ハッシュはブロックチェーン技術をどのように保護するのか？

ハッシュは破壊不可能なデジタル指紋を作成し、ブロックチェーン技術を安全にします。チェーン内の各取引とブロックには、それぞれ独自の署名が付与されます。このデジタル基盤は、誰も痕跡を残さずに変更できない恒久的な記録を提供します。

Blockchain のハッシュ処理は、高度なセキュリティシステムのように機能します。各ブロックの固有の署名には、自身のハッシュと前のブロックのハッシュの両方が含まれています。このシステムはすべての情報をリンクし、改ざんを非常に困難にします。ハッシュ関数は SHA-256 などの強力なアルゴリズムを使用して、データを固定長の出力に変換します。これらの出力は改ざん防止 ID として機能し、ブロックチェーンネットワークの完全性とセ

ハッシュ関数がどのようにブロックチェーン技術を支えているのかを探ってみましょう。データ改ざんを防ぐ役割と、分散型ネットワークのセキュリティを維持するためになぜ重要なのかを見ていきます。

ブロックチェーン技術におけるハッシュ関数とは何ですか？

「ハッシングはブロックチェーンのセキュリティの核となる。」 — アラン・T・ノーマン, ブロックチェーン専門家・著者

ハッシュ関数は、ブロックチェーンアーキテクチャの生命線です。これらの暗号メカニズムはシステム全体を保護します。ブロックチェーンのセキュリティにとって、これらの数学的アルゴリズムがなぜ重要なのかを見ていきましょう。

ハッシュ関数の定義と基本的な特性

ハッシュ関数は、任意のサイズのデータを 固定長の文字列 に変換する数学的アルゴリズムとして機能します。出力はランダムに見え、元の情報の一意のデジタル指紋として機能します。この出力は、しばしば「ハッシュ値」、「ハッシュコード」、または「ダイジェスト」と呼ばれます。

ブロックチェーンアプリケーションは、暗号学的に安全であるために特定の特性を持つハッシュ関数が必要です。この関数は決定論的でなければならず、これは同じ入力が常に同様のハッシュ出力を生成することを意味します。衝突耐性が必要であり、これにより同じハッシュを生成する異なる入力を見つけることが難しくなります。良いハッシュ関数は「雪崩効果」を示し、入力の1文字を変更するだけで完全に異なるハッシュが生成されます。

ある暗号学の専門家は次のように述べています。「良いハッシュ関数は2つの簡単な特性を満たすべきです。計算が非常に速く、出力値の重複（衝突）を最小限に抑えるべきです。」これらの特性は一緒に働いて、ブロックチェーンデータを改ざんから保護します。

一方向変換プロセス

一方向の性質は、ブロックチェーン技術におけるハッシュ関数の主要なセキュリティ機能として際立っています。入力データからハッシュを簡単に作成できますが、ハッシュから元の入力を逆算して取得することはできません。

この品質は技術的な用語で「前画像耐性」と呼ばれ、ブロックチェーンに基本的なセキュリティを与えます。それを卵をかき混ぜるようなものだと考えてください。黄身を戻して殻を再封印することはできません。

ハッシュ関数は「第二の前画像耐性」も示します。入力とそのハッシュの両方を知っていても、同じハッシュを生成する別の入力を見つけることはできません。悪意のあるアクターは、同じハッシュ値を維持しながら、実際のデータを偽の情報に置き換えることができません。

一方向の変換はブロックチェーンを説明可能にします。ハッシュ化されチェーンに追加されたデータは変更されません。これがブロックチェーンを不変にする理由です。

入力サイズに関係なく固定された出力長

ハッシュ関数は、入力のサイズに関係なく、常に同じ長さの出力を作成します。たとえば、ビットコインやその他の暗号通貨で使用されているSHA-256は、常に256ビットのハッシュ値を作成します（通常は64の16進数の文字として表示されます）。これは、1つの単語を入力する場合でも、1冊の本を入力する場合でも発生します。

この固定長は、ブロックチェーン技術をいくつかの方法で支援します：

• データ構造はブロックチェーン全体で一貫性を保ちます。
• 取引データの保存と処理が効率的になります。
• 検証プロセスはネットワーク全体で同じように機能します。
• 計算ニーズが予測可能になります。

ハッシュ関数は、取引データの大きな塊を固定サイズの値に圧縮し、ブロックチェーンネットワークが簡単に保存、送信、検証できるようにします。固定長のマッピングは、ブロックチェーンがさまざまなサイズの取引を処理できるようにし、安定したパフォーマンスを維持します。

ハッシュ関数は、ブロックチェーン技術に検証可能なデジタル指紋を作成する賢い方法を提供します。これらの指紋は、中央の権限を信頼するのではなく、数学を通じてデータが無傷であることを保証します。

