ブロックチェーン 3 - データベースとブロックチェーンの違い

1. データベースの基本

1. データベースの定義と目的

リンクをクリックして記事を参照し、次の 2 つの点について学習してください。
データベース 1 — データベースの基礎 · データベースの概要と基本概念

1. データベースの基本概念
1. アプリケーションにおけるデータベースの役割と重要性

2. データベース管理システム（DBMS）の概要

リンク 1 をクリックして記事を参照し、ポイント 1:
データベース 1 - データベースの基礎・データベースの概要と基本概念を理解してください。

ポイント 2 を理解するには、リンク 2 をクリックして記事を参照してください。リンク 2.1 は学習サプリメントです:
データベース 2 - データベースの基礎・リレーショナルデータベースと SQL
データベース 2.1 - リレーショナルデータベースと SQL の知識のサプリメント - 詳細版

1. DBMSの役割と機能
1. 一般的なデータベース管理システム (MySQL、PostgreSQL、Oracle など) の概要

3. リレーショナルデータベースと非リレーショナルデータベース

ポイント 1 を理解するには、リンク 2 をクリックして記事を参照してください。リンク 2.1 は補足学習用です:
データベース 2—データベースの基礎・リレーショナルデータベースと SQL
データベース 2.1—リレーショナルデータベースと SQL の知識の補足—洗練版

ポイント 2:データベース 7 - 非リレーショナルデータベースを理解するには、リンク 7 をクリックして記事を参照してください。

1. リレーショナルデータベースの特徴と適用シナリオ
1. 非リレーショナルデータベース（NoSQL）のメリット・デメリットの分類と比較

2. ブロックチェーンの基礎

リンク 7 をクリックして記事を参照し、ポイント a、b、c を理解してください: (そのうち、ブロックチェーンの分散化と集中型データベースの比較については後で説明します) ブロック
チェーン 1 - ブロックチェーンの基本概念

a. ブロックチェーンの定義と用途

ブロックチェーンの基本概念
さまざまな業界でのブロックチェーンの応用

b. ブロックチェーンの基本原則

ブロック、チェーン、分散化の概念分析
コンセンサスアルゴリズムと分散会計

c. ブロックチェーンの分散化特性

ブロックチェーンの分散化と集中型データベースの比較
ブロックチェーンの利点と限界

3. データの保存方法

1. データベースのデータ保存方法

1.1 テーブル、インデックス、ビューの保存方法

テーブル:行と列の形式で編成されたデータベース内の基本的な記憶単位。テーブルのデータはディスクに保存され、クエリ言語を介して取得できます。
インデックス:データベース内のデータの取得を高速化するために使用されます。インデックスは、本の目次に似たデータ構造であり、データを迅速に見つけるのに役立ちます。
ビュー:仮想テーブルは、テーブルまたは他のビューのクエリ結果を視覚的に表示します。ビュー自体はデータを保存しませんが、動的に生成されます。

1.2 データベースの物理的な記憶構造

データファイル:実際のデータがテーブル形式で含まれるファイル。
ログファイル:システムクラッシュが発生した場合にデータベースを回復できるように、データベースへの変更を記録します。
インデックスファイル:データの取得を高速化するためにインデックスデータを保存するファイル。

2. ブロックチェーンの分散台帳ストレージ

2.1 ブロックチェーン内でデータがどのように編成されるか

ブロック:データはブロックに保存され、各ブロックには一定数のトランザクションレコードが含まれます。
チェーン構造:ブロックはハッシュを介してリンクされてチェーン構造を形成し、データの改ざん不可能性が保証されます。
分散ストレージ:データは単一サーバーに集中的に保存されるのではなく、ネットワーク全体のノードに分散されます。

