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ブロックチェーン暗号とは?ブロックチェーンセキュリティのバックボーン

2021-09-28 13:45:01

ブロックチェーンのセキュリティを支えているのは、暗号技術です。2009年のビットコインの登場とともに、ブロックチェーンが登場しました。このブロックチェーンは、侵害やハッキングがほぼ不可能であると主張していました。それから10年以上が経ち、ブロックチェーンは確かに安全性が高いことが証明されましたが、完璧ではありません。

ブロックチェーンがハッキングや悪意のある攻撃に耐えられる要因としては、分散型設計、コンセンサスに基づく取引検証、記録の不変性などが挙げられます。ブロックチェーン技術の安全性を高める主な要因は、暗号技術であり、具体的には、暗号技術に基づく安全なデジタル通信です。

cryptography

暗号技術とは?

暗号技術とは、悪意のある第三者が存在する可能性がある中で、安全な秘密通信を開発することを目的とした学際的な研究分野です。簡単に言えば、当事者間で送信されるメッセージを暗号化して、送信者と受信者だけがメッセージを理解できるようにする方法です。

ブロックチェーンにおける暗号化とは?

ブロックチェーン技術の文脈では、暗号は様々な目的で使用されます。

  • ウォレットが他のユーザーのウォレットに暗号通貨を送信するなど、2つの取引ノード間でのデータの安全な交換を開発するために
  • マイニングノードによるネットワーク上の取引を検証するために
  • ブロックチェーン上の記録の不変性を確保するために
  • スマートコントラクトにおけるデータの機密性確保など、特定のアプリケーション目的のために

ブロックチェーンの暗号化と復号化

暗号化されたデータのやり取りには、2つの重要な要素があります。

  1. 暗号化とは、平文のメッセージを、第三者が読んだり理解したりできない暗号のような形にするプロセスのこと。メッセージの送信者は、安全な送信のためにメッセージを暗号化します。
  2. 暗号化されたメッセージを平文に戻すプロセスである復号化。受信者は、メッセージが安全に届けられたときに復号します。

データを暗号化したり復号化したりするためのアルゴリズムを暗号と言います。原始的な暗号の例としては、メッセージ交換の各文字を、アルファベットの中のその文字の位置を示す数字に置き換えることが挙げられます。例えば、この単純な暗号では、「08-09」は「Hi」を意味します。

Hi “から “08-09 “へのメッセージの実際の暗号化と、”08-09 “から “Hi “への復号化は、暗号鍵(アルゴリズム/暗号に基づいてメッセージを暗号化/復号化するためのデータ)を使用して行われます。

ありがたいことに、ブロックチェーンやその他の最新のコンピュータ化されたシステムは、私たちの単純な例よりもはるかに洗練された安全な暗号化アルゴリズムを使用しています。これらについては、記事の中でさらに詳しく説明します。

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暗号化の主な種類

現代のシステムで使用されている暗号化/復号化には、主に3つのタイプがあります。

対称鍵暗号

この暗号化方式では、同じ鍵を使って暗号化と復号化を行います。 暗号化と復号化に同じ鍵を使用する同じ鍵を使って暗号化と復号化を行います。この例では、”Hi “を “08-09 “に変換するためにも、”08-09 “を “Hi “に戻すためにも、同じ鍵(文字から数字へのマッピング)が必要となります。

対称鍵暗号は、現代の3つの暗号方式の中で最もシンプルなものです。その利点は、実行速度が速いことです。しかし、対称鍵暗号には重大な制限があり、悪意のある部外者に鍵が知られてしまうと、通信全体が危険にさらされてしまいます。そのため、ブロックチェーンのような分散型の技術では使用できません。

非対称暗号化

公開鍵暗号とも呼ばれています。この暗号化方式は、2つの鍵を使用します。 公開鍵と秘密鍵を使用して通信を保護します。公開鍵は送信者がメッセージを暗号化する際に使用し、秘密鍵は受信者が復号する際に使用します。どちらの鍵も通信の受信者に帰属します。公開鍵は、誰でもメッセージを暗号化し、そのメッセージを ウォレットアドレスに送ることができます。

実は、公開鍵とウォレットアドレスは密接に絡み合った概念です。ビットコイン(BTC)のようなほとんどのパブリックブロックチェーンではBTC), a ウォレットアドレスは、ユーザーの公開鍵をハッシュ化したものです。メッセージがウォレットに配信されると、受信者は自分の秘密鍵を使ってメッセージを復号し、読むことができます。受信者の秘密鍵は、送信者やネットワーク上の他の誰にも知られることなく、受信者だけが知っています。公開鍵と秘密鍵のペアリングにより、非対称暗号化は、対称暗号化(単一鍵暗号化)と比較して、より安全な暗号交換の形態となります。

ハッシュ関数による暗号化

安全性の高い暗号化方式とされているハッシュは、鍵を一切使用しません。ハッシュ化は、任意の長さの入力を受け取り、固定の長さの出力を生成するアルゴリズムを使用します。

ハッシュ関数には様々な種類がありますが、その中でも暗号目的に十分な安全性を持つと考えられているもの(「暗号ハッシュ関数」と呼ばれる)があります。例えば、Bitcoinでは SHA-256関数を使用し、Ethereumのハッシュ暗号化には KECCAK-256.