ブロックチェーンハッシュのコアメカニズム

高度な暗号化ハッシュは、ブロックチェーンのセキュリティアーキテクチャの中核に位置しています。このシステムは、分散型台帳システムの技術的基盤として機能します。ブロックチェーンの有名な不変性と信頼性のなさは、このハッシュの基盤の上に成り立っています。

ユニークなデジタル指紋を作成する

ブロックチェーンのハッシュ化は、あらゆるサイズのデータを固定長の文字列に変換し、一意のデジタル指紋のように機能させます。これらの指紋は改ざん防止シールとして機能し、ブロックチェーンデータの完全性を保護します。ハッシュ関数を通過したデータは、特定のデータセットを識別する一意の出力を生成します。

各ブロックの暗号表現は、そのハッシュを通じて一意に識別可能にします。取引にわずかな変更を加えると、劇的に異なるハッシュが生成されます – 専門家はこれを雪崩効果と呼びます。したがって、データを変更しようとする者は、システムが変更をすぐに検出するため、足跡を隠すことができません。

これらのデジタル指紋は、ブロックチェーンネットワークに次のことを可能にします：

• 元のコンテンツを表示せずにデータが本物であることを証明する
• ごく小さな不正な変更も検出します。
• トランザクションを時間順に保持する
• データが無傷であることの証拠を示してください。

前のブロックのハッシュを通じてブロックをリンクする

ブロックチェーンの優れた設計は、ブロックがハッシュポインタを通じてどのように接続されるかに表れています。各ブロックは、そのユニークなハッシュと前のブロックのハッシュをヘッダーに保持しています。暗号学者はこれを「ブロックのチェーン」と呼びます – これがブロックチェーンを特別にする重要な特徴です。

新しいブロックは、有効であるために前のブロックのハッシュを指す必要があります。これにより、ブロック間に時間的および暗号的な結びつきが生まれます。古いブロックに変更を加えると、新しいハッシュが生成され、後続のすべてのブロックとの接続が断たれます。

ブロックチェーンのデータを改ざんしようとする者は、変更後にすべてのブロックのハッシュを再計算する必要があります。この作業は10年経過したネットワークでは不可能になります。この機能が、ブロックチェーンの有名な不変性を生み出します。

以前のブロックハッシュは、すべての取引履歴を暗号的に固定します。セキュリティ専門家はこう説明します。「ブロックヘッダー内のたった1ビットを変更するだけで、ブロックヘッダーのハッシュが異なるものになり、変更されたブロックは無効になります。」

ネットワーク全体でのデータ一貫性の確保

ハッシュ関数は、分散されたブロックチェーンネットワーク全体でデータの一貫性を維持するのに役立ちます。ブロックハッシュは、各トランザクションを個別に処理することなく、グループ化されたトランザクションをコンパクトに確認する方法を提供します。

ネットワークは、世界中に分散されたノードがあっても、ハッシュベースのコンセンサスを通じて現在の台帳状態に合意します。ノードはブロックハッシュを独立して確認し、ブロックチェーンのコピーが他のすべてと一致することを確認します。

マークルツリーは層状のハッシュを使用して、多くの取引を効率的に整理します。ノードはブロックチェーン全体をダウンロードせずに、ブロック内の特定の取引を検証できます。これは成長にとって重要な機能です。

ユニークな指紋、ブロックリンク、およびネットワーク全体の検証は、ハッシュを通じて一緒に機能します。これらの機能により、ブロックチェーン技術は検閲、改ざん、および不正な変更に対して耐性を持ちます。

ハッシュ関数はどのようにデータの改ざんを防ぐか

ブロックチェーン技術の改ざん耐性は、ハッシュ関数がデータのわずかな変更にもどのように反応するかから来ています。複数の暗号化保護層により、ブロックチェーンの記録は捕まることなく変更することがほぼ不可能です。

暗号学的ハッシュにおける雪崩効果

暗号学的ハッシュ関数には、「アバランチ効果」と呼ばれる重要なセキュリティ機能があります。これは、わずかな入力データの変更—例えば、1ビットだけを変更する—が、ハッシュ出力に大きくランダムな変化を引き起こす場合に発生します。1ビットの変更は、通常、出力ビットの約半分を異なる位置に移動させます。

似たような入力が全く異なる出力を生成する方法は、強力なセキュリティシールドを構築します。実際の例を見てみましょう：もし誰かがブロックチェーンの取引データをわずかに変更しようとすると、元のものとは全く異なるハッシュが得られます。暗号学の専門家はこう言っています：「実際には、衝突、プレイメージおよびセカンドプレイメージの耐性を含む基本的なセキュリティ要件を示す強力なランダム化。」

