ブロックチェーンは、高度な暗号化技術や行動および意思決定の数学的モデルなど、さまざまなメカニズムを通じて保護されています。ブロックチェーン技術は、ほとんどの暗号通貨システムの基盤となる構造であり、この種のデジタルマネーが複製または破壊されるのを防止します。

ブロックチェーン技術の使用は、データの不変性とセキュリティが非常に重要となる他の状況でも検討されています。例としては、慈善寄付の記録と追跡、医療データベース、サプライ チェーン管理などが挙げられます。

しかし、ブロックチェーンのセキュリティは決して単純なテーマではありません。そのため、これらの革新的なシステムに強力な保護を提供する基本的な概念とメカニズムを理解することが重要です。


不変性とコンセンサスの概念

ブロックチェーンのセキュリティには多くの機能が関係していますが、最も重要な 2 つはコンセンサスと不変性の概念です。コンセンサスとは、分散型ブロックチェーン ネットワーク内のノードがネットワークの実際の状態とトランザクションの有効性について合意する能力を指します。通常、コンセンサスを達成するプロセスは、いわゆるコンセンサス アルゴリズムに依存します。

一方、不変性とは、すでに確認された取引の改ざんを防ぐブロックチェーンの能力を指します。これらの取引は暗号通貨の転送に関連することが多いですが、他の非金銭形式のデジタルデータの記録を指す場合もあります。

コンセンサスと不変性を組み合わせることで、ブロックチェーン ネットワークのデータ セキュリティのフレームワークが提供されます。コンセンサス アルゴリズムは、システムのルールが遵守されていること、およびネットワークの現在の状態についてすべての関係者が同意していることを保証します。一方、不変性は、新しいデータ ブロックが有効であることが確認された後のデータとトランザクション レコードの整合性を保証します。


ブロックチェーンセキュリティにおける暗号化の役割

ブロックチェーンは、データのセキュリティを実現するために暗号化に大きく依存しています。この文脈では、いわゆる暗号化ハッシュ関数が根本的に重要です。ハッシュとは、アルゴリズム (ハッシュ関数) が任意のサイズのデータ​​の入力を受け取り、予測可能な固定サイズ (または長さ) を含む出力 (ハッシュ) を返すプロセスです。

入力サイズに関係なく、出力は常に同じ長さになります。ただし、入力が変わると、出力はまったく異なります。ただし、入力が変わらない場合は、ハッシュ関数を何回実行しても、結果のハッシュは常に同じになります。

ブロックチェーン内では、ハッシュと呼ばれるこれらの出力値は、データ ブロックの一意の識別子として使用されます。各ブロックのハッシュは、前のブロックのハッシュとの関連で生成され、リンクされたブロックのチェーンを作成します。ブロック ハッシュはそのブロックに含まれるデータに依存しているため、データに変更を加えると、ブロック ハッシュも変更する必要があります。

したがって、各ブロックのハッシュは、そのブロックに含まれるデータと前のブロックのハッシュの両方に基づいて生成されます。これらのハッシュ識別子は、ブロックチェーンのセキュリティと不変性を確保する上で重要な役割を果たします。

ハッシュは、トランザクションの検証に使用されるコンセンサス アルゴリズムでも活用されています。たとえば、ビットコイン ブロックチェーンでは、プルーフ オブ ワーク (PoW) アルゴリズムが SHA-256 と呼ばれるハッシュ関数を利用しています。名前が示すように、SHA-256 はデータ入力を受け取り、256 ビットまたは 64 文字の長さのハッシュを返します。

暗号化は、台帳上の取引記録を保護するだけでなく、暗号通貨の単位を保管するウォレットのセキュリティを確保する役割も果たします。ユーザーが支払いを受け取ったり送信したりできるようにする公開鍵と秘密鍵のペアは、非対称暗号化または公開鍵暗号化を使用して作成されます。秘密鍵は、取引のデジタル署名を生成するために使用され、送信されるコインの所有権を認証できるようにします。

