ブロックチェーン学習ロードマップ

ブロックチェーンネットワークのセキュリティリスクと防御策：51%攻撃などの技術的視点

Tags: ブロックチェーン, セキュリティ, ネットワーク, コンセンサスアルゴリズム, 51%攻撃

はじめに：ブロックチェーンのセキュリティはどこで担保されるのか

ブロックチェーン技術は、「安全性が高い」「改ざんが難しい」といった特徴を持つと広く認識されています。これは、ブロックチェーンが単一の主体によって管理されるのではなく、複数のノード間でデータを共有し、特定のルール（合意形成アルゴリズム）に基づいてトランザクションの正当性やブロックの追加を決定する分散システムであることに起因しています。

これまでの学習で、ブロックチェーンのセキュリティが暗号技術（ハッシュ関数や公開鍵暗号）、分散型データ構造（改ざん耐性のあるブロックチェーン構造）、そして分散ネットワークによって支えられていることを理解されたかもしれません。しかし、これらの要素に加えて、ネットワーク全体のセキュリティも非常に重要です。ネットワークは、悪意のある攻撃者によって脆弱性を突かれる可能性があります。

本記事では、ブロックチェーンネットワークが直面しうる主要なセキュリティリスクと、それらに対する技術的な防御策、特に合意形成アルゴリズムが果たす役割に焦点を当てて解説します。プログラミングやネットワーク技術の知識をお持ちであれば、分散システムにおけるセキュリティの課題として、これらの仕組みをより深く理解していただけるでしょう。

ブロックチェーンネットワークのセキュリティ基盤

ブロックチェーンネットワークのセキュリティは、主に以下の技術要素によって成り立っています。

これらの技術が組み合わさることで、ブロックチェーンは高い耐改ざん性と可用性を実現していますが、分散システム特有の攻撃手法も存在します。

主要なネットワークレベルのセキュリティリスク

ブロックチェーンネットワークは、その分散性ゆえに、従来の集中型システムとは異なる種類のセキュリティリスクに直面します。

Sybil Attack（シビル攻撃）

Sybil Attackは、攻撃者が多数の偽のID（この場合、ノード）をネットワーク内に生成し、ネットワークの機能を妨害しようとする攻撃です。P2Pネットワークでは、参加が自由であることが多いため、攻撃者は容易に多数のノードを立ち上げることができます。

攻撃の目的は、ネットワークの大多数を占めることで、特定のノードとの通信を遮断したり、不正な情報を伝播させたりすることです。例えば、特定のノードに対してトランザクションやブロックの情報を届けないようにすることで、ネットワークの一部を孤立させ、後の攻撃（例：二重支払い）を容易にする可能性があります。

Sybil Attackへの耐性: Sybil Attackへの耐性は、主に合意形成アルゴリズムによって提供されます。 * PoW: 大量の計算能力（ハッシュレート）を必要とするため、多数のノードを立ち上げるだけではネットワークに影響を与えることは困難です。各ノードの「重み」は計算能力によって決まります。 * PoS: 大量のステーク（仮想通貨の保有量）を必要とするため、単にノード数を増やしても影響力は増えません。各ノードの「重み」はステーク量によって決まります。 このように、参加にコスト（計算能力や資産）を要求することで、多数の偽IDを作成することの経済的・技術的なハードルを上げています。

51% Attack（51パーセント攻撃）

51% Attackは、特定の攻撃者または攻撃者グループが、ネットワーク全体の計算能力（PoWの場合）またはステーク総量（PoSの場合）の過半数（51%以上）を支配することによって引き起こされる攻撃です。

過半数のパワーを持つことで、攻撃者は以下の不正行為を行うことが技術的に可能になります。

  1. 二重支払い（Double Spending）: 攻撃者自身のトランザクションを覆し、既に支払いを行った資産を別の宛先にも送金する。例えば、商品を仮想通貨で購入した後に、その支払いを無効にするような新しいトランザクションを生成し、自分自身に同じ資産を送金する。
  2. 新規トランザクションの承認拒否/遅延: 特定のユーザーやアドレスからの正当なトランザクションをブロックに取り込まないようにする。
  3. 他のマイナー/バリデーターが生成したブロックの無効化: 自身が生成したブロックよりも短いチェーンを意図的に作り、他の参加者が生成したブロックを無効にすることで、チェーンの分岐（フォーク）を操作する。

