ブロックチェーン学習ロードマップ - ブロックチェーンにおけるトランザクション署名と検証の技術：公開鍵暗号と電子署名の応用

ブロックチェーンにおけるトランザクション署名と検証の技術：公開鍵暗号と電子署名の応用

Tags: ブロックチェーン, トランザクション, 電子署名, 公開鍵暗号, セキュリティ

ブロックチェーンにおけるトランザクション署名の重要性

ブロックチェーン技術の根幹をなす要素の一つに、トランザクションの信頼性とセキュリティがあります。ブロックチェーン上で行われるすべての価値移動や状態変化は、トランザクションとして記録されます。これらのトランザクションが正当な所有者によって実行され、かつ途中で改ざんされていないことを保証するために不可欠なのが「署名」の技術です。

従来のシステムでは、中央集権的な機関（銀行など）が取引の正当性を保証します。しかし、非中央集権を特徴とするブロックチェーンでは、特定の管理者に頼ることはできません。そこで、暗号技術を用いた電子署名が、トランザクションの発信者が秘密鍵の所有者であること、そしてトランザクションの内容が署名後に変更されていないことを証明する役割を担います。

この署名と検証のプロセスは、ブロックチェーンが分散環境下で信頼性を確立するための基盤技術です。公開鍵暗号の仕組みを理解することが、この技術の本質を把握する上で重要となります。

公開鍵暗号と電子署名の基礎

トランザクション署名では、主に公開鍵暗号システムと電子署名の技術が利用されます。プログラミング経験のある方であれば、SSH接続やSSL/TLS証明書などで公開鍵暗号に触れたことがあるかもしれません。

公開鍵暗号システムでは、一組の鍵ペアを使用します。一つは「秘密鍵（Private Key）」、もう一つは「公開鍵（Public Key）」です。

秘密鍵: 誰にも知られてはならない、所有者だけが持つ鍵です。
公開鍵: 秘密鍵から生成され、誰でも入手できる鍵です。

この鍵ペアには、以下の性質があります。

秘密鍵で暗号化したデータは、対応する公開鍵でのみ復号できます。
公開鍵で暗号化したデータは、対応する秘密鍵でのみ復号できます。
秘密鍵から公開鍵を生成することは容易ですが、公開鍵から秘密鍵を推測することは計算量的に非常に困難です。

電子署名は、この公開鍵暗号の性質を応用したものです。特定のデータ（ここではトランザクションデータ）に対して、秘密鍵を使って署名データを生成します。そして、その署名データと元のデータ、および公開鍵を使って、誰でもその署名が正当である（秘密鍵の所有者によって署名され、データが改ざんされていない）ことを検証できます。

ブロックチェーンにおけるトランザクション署名プロセス

ブロックチェーンにおけるトランザクション署名のプロセスは、以下のステップで行われます。

トランザクションデータの準備: 送信元アドレス、送信先アドレス、送金額、手数料（Gas）、その他のデータ（スマートコントラクト実行のためのデータなど）といった、トランザクションの内容を示すデータを作成します。
データのハッシュ化: 作成したトランザクションデータ全体を、SHA-256などの暗号学的ハッシュ関数を用いてハッシュ化します。これにより、固定長の短い「トランザクションハッシュ値」が得られます。ハッシュ関数は、元のデータが少しでも変わるとハッシュ値が大きく変わる、という性質（不可逆性・衝突耐性）を持っています。
秘密鍵による署名: 得られたトランザクションハッシュ値を、トランザクションの発信者（送信元アドレスの所有者）の秘密鍵を用いて署名します。これにより、「電子署名（Signature）」データが生成されます。この署名データは、ハッシュ値と秘密鍵の関係性を示すものであり、特定のアルゴリズム（EthereumではSecp256k1という楕円曲線暗号に基づくデジタル署名アルゴリズムECDSA）に基づいて計算されます。
署名データの付加: 生成された電子署名データを、元のトランザクションデータに付加します。これが、ブロックチェーンネットワークに送信される「署名済みトランザクション」となります。

この一連のプロセスを図でイメージすると以下のようになります。

[トランザクションデータ] --(ハッシュ関数)--> [トランザクションハッシュ] --(秘密鍵)--> [電子署名]
                                                                               |
                                                                               +--> [署名済みトランザクション] (元のデータ + 電子署名)

この署名済みトランザクションには、通常、トランザクションを発行した公開鍵（または公開鍵から派生したアドレス）も含まれています。

ブロックチェーンにおけるトランザクション検証プロセス

署名済みトランザクションがブロックチェーンネットワークにブロードキャストされると、各ノード（マイナーやバリデーター、フルノードなど）は、そのトランザクションを検証します。検証プロセスは以下のステップで行われます。

署名済みトランザクションの受信: ネットワーク上のノードが署名済みトランザクションを受信します。
トランザクションデータの抽出: 署名済みトランザクションから、元のトランザクションデータ（署名データを除く部分）と電子署名データを分離します。
元のデータのハッシュ化: 抽出した元のトランザクションデータに対して、署名時と同じハッシュ関数を用いてハッシュ値を計算します。
公開鍵の取得: トランザクションに含まれる公開鍵（または、そこからアドレスを導出して秘密鍵のペアを確認する）を取得します。
署名の検証: 抽出した電子署名、計算したハッシュ値、取得した公開鍵を用いて、署名検証アルゴリズムを実行します。このアルゴリズムは、公開鍵と署名データから、署名時に使用された秘密鍵に対応するハッシュ値を復元（またはその等価性を検証）し、それが手順3で計算したハッシュ値と一致するかを確認します。

この検証プロセスを図でイメージすると以下のようになります。

[署名済みトランザクション] --> [元のトランザクションデータ] + [電子署名] + [公開鍵]

[元のトランザクションデータ] --(ハッシュ関数)--> [ハッシュ値A]

[電子署名] + [公開鍵] --(検証アルゴリズム)--> [復元されたハッシュ値B]

[ハッシュ値A] == [復元されたハッシュ値B] ?

