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BlockChain Introduction
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- 4. ブロックチェーンとは • そもそも暗号通貨の基幹技術 として開発された • 最初の実装例はBitCoin •謎の天才サトシ・ナカモトに よって2009から運用されてい る • 2019/3/15現在、総流通額は 85537507944ドル ＝9兆0190億7483万7615円 →通貨をデジタルに実装するた めに必要な技術として開発され た
- 5. 通貨をデジタルに実装するために • 自分が持っている額以上使えないようにする →ダブルスペンディングの防止 • 通貨を複製出来ないようにする →偽造防止 •他人の通貨を横取りできないようにする →盗難防止
- 6. 従来の貨幣システム 貨幣システム • 通し番号や透かしで偽造防止 • 自分が持ってる以上の額は物 理的に支払い不可能 •盗難には警察機能で対応 銀行システム • 中央集権的 • 誰がいくら持っているという 情報を台帳で管理 • 自分の口座にある以上の金額 の使用はシステムが防止 • ハッキングなどを行い、口座 情報を書き換えない限り他人 の金を使うことは出来ない
- 7. 中央集権型システム • 絶対的な管理者が全てを管理するシステム • 単一の主体が全取引を監視し、不正を阻止する •システムの信頼性は管理者が担保する • デメリット →単一障害点が存在する →取引にファイナリティが存在しない →単一の管理者に依存する可能性がある →管理者を信頼できなくても、他に代替案がない
- 8. サトシ・ナカモトの問題意識 • 最初のブロックに刻まれたメッセージ 「The Times03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for bank」 →”2009年3月月曜日、首相は2度目の銀行救済の瀬戸際にいる” • 銀行システムというシステムが、他の権力の影響を受けている ことを示唆している
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- 10. ブロックチェーンの特徴 • データの改竄が難しい →2重支払い • 暗号によってトランザクションを保護する →盗窃の防止 •電子署名と特殊なデータ構造によって資産を証明する →偽造防止
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- 12. ブロックチェーン技術の3大要素 • データ構造 →取引の真正性を担保する • ネットワークシステム →分散型のシステムを構築する •セキュリティ技術 →取引の信頼性を担保する コンセンサス・アルゴリズム マイニング
- 13. データ構造 • ブロックチェーンという言葉そのもの • 取引データを以下のように数珠繫ぎ状につなげていく構造 Block0 Block 2Block 1 Block 3 Block 4
- 14. ネットワークアーキテクチャ • 単一の主体が全てを管理する✕ • P2P(Peerto Peer)ネットワーク • 各ノードがシステムを分散させて全 体を維持する • 各ノードに重要度は無く、1対1で接 続される
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- 17. セキュリティ 暗号学的ハッシュ関数 ハッシュ関数とは、以下の特性を持つ関数のことである • 衝突耐性 →異なる値を入力すると、必ず異なる値を出力すること •秘匿性 →出力から入力を求めることが困難であること • パズル親和性 →出力から入力を求めるために、膨大な計算量が必要であること • 決定性 →同じ入力からは必ず同じ出力が得られること
- 18. セキュリティ 暗号学的ハッシュ関数 • 例えば、以下のテキストをハッシュ関数(sha256)にかけてみる と 元の文：“Lasting dream won’t last.” ハッシュ値： “a4e834827a07bfd9a8931c91fa74c548101dba5ed2ff507bdb06 85819c0d0ec3 ”
- 19. セキュリティー暗号学的ハッシュ値 • 元の文を少しだけ変えてみると 元の文： “Lastingdream won’t last.” 新しい文：“Lasting dream won’t last” 元のハッシュ値： “a4e834827a07bfd9a8931c91fa74c548101dba5ed2ff507bdb068581 9c0d0ec3” 新たなハッシュ値： “088709c42ee341b2288f0bb0daee251a4d70e110500d56b5f4c9a9d 157fe5dc2 ” 全然違う！