2.2 分散台帳の安全性と信頼性

コンセンサスアルゴリズム:ブロックチェーンはコンセンサスアルゴリズムを使用して、分散ネットワーク上のノードが台帳のステータスに同意していることを確認します。
暗号化技術:データは暗号化技術を使用してブロックチェーンに保存され、セキュリティが向上します。
分散化された信頼性:データは複数のノードに保存されるため、システムの攻撃耐性と耐障害性が向上します。

3. 違いとつながり

接続する：
- データベースとブロックチェーンはどちらもデータの保存と管理に使用されるテクノロジーです。
- どちらもデータの整理と検索の機能を備えています。
違い：
- 集中化と分散化:データベースは集中化されていますが、ブロックチェーンは分散化されています。
- 改ざん性:ブロックチェーンはハッシュとコンセンサスメカニズムを通じてデータの不変性を保証しますが、データベースは単一障害点や攻撃に対してより脆弱になる可能性があります。
- リアルタイム:通常、データベースはリアルタイムの更新とクエリを必要とするシナリオにより適していますが、ブロックチェーンデータの更新にはある程度の時間がかかる場合があります。

4. データの整合性とトランザクション処理

1. ACID 属性 (データベース)

1.1 ACID属性の説明

アトミック性:トランザクション内のすべての操作は成功するか失敗します。トランザクションは、分割できない最小の作業単位です。
整合性:トランザクションの実行後、データベースはある整合性状態から別の整合性状態に変化します。トランザクションの実行結果は、定義されたデータベースルールに準拠する必要があります。
分離:複数のトランザクションが同時に実行される場合、各トランザクションの実行は他のトランザクションによって干渉されません。各トランザクションは、システムの唯一のユーザーであるかのように感じられます。
耐久性:トランザクションがコミットされると、その結果は永続的であり、システムに障害が発生した場合でも回復できます。

1.2 取引の概念と特徴

トランザクション:一連のデータベース操作であり、すべて実行されるか、すべてロールバックされます。トランザクションには、原子性、一貫性、分離性、耐久性という特徴があります。
特性：
- 1. 原子性:原子性とは、トランザクション内のすべての操作が正常に実行されるか、失敗した場合はロールバックされることを意味します。これは「分割できない」プロパティであり、トランザクション内のすべての操作が同時に成功するか、同時に失敗することを意味します。トランザクションの実行中にエラーが発生した場合、システムは実行されたすべての操作を自動的に元に戻し、データベースはトランザクションの開始前の状態にロールバックされます。
- 1. 一貫性: 一貫性を実現するには、トランザクションがデータベースをある一貫性状態から別の一貫性状態に変換する必要があります。データベースは、トランザクションの開始前と終了後に一貫性を維持する必要があります。これは、トランザクションの実行結果が、一意性制約や外部キー制約などのデータベースの整合性制約を満たす必要があることを意味します。
- 1. 分離:分離とは、複数のトランザクションが互いに干渉することなく同時に実行できることを意味し、各トランザクションは他のトランザクションの操作から分離されます。トランザクションの分離は同時実行制御メカニズムによって実現され、複数のトランザクション間のデータ競合や競合を防ぎ、データベースの一貫性を確保します。
- 1. 耐久性: 耐久性では、トランザクションがコミットされると、データベースへの変更が永続的であり、システムに障害が発生した場合でも失われないことが必要です。データベースシステムは、トランザクションの変更をディスクに永続的に書き込むことで耐久性を実現します。システムのクラッシュや再起動の後でも、データベースはトランザクションがコミットされた後の状態に回復できる必要があります。

2. ブロックチェーンの一貫性メカニズム

2.1 コンセンサスアルゴリズムが一貫性に及ぼす影響

コンセンサスアルゴリズム:ブロックチェーン内のノードは、コンセンサスアルゴリズムを通じて合意に達します。たとえば、Proof of Work (PoW) と Proof of Stake (PoS) は一般的なコンセンサスアルゴリズムです。
一貫性:コンセンサスアルゴリズムにより、ネットワーク内のすべてのノードがブロックチェーンの状態に同意するようになり、二重支出などの問題が防止されます。