詳細はこの記事の範囲を超えていますが、非対称暗号化の性質上、秘密鍵の所有者以外は暗号通貨ウォレットに保管された資金にアクセスできないため、所有者が使用を決定するまで資金は安全に保たれます (秘密鍵が共有されたり侵害されたりしない限り)。


暗号経済学

暗号学に加えて、暗号経済学と呼ばれる比較的新しい概念も、ブロックチェーン ネットワークのセキュリティを維持する役割を果たしています。これは、ゲーム理論と呼ばれる研究分野に関連しており、事前に定義されたルールと報酬がある状況での合理的な行為者の意思決定を数学的にモデル化します。従来のゲーム理論はさまざまなケースに幅広く適用できますが、暗号経済学は分散型ブロックチェーン システム上のノードの動作を具体的にモデル化して説明します。

簡単に言うと、暗号経済学とは、ブロックチェーン プロトコル内の経済と、参加者の行動に基づいてその設計がもたらす可能性のある結果を研究することです。暗号経済学によるセキュリティは、ブロックチェーン システムが、ノードが悪意のある行動や誤った行動をとるよりも正直に行動するインセンティブをより多く提供するという概念に基づいています。ここでも、ビットコイン マイニングで使用される Proof of Work コンセンサス アルゴリズムは、このインセンティブ構造の良い例です。

サトシ・ナカモトがビットコインマイニングのフレームワークを作成した際、それは意図的にコストがかかり、リソースを大量に消費するプロセスとなるよう設計されました。その複雑さと計算要件のため、PoW マイニングには、マイニングノードがどこにあり、誰であるかに関係なく、かなりのお金と時間の投資が必要です。したがって、このような構造は、悪意のある活動に対する強力な抑止力となり、正直なマイニング活動に対する大きなインセンティブとなります。不正または非効率的なノードは、ブロックチェーンネットワークからすぐに排除されますが、正直で効率的なマイナーは、かなりのブロック報酬を獲得する可能性があります。

同様に、このリスクと報酬のバランスは、ブロックチェーン ネットワークのハッシュ レートの過半数を単一のグループまたはエンティティの手に渡すことでコンセンサスを損なう可能性のある潜在的な攻撃に対する保護も提供します。このような攻撃は 51 パーセント攻撃と呼ばれ、成功した場合、非常に大きな損害を与える可能性があります。プルーフ オブ ワーク マイニングの競争力とビットコイン ネットワークの規模により、悪意のあるアクターがノードの過半数を制御できる可能性は極めて低くなります。

さらに、巨大なブロックチェーン ネットワークの 51% の制御を獲得するために必要なコンピューティング パワーのコストは天文学的な額になるため、比較的小さな潜在的報酬のためにそのような大規模な投資を行うことは直ちに阻害されます。この事実は、ビザンチン フォールト トレランス (BFT) と呼ばれるブロックチェーンの特性に寄与します。これは基本的に、一部のノードが侵害されたり悪意を持って動作したりしても、分散システムが正常に動作し続ける能力です。

悪意のあるノードの過半数を確立するコストが法外なままであり、誠実な活動に対するより良いインセンティブが存在する限り、システムは大きな混乱なしに繁栄することができます。ただし、小規模なブロックチェーン ネットワークは、それらのシステムに割り当てられるハッシュ レートの合計がビットコインのハッシュ レートよりも大幅に低いため、多数派攻撃に対して確実に脆弱であることは注目に値します。


最後に

ゲーム理論と暗号技術を組み合わせて使用​​することで、ブロックチェーンは分散システムとして高いレベルのセキュリティを実現できます。ただし、ほぼすべてのシステムと同様に、これら 2 つの知識分野を適切に適用することが重要です。分散化とセキュリティの慎重なバランスは、信頼性が高く効果的な暗号通貨ネットワークを構築する上で不可欠です。

ブロックチェーンの用途が進化し続けるにつれて、さまざまなアプリケーションのニーズを満たすために、そのセキュリティ システムも変化します。たとえば、現在企業向けに開発されているプラ​​イベート ブロックチェーンは、ほとんどのパブリック ブロックチェーンの安全性に不可欠なゲーム理論のメカニズム (または暗号経済学) よりも、アクセス制御によるセキュリティに大きく依存しています。