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- 22. セキュリティー公開鍵暗号方式 例 仮定 • アリスが、ボブに秘密の文書を送る必要があるとする •しかし、二人の間の通信路はイブによって全て傍受されている とする
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- 28. ブロックチェーン技術の3大要素 • データ構造 →取引の真正性を担保する • ネットワークシステム →分散型のシステムを構築する •セキュリティ技術 →取引の信頼性を担保する コンセンサス・アルゴリズム マイニング
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- 31. ビットコインのトランザクション • ビットコインでは、資金の流れを補足し、資産の正当性を証明 するために、UTXOモデルと電子署名を使用する • ビットコインにおける送金は、 ①その資金はどこから来たのか→UTXOモデル ②その資金を使う正当性はあるのか →電子署名 この２点さえ完全に補足できれば資金の移動の補足と正当性を証 明できると考える
- 32. UTXOモデル • 例えばAさんからBさんへの送金を考える • Aさん資産は3BTCで、１BTCをBさんへ送金する •このとき、1BTCを残して送金するのではなく、残った2BTCは 再び自分に送金する １ BTC ２ BTC
- 33. UTXOモデル • そもそもビットコインはアカウントベースではないため、資金 を「残す」ということが出来ない。そもそも残しておくための アカウントが存在しない • 全ての資産はアカウントではなく、秘密鍵に紐付けられている •そのため、全資金を1度のトランザクションで使い切る必要が ある • このとき、残った資金のことを、未使用(送金に使われていな い)の出力という意味でUTXOと呼ぶ
- 34. ビットコインのトランザクション(再掲) • UTXOモデルとは、資金の流れを以下の方法によって補足する 技術である(UTXO:Unspent TransacionOutput) ①その資金はどこから来たのか←これは解決 ②その資金を使う正当性はあるのか この２点さえ完全に補足できれば資金の移動が可能になる
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- 36. トランザクションの例 • ここで、AさんからBさんへ送金し、BさんがさらにCさんに送 金する例を考える • Aさんの資産は３BTC、Bさん、Cさんは初めは０BTCとする •Aさんの資産は以前Tさんから送られてきたものとする
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- 38. トランザクション • このように、前の所有者からの電子署名を確認できれば送金が 可能になる • 自分の資産の送金可能性は、前の所有者から確実に自分に資産 が受け継がれたことを証明する電子署名にかかっている 出典“Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System”
- 39. データ構造ートランザクション • 実際のトランザクションの中身 バージョン 送金先数受信先数 トランザクションの入力リスト トランザクションの出力リスト ブロックの高さ
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- 43. データ構造ーブロックチェーン • ブロックチェーンはトランザクションの正当性を証明する重要な仕 組みである • 従って、攻撃者が自分に有利なトランザクションを含むチェーンを 勝手に繋げることが出来てしまう場合、信頼性に致命的な影響を与 える •そのため、ビットコインでは２つの防止策を討っている ①チェーンを複製する難易度を上げる ②最長のチェーンを正当なものと見なし、当該チェーンに含まれな いトランザクションを無効化する →②を特にコンセンサス・アルゴリズムという
- 44. ②最長のチェーンを正当なものと見なす 攻撃者は既に支 払った 114514BTCを取 り戻すTxを含める 他のマイナーには チェーンが分岐し たように見える どっちが本物？ こっちのほうが長 いから本物やな Block 0 Block2Block 1 Block 3 Block 4 Block 2 Block 3 Block 5・・・ Block 5・・・ 長いチェーン作れ んかった…
- 45. 攻撃者が成功する場合 Block 0 Block2Block 1 Block 1 Block 2 ・・・ 攻撃者は自分が既 に支払った 114514BTCを取 り戻すTxを含める Block 3 Block 4 こっちのほうが 長いな どっちが本物？ やったぜ Block 6・・・ Block 4