二重支出問題の説明:
二重支出問題とは、同じ資産がデジタル通貨または暗号通貨取引で複数回支出される状況を指します。従来の集中型システムでは、口座残高を管理し、取引を処理する中央当局があり、集中型当局が二重支出を防止できるため、二重支出の問題が発生する可能性は低くなります。しかし、分散システムや分散型ブロックチェーンでは中央組織が存在しないため、二重支出問題を解決するにはコンセンサスアルゴリズムが必要となります。

コンセンサスアルゴリズムは、ネットワーク内のノードがトランザクションの有効性について合意することを保証し、アカウントが同じアセットを異なるノードに同時に送信することを防ぎます。コンセンサスアルゴリズムを通じて、ネットワーク内のノードはトランザクションレコードの一貫した順序に達することができるため、二重支払いの問題の発生を回避できます。これは、すべてのノードがトランザクションの特定のシーケンスに同意し、検証されたトランザクションのみがブロックチェーンに追加され、一意で不変のトランザクション履歴が保証されることを意味します。

2.2 ブロックチェーンにおけるトランザクション処理方式

ブロックチェーントランザクション:ブロックチェーン内のトランザクションは、複数の操作を 1 つのブロックにパッケージ化することによって実行されます。このブロックはコンセンサス後にチェーンに追加されます。
分散型機能:ブロックチェーンの分散型機能により、トランザクションがネットワーク全体に伝播および検証され、セキュリティと信頼性が確保されます。

3. 違いとつながり

接続する：
- ACID プロパティとブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムは両方とも、システムの一貫性を維持するよう努めます。
- トランザクションの概念は両方に存在し、どちらもデータ変更の原子性を強調しています。
違い：
- 集中化と分散化:通常、データベースは集中化され、中央サーバーによって管理されます。ブロックチェーンは分散型であり、中央制御機関がありません。
- コンセンサスメカニズム:データベースはトラストセンターと複雑な権限管理に依存しますが、ブロックチェーンはコンセンサスアルゴリズムを使用して中央機関を必要とせずにコンセンサスに達します。
- プライバシーと透明性:ブロックチェーンは透明性を高めますが、プライバシーの一部が犠牲になる可能性があります。

5. データアクセス制御とプライバシー

1. データベースの権限管理

1.1 ユーザー権限とロール権限の管理

ユーザー権限:データベースはユーザーアカウントを通じて管理され、各ユーザーにはデータの読み取り、書き込み、変更、削除の権限などの特定の権限が割り当てられます。ユーザーは個人またはアプリケーションになります。
ロールのアクセス許可: アクセス許可の管理を簡素化するために、データベースは通常、ロールの概念をサポートします。管理者はロールに権限を割り当て、ユーザーにロールを付与できます。これにより、多数のユーザーの管理が容易になります。

1.2 データの暗号化とアクセス制御

データ暗号化:データベースは暗号化テクノロジーを使用してデータのプライバシーを保護できます。これには、データの暗号化された保存と送信時の暗号化が含まれます。
アクセス制御:データベースシステムは通常、アクセスルールとポリシーを設定して、許可されたユーザーのみが機密データにアクセスできるようにすることで、きめ細かいアクセス制御を提供します。

2. ブロックチェーン上の分散型本人確認

2.1 公開鍵および秘密鍵システムと本人確認

公開キーと秘密キーのシステム:ブロックチェーン内のユーザーは、身元確認に公開キーと秘密キーを使用します。公開キーは公開共有に使用され、秘密キーはユーザーの秘密 ID として機能します。
認証:ユーザーは、トランザクションを実行したりブロックチェーン上のデータにアクセスしたりするために、秘密キーと一致する署名を提供することで自分の身元を証明します。