ブロックデータのわずかな変更を検出する

ブロックチェーンネットワークは、このプロセスを通じて改ざんの試みをすぐに発見します。各ブロックはそのデータのハッシュを保持しており、どんな小さな変更でも、非常に異なるハッシュ値を生成します。この迅速な検出により、ブロックチェーンはデータを安全に保つ信頼できる方法となります。

改ざん検出プロセスは、次の理由で機能します：

• ブロックのハッシュは、作成時のその完全な状態をキャプチャします。
• ネットワークノードはブロックハッシュを確認して、それらのブロックチェーンコピーを検証します。
• 異なる計算されたおよび保存されたハッシュ値は、改ざんの可能性を示唆しています。
• システムは間違ったハッシュを持つブロックを自動的に拒否します。

はい、この検出が単一の取引を超えて機能することは事実です。各ブロックのハッシュは、すべてのデータの合法性を確認する暗号学的な要約として機能し、ネットワーク全体で不正な変更をすぐに示します。

リンクされたブロックを変更する計算の難易度

ブロックチェーンのハッシュ化の最大のセキュリティ機能は、リンクされたブロックを変更する際の膨大な計算の挑戦かもしれません。各ブロックには前のブロックのハッシュが含まれているため、データを変更することは、そのハッシュとそれに続くすべてのブロックのハッシュを再計算することを意味します。

この接続された構造は、セキュリティ専門家が「連鎖反応」要件と呼ぶものを作り出します。ブロックチェーンデータを成功裏に操作するために、攻撃者は次のことを行う必要があります：

1. ターゲットブロックデータを変更する
2. そのブロックの新しいハッシュを取得する
3. 次のブロックの「Previous Hash」値を更新する
4. 後続のすべてのブロックの新しいハッシュを取得する
5. 新しいブロックがチェーンに参加するよりも速くこれを行ってください。

10年の歴史があるブロックチェーンネットワークで数千のノードがある場合、この作業はほぼ不可能になります。本物のチェーンは攻撃者がいくつかのブロックを再計算する前に長くなり、ネットワークは変更されたバージョンを偽物として排除します。

要約すると、雪崩効果、迅速な検出能力、膨大な計算ニーズの組み合わせが、信頼性の高いセキュリティシステムを作り出し、ブロックチェーン技術を改ざんすることが非常に難しくしています。

主要なブロックチェーンでの人気のあるハッシュアルゴリズム

異なるブロックチェーンネットワークは、さまざまなハッシュアルゴリズムを使用します。各ネットワークは、そのパフォーマンスと必要なセキュリティに基づいてアルゴリズムを選択します。これらの選択は、各プラットフォームのセキュリティと効率に影響を与えます。

BitcoinのSHA-256

BitcoinはSHA-256（Secure Hashing Algorithm-256）をその主要な暗号化機能として使用します。このアルゴリズムはNSAによって開発され、Bitcoinネットワークの多くの部分を保護するために固定の256ビット出力を生成します。SHA-256は公開アドレスを規制し、デジタル署名を通じて取引の検証を簡単にします。これらの署名は、コンテンツを表示せずにデータを保護します。

Bitcoinは、セキュリティを向上させるためにSHA-256を2回使用するユニークなアプローチを取ります。このダブルハッシュ方式は、長さ拡張攻撃などの問題を防ぐのに役立ちます。

SHA-256はProof of Workマイニングで重要であり、マイナーがブロックのハッシュを計算します。各ブロックには、前のブロックを指すSHA-256ハッシュがあります。このハッシュのチェーンがブロックチェーンを安全に保ちます。

EthereumのEthash

Ethereumの最初のProof of Workシステムは、Dagger-Hashimotoアルゴリズムを修正したEthashを使用していました。SHA-256とは異なり、EthashはASICマイニングに耐えるように作られました。この設計により、より多くの人々が通常のコンピュータを使ってマイニングできます。

Ethashの動作方法は次のとおりです：

• ブロックヘッダーからシードを作成します
• 16 MBの疑似ランダムキャッシュを作成
• キャッシュを使用して 4+ GB のデータセット (DAG) を構築
• マイニング中にDAGからランダムな値を選択します
• キャッシュメモリを通じて結果を確認

このメモリを多く消費する設計により、Ethereumはブロック時間を約12秒に維持できます。また、マイニングハードウェアの過度な集中化を防ぎます。

Zcash の Blake2b

Zcash は Blake2b ハッシュアルゴリズムを選択しました。なぜなら、それは他のものよりも優れているからです。Blake2b は SHA-256 や SHA-512 よりも高速ですが、同じくらい安全です。

ZcashはEquihashのプルーフ・オブ・ワークシステムでBlake2bを使用しています。 このアルゴリズムは64ビットシステムで優れた動作をします。 MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3よりも高速でありながら、より安全です。