51% Attackへの耐性: 51% Attackへの耐性は、合意形成アルゴリズムの設計に深く依存します。 * PoW: 攻撃を実行するには、ネットワーク全体の過半数のハッシュレートが必要です。これは莫大な計算リソースと電力コストを伴います。ビットコインのような大規模なPoWチェーンでは、過半数のハッシュレートを確保することが極めて非現実的なほど高コストになります。また、攻撃によってチェーンの信頼性が損なわれれば、そのチェーン上の仮想通貨の価値が暴落し、攻撃に投じたコストを回収できなくなるという経済的な抑止力も働きます。 * PoS: 攻撃を実行するには、ネットワーク全体の過半数のステークが必要です。これも多額の資産を保有している必要があります。PoSでは、不正行為を行ったバリデーターのステークが没収される（スラッシング）メカニズムがあるため、攻撃者は自身の資産を失うリスクを負います。また、多くのPoSチェーンは、ブロックの「ファイナリティ（最終性）」を保証する仕組みを取り入れており、一度確定したブロックを覆すことがPoWよりも技術的に困難になっています。

特にPoWにおける51% Attackは、理論上は可能ですが、実質的なコストと経済的なインセンティブによって抑制されている側面が強いです。

Eclipse Attack（エクリプス攻撃）

Eclipse Attackは、攻撃者が標的となる特定のノードをネットワークの他のノードから隔離し、攻撃者のノードのみと通信させるように仕向ける攻撃です。これにより、標的ノードはネットワークの正確な状態（有効なトランザクションや最新のブロック）を把握できなくなり、攻撃者は標的ノードに対して二重支払いのような不正行為を仕掛けやすくなります。

例えば、攻撃者は標的ノードの持つ接続を独占的に確立し、他の正当なノードからの接続を拒否するように操作します。標的ノードは、攻撃者のノード経由でしか情報を受け取れなくなり、攻撃者が意図的にフィルタリングした情報（例えば、攻撃者自身による二重支払いトランザクションの一方だけ）を受け取ることになります。

Eclipse Attackへの耐性: Eclipse Attackへの耐性は、主にP2Pネットワークの設計によって決まります。 * ランダムな接続選択: ノードが接続するピアをランダムに選択し、特定のノードに依存しないように設計することで、攻撃者が接続を独占することを困難にします。 * 接続数の制限: ノードが確立できる接続数に上限を設けることで、攻撃者が多数の接続を占有することを難しくします。 * ピア検出メカニズム: ネットワーク内の他の正当なノードを発見し、接続を維持するための頑健なメカニズムを備えることも重要です。

Double Spending（二重支払い）

二重支払いは、同じ資産を異なる二つの宛先に対して送金しようとする不正行為です。中央集権的なシステムでは、データベースで資産残高を一元管理するため、このような問題は発生しません。しかし、分散システムでは、どのノードがどのトランザクションを最初に受け取ったか、またはどのトランザクションが先にブロックに取り込まれたかを決定する際に競合が発生する可能性があります。

ブロックチェーンでは、トランザクションがブロックに取り込まれ、さらにそのブロックの上に新しいブロックが積み重ねられることで、そのトランザクションの「確定性（Confirmation）」が高まります。より多くのブロックが上に積まれるほど、過去のトランザクションが覆される可能性は低くなります。二重支払い攻撃は、この確定性の遅延や、先に解説した51% Attackなどを利用して行われます。

二重支払いへの耐性: 二重支払いへの最も基本的な耐性は、トランザクションがブロックに取り込まれること、そしてそのブロックが合意形成プロセスを経てチェーンに追加されることによって提供されます。 * Mempool: 未確認のトランザクションはMempool（トランザクションプール）に待機しますが、同じ資産の二重支払いと見なされるトランザクションは通常、ネットワークノードによって拒否されます。 * 合意形成: 有効なトランザクションのみがブロックに取り込まれ、最も長く、合意されたチェーンの一部となります。異なるトランザクション（同じ資産の二重支払い）を含む二つのブロックが同時に生成された場合（一時的なフォーク）、ネットワークは最終的に一方のチェーンを選択し、もう一方のチェーン上のトランザクションは無効となります。 * 確定性: トランザクションの確定性を待つことで、二重支払い攻撃のリスクを大幅に低減できます。必要な確定数は、トランザクションの価値やリスク許容度によって異なりますが、通常6ブロック程度の確定があれば十分に安全と見なされることが多いです（特にPoWの場合）。PoSにおけるファイナリティ保証のあるチェーンでは、確定までの時間が短い場合もあります。

