この記事は、Coinpedia Fintech News に最初に掲載された「暗号化101：初心者のためのブロックチェーン開発の鍵」です。
導入
暗号化の概要
暗号化は、脅威が日常茶飯事であるデジタル世界における盾です。暗号化とは、許可された人だけが情報にアクセスできるように通信を保護する方法です。暗号化とは、メッセージを判読不可能なテキストに変換し、相手側で判読可能な形式に戻すことです。
現代の暗号技術は、コンピューター サイエンスと数学を融合した、はるかに高度な技術です。アルゴリズムは複雑な問題を解決するように設計されており、解読が困難です。これらのアルゴリズムは理論的には解読可能ですが、妥当な時間内に解読することは事実上不可能です。そのため、暗号技術は、データの安全性の維持、プライバシーの保護、および ID の確認に不可欠です。
ブロックチェーン技術における暗号化
ブロックチェーン技術では、暗号化が基本です。ブロックチェーンはセキュリティを維持するために暗号化に依存しています。暗号化がなければ、ブロックチェーンの進歩は不可能です。その仕組みは次のとおりです。
安全なトランザクション: 暗号化により、トランザクションの安全性が確保されます。
暗号化: メッセージと重要な取引情報は一意にエンコードされ、意図した受信者のみがデコードできます。
ブロックのハッシュ化: ブロックチェーン内のブロックは、ブロックの検証と保護に役立つ、一意かつランダムなハッシュ関数を使用してハッシュ化されます。暗号化により、ネットワーク ノード間のトランザクションが保護され、ユーザーのプライバシーとデータの整合性が保護されます。本質的に、暗号化はブロックチェーン セキュリティのバックボーンです。
歴史的背景と進化
簡単な歴史
私たちのほとんどは、アリスとボブとイブが通信し、イブが盗聴しようとするという、アリスとボブとイブの典型的なシナリオをよく知っています。このシナリオは、当初はメッセージの機密性を保つことに重点を置いていた従来の暗号化のルーツを強調しています。初期の暗号化は、盗聴を防ぐためにメッセージを暗号化し、受信時に解読することでした。古代の暗号化は、言語学と言語のパターンに依存していました。今日では、計算複雑性、情報理論、数論、組合せ論など、コンピューター サイエンスのさまざまな分野から影響を受けています。
ブロックチェーンへの影響
ブロックチェーンは、セキュリティとプライバシーに大きく依存する分散型システムです。暗号化はブロックチェーン技術の中心です。ハッシュ関数、公開鍵暗号化、デジタル署名、作業証明などの主要な暗号化の進歩は、暗号化方法の重要な適応です。これらの進歩により、ブロックチェーン システムのセキュリティと整合性が確保されます。
開発者のための必須の暗号化概念
暗号化と復号化
暗号化とは、プレーンテキストを暗号文と呼ばれる判読不可能な形式に変換することです。復号化とは、その逆のプロセスで、暗号文をプレーンテキストに戻します。これら 2 つのプロセスは、暗号化の基本です。歴史的に、この双方向のメカニズムは、その信頼性から、軍隊やその他の組織で広く使用されていました。
対称暗号と非対称暗号
対称: この方法では、暗号化と復号化の両方に同じキーを使用します。秘密キー暗号化として知られ、多くの場合、データ暗号化標準 (DES) などのシステムを通じて実装されます。秘密キーにアクセスできる個人のみがデータを復号化できます。対称暗号化は、大量のデータを暗号化するのに効率的であり、Web サイトのセキュリティでよく使用されます。データを高速に転送し、必要な計算能力が少なくなります。
非対称: 公開鍵暗号化とも呼ばれるこの方法では、公開鍵と秘密鍵という 2 つの異なる鍵を使用します。公開鍵は他のユーザーと情報を共有するのに使用され、秘密鍵はメッセージを復号化してデジタル署名を検証するために使用されます。この方法は低速で、より多くの処理能力を必要としますが、Web サーバーの認証と安全な通信には不可欠です。対称鍵とは異なり、秘密鍵から公開鍵を派生できますが、その逆はできません。例としては、楕円曲線暗号化 (ECC) やデジタル署名標準 (DSS) などがあります。