- 46. 攻撃者が成功する場合 • こういった攻撃が成功する確率は、攻撃者が悪意のあるトラン ザクションを含めたチェーンを用意し始めた地点で、メインの チェーンからどれだけ離れているかに依存する • 例えば、下の例の場合、攻撃者が3つ目のブロックを作成して いるとき、メインのチェーンでは既に5個目を作成中であるた め、2個遅れている Block0 Block 2Block 1 Block 3 Block 4 Block 1 Block 2 Block 5・・・ Block 3・・・
- 47. 攻撃者が成功する場合 • 攻撃者がメインのチェーンに比べてz個のブロック遅れをとっ ているとき、チェーンが覆る確率qzは p=誠実なノードがブロックを見つける確率 q＝攻撃者がブロックを見つける確率 とすると if p≤ q qz＝1 if p ≥ q qz＝ ൗ q p z と表すことができる
- 48. 攻撃者が成功する場合 • q=0.1のとき、ブロックが覆る可能性が十分小さくなるには、z が高々10程度あればよい • これはつまり、10個もブロックの個数が離れればチェーンが覆 る確率はほぼ0になることを示している •実際に、ビットコインでは上にブロックが10個積まれた地点で トランザクションが確定する • しかし、ブロックを作るのが容易では簡単にチェーンが覆って しまう＝ｑの値が大きくなる →ブロックを繋げる作業にある程度の負荷を課す
- 49. ①チェーンを複製する難易度を上げる • チェーンの偽造を難しくさせる仕組 みはここにある • これは、チェーンを繋げるマイニン グという仕組みに組み込まれている •前のブロックヘッダのハッシュを次 のブロックび含めることで、チェー ンが確実に接続されていることが確 認できる • この検証は誰でも行うことができる 前のブロックヘッダのハッシュ ブロックヘッダ タイムスタンプ ナンス マークルツリーのルートハッシュ トランザクション１ トランザクション２ ・ ・ ・ 難易度
- 50. マイニング • チェーンを繋げる作業のこと • ナンスという値を最初に見つけたマイナーがブロックを繋げる ことができる •ブロックを繋いだマイナーにはビットコインが配られる • これがビットコインのシステムを維持するインセンティブとな る →大きく分けて、PoWとPoSという２つの方式がある
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- 52. マイニングーPoW (ブロックヘッダ＋ nonce)=X Y＝ハッシュ関数(X) Y＜Difficulty 成功 報酬ゲット Nonce +1 No Yes 条件を満たすnonce= ゴールデンノンスは いつ出現するか分からない (＝値を変えて総当りしているため 確率的に出現する) それでも計算を続ける様を マイニング＝採掘 になぞらえている
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- 54. マイニングーPoS • 先に述べたデメリットを軽減するため、PoS:Proof ofStake(資 産の証明)という方式が考え出された • これはブロックを繋ぐ権利を全ノード中から確率的に選ぶとい う方式である • 資産が多いほどブロックを繋ぐ権利を得やすい →この方式はなぜ上手く行くのか？
- 55. マイニングーPoS • 一般的に、PoSアルゴリズムのとき、51%攻撃を行うには、相 当量の資産を保持する必要がある • 攻撃が加えられたことが明らかになれば、貨幣の信用は無くな り、当該通貨が暴落することは確実である •その結果、自分の資産が目減りすることになるので、資産を多 く持つノードは誠実に行動するだろう、という理論に基づいて いる →PoSは経済的インセンティブを巧みに使ったマイニング方法
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- 60. 参考文献 • Satoshi Nakamoto(2009),”Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System” • 岸上 順一 , 藤村 滋 , 渡邊 大喜 , 大橋 盛徳 , 中平 篤(2017),「ブロックチェーン技 術入門」 • 松浦健一郎,司ゆき(2018),「仮想通貨の作り方」 • 結城浩(2017),「暗号技術入門」 • 野口悠紀雄(2018),「ブロックチェーン革命」 • Bitcoin.org,「ビットコインの仕組み」, https://bitcoin.peryaudo.org/design.html (参照 2020/3/19) • @flare(Qiita)(2019),「ビットコイン技術入門 2/3（データ構造・マイニング 編）」, https://qiita.com/flare/items/54579a31204bb785c9dd#%E6%9A%97%E5%8F %B7%E5%AD%A6%E7%9A%84%E3%83%8F%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83 %A5%E9%96%A2%E6%95%B0 (参照 2020/2/19)