2.2 ブロックチェーンにおける権限制御メカニズム

スマートコントラクト:ブロックチェーンのスマートコントラクトは、プログラムされたロジックを備えた自動実行コントラクトです。スマートコントラクトを通じて、特定のデータへのユーザーのアクセスを制限するなど、アクセス制御ルールを定義および適用できます。
分散型 ID:ブロックチェーンは分散型 ID 検証をサポートし、集中型 ID 管理の必要性を排除します。ユーザーは、中央機関に依存することなく、自分の ID 情報を完全に制御できます。

3. 違いとつながり

接続する：
- データベースとブロックチェーンはどちらも、許可されたユーザーのみが機密データにアクセスできるように機能します。
- どちらも暗号化技術を使用してデータのプライバシーを保護します。
違い：
- 集中化と分散化:データベースは集中化された ID 管理に依存することがよくありますが、ブロックチェーンは分散化された ID 検証をサポートします。
- スマートコントラクト:データベースでは通常、静的なアクセス許可の割り当てが使用されますが、ブロックチェーンはスマートコントラクトを通じてより柔軟なアクセス許可制御を実現します。
- ID 管理:ブロックチェーンユーザーはより詳細に制御でき、ID 情報をより適切に管理できるようになりますが、データベースユーザーは通常、集中管理の対象となります。

6. データのセキュリティと暗号化

1.データベース暗号化技術

1.1 データの送信と保存のための暗号化方式

データ送信の暗号化:データベースは通常、SSL/TLS などの暗号化プロトコルを使用してクライアントとサーバー間のデータ送信を暗号化し、送信中にデータが盗まれたり改ざんされたりしないようにします。
データ保存の暗号化:データベースは暗号化アルゴリズムを使用してデータを暗号化して保存できるため、データベースが不正にアクセスされた場合でも、データは簡単には漏洩しません。

1.2 データベース暗号化の実際の応用

フィールドレベルの暗号化:ユーザーの個人識別情報、銀行口座番号などの機密データフィールドを暗号化します。
透過的データ暗号化 (TDE):データベースシステムによって提供される暗号化方式。データベース全体を暗号化し、アプリケーションに対して透過的です。

2. ブロックチェーンの暗号化とハッシュアルゴリズム

2.1 ブロックチェーンにおけるハッシュアルゴリズムの適用

データの整合性:ブロックチェーンはデータの整合性を確保するためにハッシュアルゴリズムを使用します。各ブロックには前のブロックのハッシュ値が含まれます。データが改ざんされるとハッシュ値が変更され、検出されます。
マークルツリー:特にブロックチェーンでのトランザクションの正当性を検証するために、大量のデータの整合性を迅速に検証するために使用されます。

2.2 ブロックチェーンにおけるデジタル署名と暗号化の保証

デジタル署名:ブロックチェーン内のトランザクションはデジタル署名によって認証され、トランザクションの信頼性と完全性が保証されます。
非対称暗号化:ブロックチェーン内のユーザーは暗号化と復号化に公開キーと秘密キーを使用し、データ送信とトランザクションのセキュリティを確保します。

3. 違いとつながり

接続する：
- データベースとブロックチェーンはどちらも、データの送信と保存の暗号化を含む、データのセキュリティを確保するために暗号化テクノロジーを使用しています。
- どちらもハッシュアルゴリズムを使用してデータの整合性を確保します。
違い：
- 集中化と分散化:データベースは多くの場合集中化された認証とアクセス制御に依存しますが、ブロックチェーンは分散化された認証とトランザクション確認をサポートします。
- スマートコントラクト:ブロックチェーンはスマートコントラクトを使用して、より柔軟な暗号化の保証とアクセス許可の制御を実現しますが、データベースでは通常、静的なアクセス許可の割り当てが使用されます。

7. データのスケーラビリティとパフォーマンス

1. データベースの垂直方向と水平方向の拡張

1.1 垂直方向の拡張と水平方向の拡張の概念

垂直スケーリング: CPU、メモリ、ストレージ容量を増やすなど、単一サーバーの処理能力を向上させて、データベースのパフォーマンスを向上させます。
水平スケーリング:データベースのシャーディングやレプリケーションによって負荷を共有するなど、サーバーの数を増やすことでデータベースのパフォーマンスを向上させます。