暗号ハッシュ関数
ハッシュ関数は、キーを使用せずにデータの整合性を保証する、コンピューター サイエンスで人気の手法です。ハッシュ化により、入力データから固定サイズの出力が作成されます。この出力は、一見ランダムな文字列であることが多いです。ハッシュ関数は、ブロックチェーンでブロックをリンクし、ブロックに含まれるデータのセキュリティと整合性を保証するために不可欠です。
ハッシュ関数の主な特性:
決定論: 特定の一意の入力には常に同じ一意のハッシュが存在します。
衝突耐性: 同じハッシュから 2 つの異なる入力を判別するのは困難です。
雪崩効果: 入力メッセージまたはシーケンスのわずかな変更によって、ハッシュ関数が完全に変わる可能性があります。
ブロックチェーン固有の機能:
ブロックチェーンで使用される一般的なハッシュ関数には、SHA-256 と MD5 があります。たとえば、SHA-256 は、トランザクションのセキュリティと整合性を確保するためにビットコインで使用されます。ハッシュ関数は、不正なデータ変更を防ぎ、帯域幅の必要性を減らし、データ検証を簡素化するため、ブロックチェーンでは不可欠です。
デジタル署名とその重要性
デジタル署名は、トランザクションの信頼性と整合性を証明し、トランザクションが正当で変更されていないことを保証します。デジタル署名を作成するには、送信者が秘密鍵とトランザクション データを使用して、特定のアルゴリズムで一意の署名を生成します。受信者は、送信者の公開鍵を使用してこの署名を検証し、信頼性を確認できます。
ブロックチェーンでは、すべてのトランザクションは送信者の秘密鍵で署名され、対応する公開鍵で検証されてからブロックチェーンに追加されます。
公開鍵と秘密鍵: ブロックチェーン セキュリティの基盤
キーペアの生成
公開鍵と秘密鍵は、通常は非対称暗号化方式による暗号化アルゴリズムを使用して生成されます。一般的なアルゴリズムには、楕円曲線暗号 (ECC)、デジタル署名アルゴリズム (DSA)、Rivest-Shamir-Adleman (RSA) などがあります。ECC はキーのサイズが小さいため、よく使用されます。秘密鍵は秘密かつ安全に保管する必要がありますが、公開鍵は共有できます。ハードウェア セキュリティ モジュール (HSM) は秘密鍵の保護に役立ちますが、紛失を防ぐためにバックアップが不可欠です。
取引における役割
公開鍵と秘密鍵は、トランザクションのセキュリティ保護と検証に不可欠です。秘密鍵は署名の作成に使用され、公開鍵は署名の検証に使用され、トランザクションが本物であり、変更されていないことが保証されます。
ウォレット管理
キーはブロックチェーン ウォレットに保存されます。ブロックチェーン ウォレットはソフトウェア ベースまたはハードウェア ベースのいずれかです。ウォレットには 2 つのタイプがあります。
ホットウォレット: モバイルウォレットやウェブウォレットなど、インターネットに接続されたオンラインウォレットで、頻繁な取引に便利です。
コールドウォレットは、ハードウェアウォレットや紙のウォレットと同様に、長期保有のセキュリティを強化したオフラインストレージソリューションです。
強力な暗号化、パスワード、パスフレーズを使用して、ブロックチェーン ウォレットを保護します。トランザクションを承認するために複数の秘密鍵を必要とするマルチ署名プラクティスを実装し、2 要素認証 (2FA) を使用してセキュリティを強化します。シード フレーズと秘密鍵は常にオフラインの場所にバックアップし、堅牢なセキュリティ機能を備えた信頼できるウォレットを選択します。秘密鍵は絶対に共有せず、強力なパスワードを使用してウォレットを保護します。
暗号技術を活用したコンセンサスアルゴリズム
プルーフ・オブ・ワーク（PoW）：
マイニングとも呼ばれるプルーフ オブ ワークは、ネットワーク メンバー、つまりマイナーが暗号パズルを解くために競い合う分散型システムです。最初にパズルを解いたマイナーは、次のブロックをブロックチェーンに追加し、報酬を受け取ります。このプロセスでは、ハッシュを使用してブロックチェーンを保護します。PoW パズルの難しさにより、ブロックチェーンの安全性が確保され、新しいブロックが追加される速度が制御されます。