暗号化ハッシュ関数は、安全な暗号化に適した多くの特徴を持っています。

  • 衝突が発生する可能性は極めて低いです。つまり、2つの異なる入力から同じハッシュ化された出力が得られる可能性は 天文学的に小さいブルートフォースアタックが不可能になります
  • ハッシュの出力から元のメッセージをリバースエンジニアリングすることはできません。
  • 決定論的、つまりどんな入力でもハッシュ関数に通すと同じ出力になります。
  • 1ビットを0から1に反転させるなど、入力にわずかな変化を加えるだけで、出力はまったく異なるものになります。

hashing algorithm

ハッシュ化のアルゴリズム(出典:Networkencyclopedia.com)

3つの暗号化タイプのうち、対称鍵暗号は、人気のある確立されたブロックチェーンネットワークではほぼ使用されていません。しかし、非対称暗号化とハッシュ化は、いずれもブロックチェーン技術で広く活用されています。

ブロックチェーンにおける暗号の利用

ブロックチェーンでは、ノード間の安全な取引を可能にするために非対称暗号化が使用されています。ネットワーク上の他のウォレットとの間で暗号コインやトークンを送受信する際には、必ず非対称暗号化によって取引が保護されます。

ハッシュ化による暗号化は、ブロックチェーンではさらに幅広い用途があります。ハッシュ化の用途のひとつに、ユーザーの公開鍵をブロックチェーンアドレスに暗号化するというものがあります。新しいユーザーの公開鍵が作成されると、その鍵がハッシュ関数にかけられ、ネットワーク上の対応するウォレットアドレスが生成されます。これにより、ブロックチェーンのアドレスシステムにセキュリティの層が追加されます。

ハッシュ化は、PoW(Proof-of-Work)ネットワークにおけるブロックチェーンのマイニングにも用いられます。マイニングとは、参加している “マイナーノード “がネットワーク上の取引を検証することです。ブロックチェーン上で取引が発生すると、その真偽をマイナーと呼ばれる多数のネットワークユーザーが検証する必要があります。

各取引データブロックには、ハッシュ化された固有の番号が含まれています。ネットワーク上の採掘者は、膨大な計算能力を駆使して数学的パズルを解き、”nonce “と呼ばれる別の数字を見つけ出します。検証するブロックのハッシュにノンセを追加すると、検証が完了します。

そのため、ハッシュ化アルゴリズムは、ブロックチェーン上のマイニングによるデータ検証のバックボーンとして機能しています。また、ネットワーク上の記録を不変のチェーンに結びつけるためにも使用されています。ネットワーク上の各データブロックには、それぞれ固有のハッシュコードと前のブロックのハッシュが含まれています。

これにより、あるデータブロックに変更を加えようとすると、チェーン内のすべての前のブロックに変更を加える必要があり、現実的には不可能な作業となります。このハッシュコードによるチェーン化は、ブロックチェーン技術の重要なセキュリティ機能です。

ブロックチェーンにおける非対称暗号とハッシュ暗号の標準的なコア使用に加えて、ブロックチェーンのエコシステムの中には、暗号化が有用な特定の領域があります。そのような領域の一つが スマートコントラクトです.

スマートコントラクトは暗号化されていますか?

ほとんどのブロックチェーンはパブリックな性質を持っているため、スマートコントラクトはネットワーク参加者の誰もが簡単に見ることができ、契約に求められる重要な機能である機密性が欠けています。スマートコントラクトの普及に伴い、契約上の機密データを保護するために、ハッシュアルゴリズムに基づく暗号技術がより広範に使用されるようになるでしょう。

のようなブロックチェーン技術 ホークは、ブロックチェーンのスマートコントラクトのプライバシーと機密性を確保することを目的とした、新たな開発分野です。Hawkは、スマートコントラクト内の重要な機密情報を暗号化してブロックチェーン上で一般の人の目に触れないようにするプロトコルです。要するに、Hawkのような技術やプロトコルは、すべて何らかの形でハッシュ化された暗号に基づいています。

ここでは、ブロックチェーンのさまざまな局面で一般的に使用されている暗号方式をまとめました。

ブロックチェーンでの利用暗号の種類
ノード間の取引(コインやトークンの売買などアシンメトリック
マイニング/取引の検証ハッシュ化
ブロックチェーン上の記録の不変性/安全性ハッシュ化
スマートコントラクトにおけるデータ保護ハッシュ化

結論

対称型、非対称型、ハッシュ型の3種類の暗号化方式のうち、ブロックチェーンでは後者の2種類を使用します。対称暗号は、セキュリティ特性が比較的低く、分散型アプリケーションには不向きであるため、ブロックチェーンではほとんど使用されません。

非対称暗号は、公開鍵と秘密鍵のペアに基づいており、ユーザー間の取引におけるセキュリティを確保する上で中心的な役割を果たします。

ハッシュ化された暗号は、ブロックチェーンの全体的なセキュリティを確保するための多くの重要なプロセスに使用されています。ハッシュ化は、マイニングによるトランザクションの検証、ブロックチェーン上の記録の不変性の維持、さらにはスマートコントラクトにおけるデータの機密性とプライバシーの確保といった特殊な用途にも使用されています。さらに、ハッシュ化は公開鍵をブロックチェーンアドレスに変換する際にも使用されます。

ビットコインやイーサリアムのような人気の高いブロックチェーンプラットフォームでは、SHA-256やKECCAK-256などの高品位で安全なハッシュアルゴリズムが使用されています。これらの高度なアルゴリズムを使用することで、彼らのブロックチェーンは現在存在するデジタルネットワークの中で最も安全なものとなっています。

現時点では、スマートコントラクトにおけるデータの暗号保護は、ブロックチェーン技術の中でも特に新しい分野です。ハッシュアルゴリズムに基づく暗号は、スマートコントラクトが普及するにつれ、ますます重要になるでしょう。


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