1.2 データベースのパフォーマンス最適化戦略

インデックスの最適化:インデックスの適切な設計と使用により、データの取得を高速化します。
クエリの最適化:適切な接続方法と条件付きフィルターを使用してクエリステートメントを最適化し、クエリのパフォーマンスを向上させます。
キャッシュの最適化:キャッシュテクノロジを使用して、データベースアクセスの数を減らし、データアクセス速度を向上させます。

2. ブロックチェーンのパフォーマンスのボトルネックと解決策

2.1 ブロックチェーンのパフォーマンスの課題と対応戦略

トランザクションスループット:ブロックチェーンのトランザクションスループットには制限がある場合があり、解決策としては、コンセンサスアルゴリズムの最適化、ネットワーク帯域幅の増加、トランザクション構造の最適化などが挙げられます。
ストレージ容量:ブロックチェーン内のデータ量は急速に増加する可能性があり、ソリューションにはデータ圧縮、共有ストレージ、ストレージの最適化が含まれます。
遅延問題:ブロックチェーンのトランザクション確認に一定の時間がかかる場合があるため、コンセンサスアルゴリズムの最適化や第2層拡張ソリューションの導入などの解決策が考えられます。

2.2 階層化アーキテクチャとサイドチェーンの適用

階層化されたアーキテクチャ:ライトニングネットワークなどの第 2 層ソリューションを使用するなど、ブロックチェーンネットワークをさまざまな層に分割することで、全体的なスケーラビリティとパフォーマンスを向上させることができます。
サイドチェーン:サイドチェーンは、メインブロックチェーンと相互接続されているブロックチェーンであり、特定の種類のトランザクションの処理に使用できるため、メインチェーンの負担が軽減されます。

3. 違いとつながり

接続する：
- データベースとブロックチェーンはどちらも、技術的手段を通じて解決する必要があるパフォーマンスとスケーラビリティの課題に直面しています。
違い：
- データモデル:データベースは通常、構造化データを指向していますが、ブロックチェーンは分散台帳の保存と管理により適しています。
- コンセンサスメカニズム:ブロックチェーンのパフォーマンスの課題は主にコンセンサスメカニズムに起因するのに対し、データベースのパフォーマンスの課題は主にデータのアクセスと処理に起因します。

8. スマートコントラクトとビジネスロジック

1. データベース内のストアドプロシージャとトリガー

1.1 ストアドプロシージャとトリガーの定義と使用

ストアドプロシージャ:
ストアドプロシージャは、データベースに保存される、関数に似たプリコンパイルされた SQL ステートメントのセットです。ストアドプロシージャを使用すると、一連の SQL ステートメントを 1 つの実行ユニットにカプセル化できるため、データベースのパフォーマンスとセキュリティが向上します。

トリガー:
トリガーは、テーブルで特定のイベント (挿入、更新、削除など) が発生したときに自動的に実行される、テーブルに関連するデータベースオブジェクトです。トリガーを使用して、ビジネスルール、データの整合性、およびログの変更を強制できます。

1.2 データベース内のビジネスロジック処理

データベースでは、通常、ビジネスロジックの処理にはストアドプロシージャとトリガーの使用が含まれます。ストアドプロシージャを使用すると、複雑なビジネスロジックをカプセル化でき、クライアントとデータベース間の対話を簡素化できます。トリガーは、データの一貫性と整合性を確保するために、特定の条件下で操作を自動的に実行するために使用されます。

2. ブロックチェーンのスマートコントラクト

より詳細な説明については、私の別のブログ「
Blockchain 2 - Solidity Smart Contract Development」を参照してください。

