ブロックチェーンの「乱数」は、コンセンサスメカニズムにどのように適用されますか？

ブロックチェーンコンセンサスにおけるランダム性の役割

ブロックチェーンテクノロジーは、ネットワークの完全性とセキュリティを確保するために、コンセンサスメカニズムに大きく依存しています。これらのメカニズムは、トランザクションの新しいブロックがブロックチェーンにどのように追加されるかを決定し、これらのメカニズムの多くにおける重要な要素は乱数の生成です。このランダム性は、操作を防ぎ、参加しているノード間の公平性を確保するために不可欠です。それがなければ、悪意のある俳優は、ブロックチェーンの状態に対して過度の影響力を得る可能性があります。

異なるコンセンサスメカニズムとランダム性の使用

いくつかのコンセンサスメカニズムは、さまざまな方法でランダム性を利用しています。いくつかの顕著な例を探りましょう。

Proof-of-Stake（POS）： POSでは、有効な人は、彼らが賭けている暗号通貨の量に比例して選択されます。ただし、最もステークで検証装置を選択するだけで、潜在的な操作への扉が開かれます。したがって、多くのPOSシステムにランダム性が組み込まれ、検証装置が選択されています。このランダム性は、単一の強力なエンティティが検証プロセスを支配するのを防ぐのに役立ちます。ランダム性を導入するための特定の方法はさまざまで、多くの場合、暗号化のハッシュ関数とブロックタイムスタンプを含みます。

• 一般的なアプローチでは、検証可能なランダム関数（VRF）を使用して、バリデーターの利害関係やその他の要因に基づいて乱数を生成することが含まれます。
• 別の方法では、現在のブロックハッシュとバリデーターのステークの組み合わせを使用して、選択の確率を決定することが含まれます。

Proof-of-work（pow）：選択プロセスで乱数生成を明示的に使用していませんが、Powは暗黙的にマイニングプロセス自体を通じてランダム性に依存しています。難易度調整メカニズムにより、有効なブロックを見つける平均時間が比較的一定のままであることが保証されます。 「ランダム性」は、難易度のターゲットを満たすハッシュを見つけることの予測不可能な性質に由来しています。この固有のランダム性は、操作を防ぎ、ブロック作成の公平性を確保するために重要です。ただし、このランダム性は、POSメカニズムよりも制御が少なく検証可能です。

ランダムビーコン：一部のブロックチェーンプロジェクトは、コンセンサスメカニズムを含むさまざまなアプリケーションにランダム性のソースを提供するために、専用の「ランダムビーコン」を採用しています。これらのビーコンは暗号化技術を使用して、予測不可能で検証可能な乱数を生成します。目標は、単一のエンティティによる操作に耐性のあるランダム性の信頼できるソースを作成することです。このアプローチは、セキュリティと公平性が最も重要なシステムで特に重要です。堅牢なランダムビーコンは、単一のエンティティが多くのノードを制御するシビル攻撃などの攻撃に耐性があるように設計されています。

• 多くの場合、ランダムビーコンは複数のソースからの入力を組み合わせて、セキュリティとランダム性を高めます。
• ランダムビーコンの出力は、検証装置の選択やトランザクションの順序付けなど、コンセンサスメカニズムのさまざまな側面で使用できます。

ランダム性の実装における課題

ブロックチェーンのような分散システムに真の乱数生成を実装することは、大きな課題をもたらします。主な関心事は、生成された数値がランダムであり、すべての参加者が検証可能であることを保証することです。乱れた乱数ジェネレーターは、妥協したコンセンサスメカニズムにつながる可能性があります。

• バイアス：適切に設計されたアルゴリズムでさえ、悪意のある俳優によって搾取される可能性のある微妙なバイアスを示すことができます。このリスクを軽減するには、慎重な分析とテストが不可欠です。
• 予測可能性：攻撃者が生成された乱数を予測できる場合、コンセンサスメカニズムを有利に操作できます。このような予測可能性を防ぐには、暗号化技術が重要です。
• 検証可能性：すべての参加者は、生成された数値が実際にランダムであり、改ざんされていないことを確認できる必要があります。透明性と暗号化された証明は、この検証可能性を達成するための鍵です。

暗号化ハッシュ関数の重要性

暗号化ハッシュ関数は、ブロックチェーンコンセンサスメカニズムの乱数を生成する上で重要な役割を果たします。これらの関数は、あらゆるサイズの入力を取り、固定サイズの出力を生成します。これは、リバースエンジニアリングすることは実際には不可能です。入力がそうでない場合でも、出力はランダムに見えます。このプロパティは、生成された数値の予測不可能性を確保するために不可欠です。一般的に使用されるハッシュ関数の例には、SHA-256とSHA-3が含まれます。

検証可能なランダム関数（VRF）

VRFは、ランダム性と検証可能性の両方を提供する特別なタイプの暗号化機能です。単一のエンティティが乱数を生成すると同時に、他のエンティティが数字が正しく操作されずに生成されたことを確認できるようにします。このプロパティは、参加者が選択プロセスのランダム性を信頼する必要があるコンセンサスメカニズムに特に役立ちます。

ランダム性が低いというセキュリティへの影響

欠陥または予測可能な乱数ジェネレーターの使用は、ブロックチェーンに深刻なセキュリティに影響を与える可能性があります。悪意のある俳優が次のようにすることができます

• 制御ブロックの作成：乱数を予測することにより、攻撃者はブロックチェーンへの新しいブロックの追加を不均衡に制御することができます。
• トランザクションの注文を操作する：トランザクションの注文が予測可能な乱数ジェネレーターの影響を受ける場合、攻撃者は他の人よりもトランザクションを優先することができます。
• サービス拒否攻撃の起動：乱数生成プロセスを中断することにより、攻撃者はブロックチェーンネットワーク全体を倒す可能性があります。

よくある質問

Q：非ランダムコンセンサスメカニズムの結果は何ですか？

A：非ランダムコンセンサスメカニズムは、いくつかの強力なエンティティがネットワークを制御する集中化につながる可能性があります。これは、ブロックチェーンが達成することを目的とする分散化とセキュリティの中核原則を損ないます。また、操作と検閲のリスクを高めます。

Q：分散環境でランダム性はどのように保証されますか？

A：ランダム性は、VRFなどの暗号化技術を通じて、および複数のソース（たとえば、ブロックハッシュ、タイムスタンプ、バリデーターステーク）からの入力を組み合わせて、予測を非常に困難にすることにより保証されます。目標は、単一のエンティティが結果に影響を与えることができないシステムを作成することです。

Q：Quantum Computingは、ブロックチェーンコンセンサスで使用されるランダム性を脅かすことができますか？

A：はい、将来の量子コンピューターは、乱数を生成するために現在使用されている暗号化アルゴリズムの一部を潜在的に破壊する可能性があります。この潜在的な脅威に対処するために、量子耐性の暗号化技術の研究が進行中です。カント科の暗号化後の暗号化への移行は、ブロックチェーンコンセンサスメカニズムのセキュリティを維持するために重要です。

Q：すべてのブロックチェーンコンセンサスメカニズムは、乱数の生成に等しく依存していますか？

A：いいえ、乱数生成への依存度は、異なるコンセンサスメカニズムによって異なります。 POSメカニズムは、一般に、マイニングプロセスの固有のランダム性に依存するPOWメカニズムよりも、バリデーター選択のランダム性に大きく依存しています。ただし、POWメカニズムでさえ、難易度調整などの側面におけるランダム性の恩恵を受けます。