    TRUE: 署名が正当であると検証成功
    FALSE: 署名が無効であると検証失敗 (データ改ざんまたは秘密鍵の不正使用の可能性)

検証が成功した場合、ノードはそのトランザクションを有効と判断し、Mempool（未確認トランザクションプール）に追加します。検証が失敗した場合、そのトランザクションは破棄されます。

コード例（疑似コード）

ここでは、署名と検証の基本的な流れを示す疑似コードを示します。実際のブロックチェーン実装では、使用される暗号ライブラリやアルゴリズムによって詳細が異なります。

# 疑似コードによるトランザクション署名と検証のイメージ

class Transaction:
    def __init__(self, sender, recipient, amount, data=None):
        self.sender = sender
        self.recipient = recipient
        self.amount = amount
        self.data = data

    def get_data_to_sign(self):
        # 署名対象となるトランザクションデータを結合して表現
        # 実際には、より構造化されたバイト列などになる
        return f"{self.sender}-{self.recipient}-{self.amount}-{self.data or ''}"

# 秘密鍵と公開鍵（生成済みとする）
private_key = "..." # 実際の秘密鍵データ
public_key = "..."  # 実際の公開鍵データ (秘密鍵から導出される)

# --- 署名プロセス ---

# 署名したいトランザクションを生成
tx = Transaction("Alice", "Bob", 10.0)
data_to_sign = tx.get_data_to_sign()

# データをハッシュ化
# 実際には SHA256 などを使用
transaction_hash = hash_function(data_to_sign)

# 秘密鍵でハッシュ値を署名
# 実際には ECDSA などのアルゴリズムを使用
signature = sign_with_private_key(private_key, transaction_hash)

print(f"元のデータ: {data_to_sign}")
print(f"ハッシュ値: {transaction_hash}")
print(f"生成された署名: {signature}")

# --- 検証プロセス ---

# ネットワーク経由で受信した署名済みトランザクションデータから
# 元のデータ、署名、公開鍵を取得したと仮定
received_data = data_to_sign # 例として署名前と同じデータ
received_signature = signature
sender_public_key = public_key # 送信元のアドレスから公開鍵を特定または復元

# 受信データを再度ハッシュ化
received_hash = hash_function(received_data)

# 公開鍵と署名を使って検証
is_valid = verify_signature(sender_public_key, received_signature, received_hash)

if is_valid:
    print("\n署名は正当です。トランザクションは有効と判断されます。")
else:
    print("\n署名が無効です。トランザクションは不正である可能性があります。")

# 想定される関数の定義イメージ（実際の実装とは異なります）
# def hash_function(data): return "計算されたハッシュ値"
# def sign_with_private_key(private_key, hash_value): return "計算された署名データ"
# def verify_signature(public_key, signature, hash_value): return True or False

この疑似コードは、トランザクションデータからハッシュ値を生成し、秘密鍵で署名し、その署名を公開鍵と元のハッシュ値で検証するという基本的な流れを示しています。hash_function、sign_with_private_key、verify_signature といった部分は、具体的な暗号ライブラリの関数に置き換えられます。

まとめと次のステップ

ブロックチェーンにおけるトランザクション署名と検証の技術は、公開鍵暗号と電子署名を応用することで、非中央集権的な環境下でのトランザクションの信頼性と安全性を担保しています。送信者が秘密鍵の正当な所有者であること、そしてトランザクション内容が改ざんされていないことを、ネットワーク上の誰でも検証できるようになっている点が重要です。

この仕組みがあるからこそ、ユーザーは自分のウォレット（秘密鍵を管理するツール）を使って資産の移動やスマートコントラクトの操作を安全に行うことができます。また、ノードは受信したトランザクションの正当性を独立して判断し、合意形成プロセスに進むことができます。

この技術をさらに深く理解するためには、以下のトピックについて学習を進めることが推奨されます。

楕円曲線暗号 (ECC) と ECDSA: 多くのブロックチェーンで使用されている具体的な署名アルゴリズムの数学的な仕組み。
Deterministic ECDSA (RFC 6979): 署名生成プロセスにおける乱数生成の課題を解決し、署名を決定論的に行う技術。
HDウォレット (Hierarchical Deterministic Wallet): 一つのシード（Master Seed）から複数の鍵ペアを階層的に生成・管理する技術。トランザクション署名と密接に関連します。
具体的なブロックチェーン（例：Ethereum）におけるトランザクションフォーマットと署名アルゴリズムの詳細: 使用されているデータ構造（RLPエンコーディングなど）や、署名データの構造（r, s, v）について理解を深める。

これらの技術を学ぶことで、ブロックチェーンがどのようにして分散環境下でセキュリティを維持しているのか、より具体的なイメージを持つことができるでしょう。