2.1 スマートコントラクトの定義と特徴

スマートコントラクト:
スマートコントラクトは、契約のルールと条件を定義するプログラミングコードを含む、ブロックチェーン上で実行される自動化された契約です。スマートコントラクトは、仲介者を必要とせずに契約条件を自動的に実行、検証、執行できるため、取引の透明性とセキュリティが向上します。

特徴：

不変性: ブロックチェーン上にデプロイされると、スマートコントラクトのコードは不変になります。
自動実行: スマートコントラクトは、サードパーティの介入なしで自動的に実行できます。
透明性: 契約の実行プロセスと結果は公的に検証可能であり、信頼性が高まります。
分散化: スマートコントラクトはブロックチェーンノード上で実行され、中央制御機関は存在しません。

2.2 Solidity言語とスマートコントラクトの開発

Solidity 言語:
Solidity は、主に Ethereum プラットフォームで使用されるスマートコントラクト開発言語です。その構文は JavaScript に似ており、特にスマートコントラクトを作成するために設計されています。Solidity は、継承、ライブラリ、その他の機能を含むオブジェクト指向プログラミングをサポートします。

スマートコントラクトの開発プロセス:

コントラクトを定義する: Solidity 言語を使用してスマートコントラクトのコードを記述し、コントラクトの状態変数とメソッドを定義します。
コントラクトをコンパイルする: Solidity コンパイラーを使用して、コードをブロックチェーン上で実行できるバイトコードに変換します。
コントラクトをデプロイする:コントラクトをブロックチェーンにデプロイし、コントラクトのインスタンスを作成し、一意のコントラクトアドレスを取得します。
対話と呼び出し:トランザクションを通じてメッセージをコントラクトに送信し、コントラクト内のメソッドを呼び出して対応する操作を実行します。
ステータスの変更:契約の実行後、透明性と改ざん性を確保するためにステータスの変更がブロックチェーンに記録されます。

スマートコントラクトでは、ビジネスロジックをコントラクトメソッドとして記述することができ、コントラクトの自動実行を通じてトリガーの役割を実現し、分散型の実行と透過的なビジネスロジックの処理を保証します。

3. 違いとつながり

接続する：
- ビジネスロジックの処理: ビジネスロジックの処理には、スマートコントラクト、ストアドプロシージャ、トリガーがすべて使用されます。データの整合性と一貫性を確保するための特定のビジネスルール、条件、アクションを含めることができます。
- 自動実行:スマートコントラクトとトリガーはどちらも特定の条件下で自動的に実行できますが、ストアドプロシージャは明示的に呼び出す必要があります。
- データ処理:これらの手法はすべて、データの処理、特定の操作の実行、または特定のイベントのトリガーに使用できます。
違い：
- 動作環境:スマートコントラクトは主にブロックチェーン上で実行され、ストアドプロシージャとトリガーは主にリレーショナルデータベースで実行されます。
- 不変性:スマートコントラクトはブロックチェーン上にデプロイされると不変ですが、ストアドプロシージャとトリガーはデータベース内で変更できます。
- 分散化:スマートコントラクトは分散化されたブロックチェーンネットワーク上で実行され、ストアドプロシージャとトリガーは集中化されたデータベースサーバー上で実行されます。
- プログラミング言語:スマートコントラクトは通常、特定のスマートコントラクトプログラミング言語 (Solidity など) を使用しますが、ストアドプロシージャとトリガーは SQL またはデータベース固有のプログラミング言語を使用します。
- セキュリティ:スマートコントラクトのセキュリティはブロックチェーンによって保護されますが、ストアドプロシージャとトリガーのセキュリティはデータベースのセキュリティに依存します。

一般に、スマートコントラクトは、高度なセキュリティと透明性を必要とする分散型シナリオにより適していますが、ストアドプロシージャとトリガーは、従来の集中型データベースシステムでのビジネスロジック処理により適しています。

場合によっては、スマートコントラクトとストアドプロシージャ/トリガーを併用して、より複雑なビジネスロジック処理とデータインタラクションを実現できます。