ブロックチェーンはどのように保護されていますか? (暗号化とコンセンサスについて)

ブロックチェーン暗号化の基礎

1. 公開キー暗号化は、ブロックチェーンの ID とトランザクション認証の基盤を形成します。各ユーザーは、自分だけが知っている秘密キーと、ネットワーク上で見える対応する公開キーを保持しています。

2. デジタル署名は、秘密キーを使用して生成され、所有権を明らかにすることなく証明されます。すべてのトランザクションは暗号的に署名されているため、改ざんはすぐに検出可能です。

3. SHA-256 などのハッシュ関数は、入力データを固定長の出力に変換します。入力内の 1 文字の変更でも、まったく異なるハッシュが生成され、ブロック全体でのデータの整合性が確保されます。

4. マークル ツリーは、複数のトランザクション ハッシュを単一のルート ハッシュに集約し、ブロック ヘッダーに保存します。この構造により、特定のトランザクションがブロックに属しているかどうかを効率的かつ安全に検証できます。

5. 楕円曲線デジタル署名アルゴリズム (ECDSA) は、コンパクトな署名サイズと比較的短い鍵長による強力なセキュリティのために Bitcoin とイーサリアムで広く採用されています。

セキュリティ執行者としての合意メカニズム

1. Proof of Work (PoW) では、マイナーは計算量の多いパズルを解く必要があります。難易度の調整により、履歴の書き換えコストが法外に高くなる一方で、新しいブロックが予測可能な間隔で追加されることが保証されます。

2. プルーフ オブ ステーク (PoS) は、ステークするネイティブ トークンの量に基づいてバリデーターを選択します。不正行為はスラッシュ（賭け金資産の永久的な損失）につながり、攻撃に対する強力な経済的阻害要因を生み出します。

3. Delegated Proof of Stake (DPoS) では、決定的なスケジュールでローテーションする選出されたブロック プロデューサーが導入されます。説明責任は、継続的な投票とリアルタイムの評判追跡を通じて強化されます。

4. 実用的なビザンチン フォールト トレランス (PBFT) は、各状態遷移に同意するために検証ノードの 3 分の 2 と 1 つを必要とすることで、高速なファイナリティを可能にします。最大 3 分の 1 の悪意のある参加者または欠陥のある参加者を許容します。

5. ハイブリッド モデルは、イーサリアム 2.0 設計文書の初期のイテレーションに見られる、PoW の初期分配の公平性と PoS のエネルギー効率および長期的なガバナンスの調整を組み合わせたものです。

構造設計による不変性

1. 各ブロックには前のブロックのハッシュが含まれており、暗号チェーンを形成します。過去のブロックを変更すると、そのハッシュが変更され、後続のすべてのブロックとのリンクが切断されます。

2. フルノードはすべてのトランザクションを独立して検証し、コンセンサスルールに照らしてブロックします。検証を制御する単一のエンティティはありません。相違は多数派による拒否を引き起こします。

3. UTXO (未使用トランザクション出力) モデルは、口座残高ではなく出力レベルで所有権を追跡します。これにより、競合状態が排除され、スクリプトベースの支出ロジックが簡素化されます。

4. イーサリアムのようなアカウントベースのモデルは、ノンスを使用してリプレイ攻撃を防ぎ、同じ送信者からのトランザクションの厳密な順序付けを強制します。

5. ブロックヘッダーに埋め込まれたタイムスタンプは個別に信頼されるものではありませんが、団体合意とチェーン全体の難易度調整を通じて信頼性を獲得します。

ネットワークレベルの防御戦略

1. ピアツーピア トポロジは、地理的に分散した数千のノードに制御を分散し、中心的な障害点や検閲を排除します。

2. ゴシップ プロトコルは、新しいトランザクションとブロックをネットワーク全体に急速に伝播させ、待ち時間を短縮し、冗長性を高めます。

3. シビル耐性技術は、単一のアクターが制御できるアイデンティティの数を制限します。多くの場合、ハッシュ パワーやステーキング トークンなどのリソース消費によって強制されます。

4. 適応難易度アルゴリズムは、ネットワーク全体のハッシュ レートやバリデータの参加の変化に対応し、リソースが変動しても一貫したブロック時間を維持します。

5. 軽量クライアントは、フルチェーン データをダウンロードせずにブロック ヘッダーとマークル パスを検証する SPV (Simple Payment Verification) 証明に依存し、セキュリティとアクセシビリティのバランスをとります。

よくある質問

Q: 今日、量子コンピューターはブロックチェーン暗号を破ることができますか?現在の量子コンピューターには、大きな RSA キーや逆 ECDSA 署名を因数分解するための十分な量子ビットとエラー訂正が不足しています。 NIST で標準化されたポスト量子暗号アルゴリズムは、いくつかのレイヤー 1 プロトコルで統合テスト中です。

Q: 2 つのブロックが同時にマイニングされた場合はどうなりますか?ノードは両方のブランチを一時的に受け入れます。より累積的なプルーフ・オブ・ワークまたはステークを蓄積したチェーンが正規になります。放棄されたフォーク内のトランザクションは、再含めるためにメモリプールに戻ります。

Q: ゼロ知識証明はブロックチェーンのセキュリティをどのように強化しますか?これにより、基礎となるデータを公開することなくトランザクションの有効性を検証できるため、コンセンサスの整合性を維持しながらプライバシーを保護できます。 zk-SNARK と zk-STARK は、それぞれ Zcash と StarkNet に展開されます。

Q: パーミッション型ブロックチェーンはパーミッションレス型ブロックチェーンよりも安全性が劣りますか?セキュリティの前提条件が異なります。許可されたチェーンは、検閲への耐性と引き換えに、スループットと規制遵守を実現します。彼らの脅威モデルは、敵対的な参加者ではなく信頼できる参加者を前提としているため、暗号化の保証は分散化よりも機密性と監査可能性へと移行しています。