セキュリティとパフォーマンスのトレードオフの比較

これらのアルゴリズムは、セキュリティとパフォーマンスのバランスを異なる方法で取ります。SHA-256 は信頼性が高く広くテストされていますが、多くの計算能力を必要とします。Ethash はマイニングを分散化することに重点を置いていますが、より多くのメモリを使用します。

Blake2bは最もバランスの取れたオプションかもしれません。それは速くて安全です。テストでは、Blake3のような新しいアルゴリズムが、速度と応答時間において古いものよりも優れていることが示されています。

アルゴリズムの選択は、各ブロックチェーンがセキュリティをどのように扱うかを形作ります。これは、マイニング機器への耐性、量子コンピュータの脅威、トランザクションの処理速度などに影響を与えます。

実世界のセキュリティの課題とハッシュソリューション

ブロックチェーンネットワークはセキュリティのために強力なハッシュ関数に依存していますが、基本的な脆弱性は依然としてそのセキュリティモデルに対する課題を提示しています。この技術は安全を維持するために、ハッシュベースの対策を継続的に開発する必要があります。

51%攻撃防止

51%攻撃は、1つのエンティティがネットワークのハッシュパワーの半分以上を制御しているときに発生します。攻撃者は新しいトランザクションをブロックしたり、ユーザー間の支払いを停止したり、完了したトランザクションを取り消したりできます。Bitcoin Goldはこれを苦い経験から学びました。ネットワークは2018年に約1800万ドル](https://hacken.io/discover/51-percent-attack/)を失い、2020年にも再度攻撃を受けました。

小さなブロックチェーンは、特にハッシュの処理能力が制限されている場合、これらの攻撃にうまく対処できません。これらを防ぐ方法は次の通りです：

• コンセンサスアルゴリズムの変更: Proof of Work から Proof of Stake への移行は攻撃コストを大幅に増加させます。
• 遅延確認: より長い取引検証時間は、攻撃者が長期間制御を維持することを強制します。
• 反撃: 被害者はハッシュレートをレンタルして、元のチェーンでマイニングを行い、攻撃者を阻止することができます

二重支払い防止

二重支出は、ユーザーが同じ暗号通貨を複数回使おうとする基本的なセキュリティの課題です。ハッシュ関数とコンセンサスメカニズムを組み合わせることで、この問題を防ぐことができます。

ビットコインのネットワークは、10分間のブロック作成遅延があり、ハッシュベースのプルーフ・オブ・ワークを使用しています。これにより、二重支払いが達成しにくくなる時間的な障壁が生まれます。それにもかかわらず、攻撃者はレース攻撃やフィニー攻撃のような高度な方法を使用して、確認プロセスを操作します。

量子コンピュータによる現在のハッシュ関数への脅威

量子コンピュータは、ブロックチェーンのセキュリティに対する最大の脅威を表すかもしれません。強力な量子コンピュータで動作するショアのアルゴリズムは、デジタル署名の楕円曲線暗号を破る可能性があります。これにより、秘密鍵が露出する可能性があります。

グローバーのアルゴリズムは、SHA-256のようなハッシュ関数を解決するプロセスを4倍速くします。科学者たちは、量子コンピュータがRSAキーを約8時間で解読できる可能性があると考えています。ビットコインの署名は30分以内に脆弱になるかもしれません。

研究者たちはこれらの新しい脅威に対処するために量子耐性のあるソリューションを作成しています：

• 数学的ノイズを使用した格子ベースの暗号技術
• 誤り訂正符号を使用したコードベースの暗号化
• 量子アルゴリズムに耐性のあるハッシュベースの暗号技術

結論

ハッシュ関数はブロックチェーンのセキュリティの命です。これらの高度な暗号化メカニズムは壊れない盾を提供します。一方向の変換特性と雪崩効果により、ブロックチェーンネットワークは改ざんの試みに対して耐性を持ちます。

異なるプラットフォームは、数学的確実性を通じてデータの整合性を維持するために、ニーズに基づいてハッシュアルゴリズムを選択します。ビットコインのSHA-256、イーサリアムのEthash、ZcashのBlake2bは、セキュリティとパフォーマンス要件のバランスを取るユニークなアプローチを示しています。

量子コンピュータと51％攻撃は、ブロックチェーンのセキュリティに継続的な課題を生み出しています。ハッシュベースの保護メカニズムの進展は、変更不可能で分散型の記録保持というブロックチェーンの約束を維持するために重要です。

これらの基本的な概念は、なぜハッシュ関数がブロックチェーン技術の命の源であるかを理解するのに役立ちます。現在、ブロックチェーンアプリケーションはさらに多くの業界に拡大しており、その強力なセキュリティフレームワークは間違いなく私たちのデジタル世界を形作るでしょう。