91;"elapsed_time"] attempts = mine_result&#91;"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。 -------------------- &#91;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 &lt;= current_block.time) and (current_block.time &lt;= 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&#91;i] #現在のBlock previous_block = self.chain&#91;i-1] #一つ前のBlock #① if current_block.previous_hash == previous_block.hash: #② if (previous_block.time &lt;= current_block.time) and (current_block.time &lt;= 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 -------------------- &#91;Block 1 mined] data: block 1 nonce: 19045810 hash: 000000bc15dfaf59dbc8f62eb688b20e4edcfa53bc092687fd6c2512c29f0f95 timestamp: Tue Feb 3 10:09:02 2026 time: 13.969925880432129 attempts: 19045811 -------------------- &#91;Block 2 mined] data: block 2 nonce: 19282913 hash: 0000008c88f0dab0ae6430d842fc4fff208e6b36c3bf513c3497c9d8fc9ea61e timestamp: Tue Feb 3 10:09:16 2026 time: 14.559286117553711 attempts: 19282914 -------------------- &#91;Block 3 mined] data: block 3 nonce: 29935602 hash: 0000003c8c2aa0014275ed9e559d7fb9856769a679c2f95ca3aa9df81dffbfc0 timestamp: Tue Feb 3 10:09:30 2026 time: 22.947882890701294 attempts: 29935603 -------------------- &#91;Block 4 mined] data: block 4 nonce: 1030480 hash: 0000000dc1d9be902c11fb8c2938585a44e036548c65594eb62161a529eea927 timestamp: Tue Feb 3 10:09:53 2026 time: 0.8383839130401611 attempts: 1030481 -------------------- &#91;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！

研究

自作PoWブロックチェーンでdifficultyとattemptsを実験する

PoWを使った簡易ブロックチェーンをpythonで実装