ブロックチェーン学習ロードマップ

ブロックチェーンを支える暗号技術：ハッシュ関数、公開鍵暗号、電子署名の仕組みと役割

Tags: ブロックチェーン, 暗号技術, ハッシュ関数, 公開鍵暗号, 電子署名

ブロックチェーンの信頼性を支える暗号技術

ブロックチェーン技術がなぜ「信頼できる」「改ざんが難しい」と言われるのでしょうか。その答えの核心にあるのが、高度な暗号技術です。ブロックチェーンは、特定の管理者を持たない分散システムでありながら、参加者全員が共有するデータの整合性を保つ必要があります。これを可能にしているのが、データの「正真性」や「非否認性」を技術的に担保する暗号技術です。

Webエンジニアの皆様であれば、HTTPS通信におけるSSL/TLSなどで公開鍵暗号や証明書が使われていることをご存知かと思います。ブロックチェーンで利用される暗号技術も、その基本的な原理は同様ですが、分散環境におけるデータの記録と検証という、ブロックチェーンならではの目的に特化して応用されています。

この記事では、ブロックチェーンを理解する上で特に重要となる3つの暗号技術に焦点を当て、その仕組みとブロックチェーンにおける役割を技術的に詳しく解説します。

  1. 暗号学的ハッシュ関数
  2. 公開鍵暗号
  3. 電子署名

これらの技術がどのように組み合わさって、ブロックチェーンの安全性を実現しているのかを見ていきましょう。

暗号学的ハッシュ関数：データの指紋

最初に、ブロックチェーンの根幹をなす技術の一つである暗号学的ハッシュ関数について解説します。ハッシュ関数とは、任意の長さの入力データ（テキスト、画像、ファイルなど）を受け取り、固定の長さのバイト列（ハッシュ値、ダイジェスト、フィンガープリントとも呼ばれます）を生成する関数です。

入力データ → [ハッシュ関数] → 固定長のハッシュ値

ブロックチェーンで利用されるハッシュ関数は、単なるデータ変換ではなく、特に以下の暗号学的な性質を持つものが使用されます（例：SHA-256など）。

ブロックチェーンにおけるハッシュ関数の役割

これらの性質が、ブロックチェーンのいくつかの重要な仕組みで活用されています。

  1. データの改ざん検知: 各ブロックには、そのブロック内の全データ（トランザクションなど）から計算されたハッシュ値が含まれます。さらに重要なのは、各ブロックが「前のブロックのハッシュ値」を含むことです。これにより、ブロックはハッシュポインタの連鎖によって繋がります。もし過去のブロック内のデータがわずかでも改ざんされると、そのブロックのハッシュ値は全く別のものになります。その結果、次のブロックに含まれる「前のブロックのハッシュ値」と一致しなくなり、それ以降の全ブロックの整合性が崩れます。このようにして、ハッシュ関数の性質がブロックチェーンの改ざん耐性を技術的に保証しています。

    イメージとして、以下のような疑似コードでハッシュ値の計算を表現できます。

    ```python import hashlib

    def calculate_hash(data): # SHA-256ハッシュ関数を使用 sha256 = hashlib.sha256() sha256.update(data.encode('utf-8')) # 入力データをバイト列に変換 return sha256.hexdigest() # ハッシュ値を16進数文字列で取得

    例：ブロックデータをハッシュ化

    block_data = "トランザクションリスト + 前のブロックのハッシュ + タイムスタンプ + ノンス" block_hash = calculate_hash(block_data) print(f"ブロックデータのハッシュ値: {block_hash}") ```

    このように、データのフィンガープリントとしてハッシュ値を計算し、それをブロックの識別に利用します。

  2. プルーフ・オブ・ワーク (PoW) における利用: 多くのブロックチェーン（ビットコインなど）で利用される合意形成アルゴリズムであるPoWでは、「特定の条件を満たすハッシュ値を見つける」という計算問題を解くことが要求されます。例えば、「計算されたブロックのハッシュ値が、特定の桁数だけゼロで始まる」といった条件です。これは、ハッシュ関数の「計算困難性」と「アバランチ効果」を利用したものであり、正解を見つけるには試行錯誤（マイニング）が必要となります。これがブロック生成のコストとなり、不正なブロックを作成することを難しくしています。