ステーキング証明（PoS）：
プルーフ オブ ステークは、保有するコインの数と担保としてのステークに基づいて、新しいブロックのバリデータを選択します。ただし、この選択はコインの数だけに基づいて行われるのではなく、コインの古さやランダム性などの要素も考慮されます。バリデータは、最も低いハッシュ値と最も高いステーク額に基づいて選択されます。PoS は PoW よりもエネルギー効率に優れています。
その他のコンセンサス メカニズムには、トランザクションの検証に選出された代表者と評判を使用する Delegated Proof of Stake (DPoS) や、ブロックチェーン システムでコンセンサスを達成するために使用される Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) などがあります。
ブロックチェーン開発における暗号化の実用的応用
取引のセキュリティ保護
暗号化は、さまざまな方法でトランザクションを保護するために不可欠です。
デジタル署名: トランザクションの信頼性、整合性、否認不可性を保証します。
暗号化: トランザクションの機密性を維持します。
ハッシュ関数: データが変更されていないことを確認します。トランザクションの詳細が変更されると、ハッシュ関数が中断されます。
スマートコントラクト
暗号化の原則により、スマート コントラクトは安全で信頼できるものになります。
認証: デジタル署名を通じて管理されます。
整合性: ハッシュ化によって保証され、改ざんを防止します。
予測可能性: 決定論的な実行により、信頼性の高い契約パフォーマンスが保証されます。
機密性: 暗号化によって維持され、許可された関係者のみにアクセスが制限されます。
DAppsの開発
暗号化は、安全な分散型アプリケーション (DApps) の開発に不可欠です。
ユーザー認証: シームレスなログインを実現するために、従来のユーザー ID の代わりに公開キー暗号化を使用します。
データ セキュリティ: 暗号化とハッシュ技術によって確保されます。
トランザクションのセキュリティ: デジタル署名を通じて管理されます。
例としては、DeFi プラットフォームやサプライ チェーン管理 DApp などが挙げられます。
一般的な暗号攻撃と緩和戦略
攻撃の種類
ブルートフォース攻撃: 攻撃者はあらゆる組み合わせを試して暗号化を破ります。弱いパスワードや短いパスワードは特に脆弱です。
中間者 (MitM) 攻撃: 攻撃者が送信者と受信者の間の通信を傍受し、データを変更したりセキュリティを侵害したりする可能性があります。
リプレイ攻撃: 不正なトランザクションでは、以前のトランザクションの有効なデータを使用して、トランザクションを不正に再送信または繰り返します。
緩和技術
強力な暗号化を使用する: 長いキーを使用し、定期的にローテーションします。
安全なキーストレージ: ハードウェア セキュリティ モジュール (HSM) を使用してアクセスを制限します。
2 要素認証 (2FA) を有効にする: セキュリティの層を追加します。
デジタル証明書を使用する: 中間者攻撃を防ぎます。
複雑なキーを使用する: キーが予測不可能で複雑であることを確認します。
エンドツーエンドの暗号化を実装: データの伝送経路全体にわたってデータを保護します。
タイムスタンプの使用: トランザクションが発生したタイミングを追跡することで、リプレイ攻撃を防ぎます。
ブロックチェーンの暗号化の将来動向
耐量子暗号
量子コンピュータが進歩するにつれ、現在の暗号化アルゴリズムは大きな脅威にさらされています。量子コンピューティングでは、楕円曲線暗号 (ECC) や RSA などの暗号化方式を破ることができる量子ビットと高度なメカニズムが使用されています。この脅威に対処するため、研究者は量子攻撃に対して安全となるように設計された新しいアルゴリズムであるポスト量子暗号化を開発しています。これらの量子耐性アルゴリズムの例には、格子ベース、ハッシュベース、多変量多項式暗号化などがあります。