技術的な防御策としての合意形成アルゴリズム

上記のリスクへの耐性の多くは、合意形成アルゴリズムの設計思想と密接に関連しています。

Proof of Work (PoW)

PoWでは、マイナーは計算量の多い「マイニング」プロセスを通じて新しいブロックの生成権を獲得します。このプロセスは、ネットワーク全体のハッシュレートが高ければ高いほど、個々の攻撃者が過半数の計算能力を確保することが経済的・技術的に困難になります。攻撃者が51%のハッシュレートを獲得したとしても、正当なマイナーが協調して攻撃者のチェーンに対抗することで、攻撃を無効化できる可能性があります。PoWのセキュリティは、莫大なエネルギー消費という物理的なコストによって担保されていると言えます。

Proof of Stake (PoS)

PoSでは、バリデーターは保有するステーク量に応じてブロック生成権やトランザクション検証権を獲得します。攻撃者が51%のステークを獲得するには、ネットワーク上の仮想通貨の過半数を購入する必要があり、これは莫大な資産を必要とします。さらに、PoSの設計には、不正行為に対する「スラッシング」というペナルティがあり、攻撃者は自身のステークを没収されるリスクを負います。PoSのセキュリティは、攻撃者に自身の資産を失わせるという経済的なリスクによって担保されていると言えます。また、PoSの多くは、特定のしきい値以上のバリデーターが同意すればブロックが確定し、覆すことがほぼ不可能になる「ファイナリティ」の概念を持ち、二重支払いに対する迅速な耐性を提供します。

PoWとPoSは、それぞれ異なるメカニズムでSybil Attackや51% Attackに対する耐性を提供しており、どちらも高度なセキュリティを実現しています。どちらのアルゴリズムを採用するかは、スケーラビリティ、分散性、環境負荷など、セキュリティ以外の要素と合わせて検討されます。

既存の分散システムとの比較

Webエンジニアの方であれば、分散システムやデータベースのレプリケーション、分散合意アルゴリズム（Paxos, Raftなど）に触れたことがあるかもしれません。ブロックチェーンの合意形成アルゴリズムは、これらの分散合意アルゴリズムの一種と見なすことができますが、「ビザンチン将軍問題」というより悪意のあるノードが存在する可能性を前提とした合意形成（ビザンチン耐性）を目指している点が異なります。

従来の分散データベースのレプリケーションでは、障害は発生するがノードは正直である（クラッシュ障害のみ）という前提で設計されることが多いです。しかし、ブロックチェーンのようなパーミッションレスなネットワークでは、誰でも参加でき、悪意のあるノードが存在する可能性があります。ブロックチェーンの合意形成アルゴリズム（特にPoWやPoS）は、このような悪意のあるノードが存在する環境下でも、ネットワーク全体として正しい状態に合意し、不正な行為を排除することを目指しています。

まとめと今後の学習示唆

ブロックチェーンネットワークのセキュリティは、単にデータを暗号化したり分散したりするだけでなく、P2Pネットワーク設計、暗号技術、そして特に合意形成アルゴリズムが複合的に連携することで実現されています。Sybil Attackや51% Attack、Eclipse Attackといった主要なネットワークリスクに対し、PoWやPoSといった合意形成アルゴリズムが経済的または技術的な障壁を設けることで耐性を提供しています。

これらの攻撃手法や防御メカニズムを理解することは、ブロックチェーン技術の信頼性を深く理解する上で不可欠です。

今後の学習では、特定のブロックチェーン（例：Ethereum, Bitcoin, Polkadotなど）が具体的にどのような合意形成アルゴリズムを採用し、どのようにネットワークセキュリティを実装しているのかを掘り下げてみてください。また、新しいコンセンサスアルゴリズム（例えば、DPoS, PBFT, Hybridモデルなど）が、これらのリスクに対してどのような異なるアプローチを取っているのかを学ぶことも、ブロックチェーン技術の進化を理解する上で有益です。スマートコントラクトのセキュリティだけでなく、ネットワーク全体のセキュリティにも目を向けることで、より包括的なブロックチェーン技術の理解につながるでしょう。