ハッシュアルゴリズムとは何ですか？ブロックチェーンはどのようにデータセキュリティを保証しますか？

ハッシュアルゴリズムの基本を理解する

ハッシュアルゴリズムは、入力（または「メッセージ」）を取得し、固定サイズのバイト文字列を返す数学的関数です。これは通常、ハッシュ値と呼ばれる16進数、または単にハッシュです。このプロセスは決定論的です。つまり、同じ入力が常に同じハッシュを生成します。ただし、入力のわずかな変更でさえ、まったく異なる出力になります。

ハッシュ機能は、特にコンピューターサイエンスと暗号化で、さまざまなドメインで広く使用されています。彼らの重要なプロパティには次のものがあります。

• 決定論的：同じ入力は常に同じハッシュを生成します。
• 高速計算：特定の入力のハッシュ値を簡単に計算することは簡単です。
• イメージ前の抵抗：ハッシュ値が与えられた場合、元の入力を決定することは計算上は実行不可能です。
• 衝突抵抗：同じハッシュをもたらす2つの異なる入力を見つけることは難しいはずです。

これらの特性により、ハッシュアルゴリズムは、データの整合性と信頼性を確保するために不可欠になります。

最も一般的に使用されるハッシュアルゴリズムには、SHA-256（セキュアハッシュアルゴリズム256ビット）、SHA-1、およびMD5が含まれますが、後者2は脆弱性のために安全でないと考えられています。

ブロックチェーンテクノロジーにおけるハッシュの役割

ブロックチェーンは、分散型で抵抗性のある性質を維持するために、ハッシュアルゴリズムに大きく依存しています。ブロックチェーン内の各ブロックには、トランザクションのリスト、タイムスタンプ、およびハッシュを介した前のブロックへの参照が含まれています。

これは、ブロックチェーンの構造にどのように寄与するかを次に示します。

• ブロック識別：各ブロックは、ハッシュによって一意に識別されます。ブロックの内容が変化した場合、ハッシュも変化します。
• リンクブロック：1つのブロックのハッシュが次のブロックに含まれており、チェーンを形成します。以前のブロックの変更には、後続のすべてのハッシュを再計算する必要があります。
• 改ざん検出：単一の文字を変更してもハッシュが完全に変化するため、データが変更されたときに明らかになります。

このメカニズムにより、ブロックチェーンにデータが記録されると、ネットワーク参加者からのコンセンサスなしに変更することが非常に困難になることが保証されます。

マークルツリーを通るデータの整合性

ブロックをリンクすることに加えて、ブロックチェーンシステムは、多くの場合、メルクルツリー（ハッシュツリーとも呼ばれます）を使用して、ブロック内のトランザクションデータの整合性を確保します。

これらがどのように機能するかは次のとおりです。

• ブロック内のすべてのトランザクションはペアになり、単一のハッシュが残るまで繰り返しハッシュします。これはマークルルートです。
• マークルルートはブロックヘッダーに保存されているため、ブロック全体をダウンロードせずに個々のトランザクションを検証できます。
• トランザクションが変更された場合、対応するハッシュが変化し、ツリーを伝播し、最終的にマークルルートを変更します。

この階層ハッシュシステムにより、大規模なデータセットの効率的かつ安全な検証が可能になり、スケーラビリティとセキュリティの両方が向上します。

メルクルの木は、完全なノードの同期が実現できないモバイルウォレットなど、軽量のクライアントの実装において重要です。

コンセンサスメカニズムにおける仕事とハッシュの証明

Bitcoinの中核的な革新の1つは、ハッシュに大きく依存するコンセンサスメカニズムとしての仕事の証明（pow）の使用でした。

パウがハッシュする方法は次のとおりです。

• 鉱夫は、特定の基準を満たすハッシュを見つけることにより、暗号化パズルを解決するために競争します（例えば、特定の数のゼロで始まります）。
• 彼らは、目的のハッシュが見つかるまでノンセ（乱数）でブロックヘッダーを繰り返しハッシュすることによってこれを行います。
• 有効なハッシュが発見されると、マイナーは検証のためにネットワークのソリューションをブロードキャストします。
• パズルの難易度は定期的に調整され、一貫したブロック時間を維持します。通常、Bitcoinの場合は約10分です。

このプロセスにより、過去のブロックを変更するには、その時点からすべての計算作業をやり直す必要があります。これは、健康的なネットワークでは法外に高価で非現実的です。

ハッシュすることで有効にされる不変性とセキュリティ機能

ハッシュするため、ブロックチェーンは高レベルの不変性とセキュリティを実現します。方法は次のとおりです。

• 証拠を改ざん：データの変更は異なるハッシュになります。各ブロックは前のブロックのハッシュを参照するため、1つのブロックを変更すると、後続のブロックがすべて無効になります。
• 分散信頼：中央当局に依存する代わりに、ネットワークはハッシュを使用してブロックチェーンの正確性を集合的に検証します。
• 暗号化保証：ハッシュは、それを明らかにせずに暗号化してデータにコミットする方法を提供し、プライバシーと整合性の両方の保証を提供します。

これらの機能により、ブロックチェーンは、金融取引、サプライチェーンの追跡、デジタルIDの確認など、強力な監査軌跡を必要とするアプリケーションに適しています。

• 分散化：チェーン全体を制御する単一のエンティティはありません。
• 透明性：すべての参加者は、元帳を表示し、トランザクションを独立して検証できます。
• 非繰り返し：取引が確認されると、関係者が拒否することはできません。

よくある質問

Q：元のデータを取得するためにハッシュを逆にすることはできますか？いいえ、ハッシュは一方向関数です。データからハッシュを計算するのは簡単ですが、ハッシュのみからの元の入力をリバースエンジニアリングすることは計算可能です。

Q：SHA-256がブロックチェーンの使用に安全であると見なされるのはなぜですか？ SHA-256はSHA-2ファミリーの一部であり、広範な研究にもかかわらず成功していません。その256ビット出力スペースは、現在のコンピューティングパワーを使用して、ブルートフォース攻撃を実用的にします。

Q：ハッシュは暗号化とどのように異なりますか？ハッシュすると、データを固定長の値に変換し、不可逆的です。一方、暗号化は、キーを使用して可逆的な方法でデータをエンコードし、後で復号化を可能にします。

Q：すべてのブロックチェーンは同じハッシュアルゴリズムを使用していますか？いいえ、Bitcoinのような多くの暗号通貨はSHA-256を使用していますが、他の人は異なるアルゴリズムを採用しています。たとえば、EthereumはEthashを使用し、LitecoinはScryptを使用します。