進化する暗号標準
暗号化標準は、新たなセキュリティ脅威に対処するために絶えず進化しています。開発者は、ブロックチェーンのセキュリティ対策が堅牢であることを保証するために、最新の進歩を常に把握しておく必要があります。安全なソリューションを開発するには、継続的な学習、ベスト プラクティスの実装、暗号化コミュニティとの連携が不可欠です。
実践的な実装ガイド
ツールとライブラリ
暗号化を実装するために広く使用されているツールとライブラリをいくつか紹介します。
OpenSSL: SSL/TLS 実装によく使用されるオープンソース ツールキット。
Bouncy Castle: 軽量暗号化機能と Java Cryptography Extension (JCE) プロバイダーを提供する API のコレクション。
Libsodium: 使いやすさと強力なセキュリティ機能で知られる人気の暗号化ライブラリ。
PyCryptodome: 低レベルの暗号化操作用の Python パッケージ。
web3.js および ether.js: JavaScript ライブラリは、Ethereum ブロックチェーンと対話するために使用されます。
サンプルコードスニペット:
このコード スニペットは次のことを示しています:
OpenSSL を使用したキーペアの生成:
# 秘密鍵を生成する
openssl genpkey -アルゴリズム RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
# 公開鍵を抽出する
openssl rsa -pubout -in 秘密鍵.pem -out 公開鍵.pem
ハッシュ:
# SHA-256を使用してファイルをハッシュする
openssl dgst -sha256 ファイル.txt
トランザクションの署名:
Crypto.Signature から pkcs1_15 をインポートします
Crypto.HashからSHA256をインポート
メッセージ = b’ブロックチェーントランザクション’
hash_obj = SHA256.new(メッセージ)
署名 = pkcs1_15.new(private_key).sign(hash_obj)
結論
まとめると、暗号化はブロックチェーンで重要な役割を果たし、アプリケーションに信頼性、整合性、セキュリティを提供し、堅牢性と信頼性を高めます。開発者は、安全な分散型アプリケーションを開発するために、この分野の最新の進歩とすべてのトレンドをしっかりと把握している必要があります。ベストプラクティスを活用し、潜在的な侵害やコードに注意してセキュリティを確保してください。
よくある質問
ブロックチェーンにおける暗号化とは何ですか?
ブロックチェーンの暗号化はセキュリティ システムの基盤であり、安全でプライベートな送信を保証します。
ブロックチェーン開発において暗号化はどのように機能しますか?
暗号化とは、メッセージまたはデータを、許可された当事者だけが復号化できる暗号に変換する技術です。
デジタル署名とは何ですか? また、ブロックチェーンでの使用例は何ですか?
信頼性の尺度は、認証と整合性のために使用されるデジタル署名です。
ブロックチェーンにおける対称暗号と非対称暗号の違いは何ですか?
対称では暗号化と記述に同じキーが使用されますが、非対称では異なるキーが使用されます。
ブロックチェーン開発では公開鍵と秘密鍵はどのように管理されますか?
公開鍵は公開されて配布されますが、秘密鍵は秘密に保たれます。
ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムにおいて暗号化はどのような役割を果たすのでしょうか?
暗号化の原理は、Pow や PoS などのコンセンサス メカニズムで使用されます。
開発者はどのようにして暗号化攻撃から身を守ることができますか?
開発者は強力な暗号化を使用し、効率的なキー管理を行うことができます。
ブロックチェーンにおけるポスト量子暗号の重要性は何ですか?
これにより、ブロックチェーンは将来の潜在的な脅威に備えることができます。