公開鍵暗号：安全な鍵ペア

次に、公開鍵暗号について説明します。これは、暗号化と復号に異なる鍵のペアを使用する暗号方式です。

公開鍵暗号の主な用途は二つあります。

  1. 暗号化: 公開鍵で暗号化されたデータは、そのペアとなる秘密鍵でのみ復号できます。これにより、受信者の公開鍵を使ってデータを暗号化すれば、秘密鍵を持つ本人しかその内容を読めないため、データの機密性を確保できます。
  2. 電子署名: 秘密鍵で署名されたデータは、そのペアとなる公開鍵で署名を検証できます。これにより、データが確かにその秘密鍵の所有者によって作成され、かつ改ざんされていないことを証明できます。

ブロックチェーンにおける公開鍵暗号の役割

ブロックチェーンでは、主に二つ目の用途である電子署名の基盤として、公開鍵暗号が重要な役割を果たします。

電子署名：取引の正当性を証明する

最後に、電子署名です。これは、公開鍵暗号の仕組みを利用して、デジタルデータに対する署名を行い、そのデータの作成者が誰であり、データが改ざんされていないことを証明する技術です。

電子署名のプロセスは以下のようになります。

  1. 署名:

    • 署名したいデータ（例：ブロックチェーンではトランザクションデータ）のハッシュ値を計算します。（ここで暗号学的ハッシュ関数が再び登場します）
    • 計算されたハッシュ値を、自分の秘密鍵を使って暗号化（正確には署名アルゴリズムによる変換）します。これが電子署名となります。

    イメージ： トランザクションデータ → [ハッシュ関数] → ハッシュ値 ハッシュ値 + 秘密鍵 → [署名アルゴリズム] → 電子署名

  2. 検証:

    • 署名が付けられたデータと、そのデータに付随する電子署名、そして署名者の公開鍵を用意します。
    • 受け取ったデータそのものから、改めてハッシュ値を計算します。
    • 受け取った電子署名を、署名者の公開鍵を使って復号（検証アルゴリズムによる変換）します。これにより、元のハッシュ値が復元されます。
    • データから計算したハッシュ値と、電子署名から復元したハッシュ値が一致するかを確認します。

    イメージ： トランザクションデータ → [ハッシュ関数] → ハッシュ値A ↓ 比較 電子署名 + 署名者の公開鍵 → [検証アルゴリズム] → ハッシュ値B （ハッシュ値Aと一致すればOK）

ブロックチェーンにおける電子署名の役割

電子署名は、ブロックチェーンにおけるトランザクションの正当性を保証するために不可欠な技術です。

このように、電子署名によって、送金者が正当な所有者であること、そして送金内容が途中で変更されていないことが、中央機関を介さずに技術的に保証されます。

これらの技術が連携してブロックチェーンを構成する

暗号学的ハッシュ関数、公開鍵暗号、電子署名は、ブロックチェーンの様々な層で連携して機能しています。

これらの暗号技術の巧妙な組み合わせこそが、ブロックチェーンが分散環境下で高い信頼性とセキュリティを実現している理由なのです。

まとめと次の学習ステップ

この記事では、ブロックチェーンの基盤となる暗号技術、特に暗号学的ハッシュ関数、公開鍵暗号、電子署名の仕組みと、それらがブロックチェーンでどのように利用されているかを解説しました。これらの技術が、データの改ざん耐性、トランザクションの正当性、そして分散システムにおける信頼性を支えていることをご理解いただけたかと思います。

これらの暗号技術の理解は、ブロックチェーンをより深く学ぶ上での重要な土台となります。次に学習を進める上では、この記事で触れた技術が、ブロックチェーンの他の要素（例えば、ブロック構造の詳細、Merkle Tree、UTXOモデルにおけるトランザクション処理、異なる合意形成アルゴリズムにおけるハッシュ関数の具体的な利用方法など）とどのように連携しているのかを掘り下げていくことが推奨されます。

例えば、ビットコインのUTXOモデルでは、トランザクションの入力部分が前のトランザクションの出力への参照と、その出力を使用する権利を持つことを示す電子署名で構成されています。このような具体的な実装例を学ぶことで、暗号技術が実際のブロックチェーンシステムでどのように機能しているかの理解がさらに深まります。

これらの基礎技術をしっかりと押さえることで、より高度なブロックチェーンの概念や、スマートコントラクトのような応用技術の学習にもスムーズに進むことができるでしょう。