ビットコイン(BTC)に使われる暗号技術の仕組み
ビットコインは、2008年にサトシ・ナカモトと名乗る人物（またはグループ）によって考案された、分散型デジタル通貨です。その根幹をなすのは、高度な暗号技術であり、これによってビットコインの安全性、匿名性、そして改ざん耐性が確保されています。本稿では、ビットコインに使われる主要な暗号技術の仕組みを詳細に解説します。
1. ハッシュ関数
ビットコインの暗号技術の基礎となるのが、ハッシュ関数です。ハッシュ関数は、任意の長さのデータを固定長の文字列（ハッシュ値）に変換する関数です。ビットコインでは、主にSHA-256（Secure Hash Algorithm 256-bit）というハッシュ関数が用いられます。SHA-256は、入力データが少しでも異なると、全く異なるハッシュ値を生成するという特徴を持ちます。この性質は、データの改ざんを検知するために非常に重要です。
ハッシュ関数の重要な特性として、以下の点が挙げられます。
- 一方向性： ハッシュ値から元のデータを復元することは極めて困難です。
- 衝突耐性： 異なるデータから同じハッシュ値が生成される可能性は極めて低いです。
- 決定性： 同じ入力データに対しては、常に同じハッシュ値を生成します。
ビットコインにおけるハッシュ関数の具体的な利用例としては、ブロックのハッシュ値の生成、トランザクションのハッシュ値の生成、そしてProof-of-Work（PoW）における計算などが挙げられます。
2. 公開鍵暗号方式
ビットコインでは、トランザクションの認証と所有権の証明のために、公開鍵暗号方式が用いられます。公開鍵暗号方式は、公開鍵と秘密鍵という一対の鍵を使用します。公開鍵は誰でも入手可能ですが、秘密鍵は所有者だけが知っています。公開鍵暗号方式には、暗号化とデジタル署名の2つの主要な用途があります。
2.1 暗号化
公開鍵暗号方式を用いてデータを暗号化する場合、相手の公開鍵を用いてデータを暗号化します。暗号化されたデータは、相手の秘密鍵によってのみ復号化できます。これにより、第三者によるデータの盗聴を防ぐことができます。
2.2 デジタル署名
デジタル署名は、データの送信者が本人であることを証明するために用いられます。送信者は、自分の秘密鍵を用いてデータのハッシュ値を暗号化し、これをデジタル署名としてデータに付加します。受信者は、送信者の公開鍵を用いてデジタル署名を復号化し、復号化されたハッシュ値とデータのハッシュ値を比較することで、データの改ざんや送信者のなりすましを検知できます。
ビットコインでは、楕円曲線デジタル署名アルゴリズム（ECDSA）という公開鍵暗号方式が用いられています。ECDSAは、RSAなどの他の公開鍵暗号方式と比較して、より短い鍵長で同等のセキュリティ強度を実現できるという特徴があります。
3. Merkle Tree（Merkleツリー）
Merkle Treeは、大量のデータを効率的に検証するために用いられるデータ構造です。ビットコインでは、ブロック内のトランザクションをMerkle Treeに格納することで、特定のトランザクションがブロックに含まれているかどうかを効率的に検証することができます。
Merkle Treeの構築手順は以下の通りです。
- 各トランザクションのハッシュ値を計算します。
- 隣り合うトランザクションのハッシュ値をペアにして、それらを連結し、再度ハッシュ値を計算します。
- この操作を繰り返すことで、最終的に1つのハッシュ値（Merkle Root）が得られます。
Merkle Rootは、ブロックヘッダーに含まれており、ブロック全体の整合性を保証するために用いられます。特定のトランザクションがブロックに含まれているかどうかを検証するには、そのトランザクションのハッシュ値からMerkle Rootまでのパス（Merkle Path）を提示する必要があります。
4. Proof-of-Work（PoW）
Proof-of-Workは、ビットコインのブロックチェーンに新しいブロックを追加するために用いられるコンセンサスアルゴリズムです。PoWでは、マイナーと呼ばれる参加者が、特定の条件を満たすハッシュ値を探索する計算を行います。この計算は非常に難易度が高く、膨大な計算資源を必要とします。
マイナーは、ブロックヘッダーの一部であるナンス値を変更しながら、SHA-256ハッシュ関数を繰り返し実行し、特定の条件（例えば、ハッシュ値が特定の数のゼロで始まる）を満たすハッシュ値を探索します。最初に条件を満たすハッシュ値を見つけたマイナーは、新しいブロックをブロックチェーンに追加する権利を得ます。そして、そのマイナーには、トランザクション手数料と、新たに発行されたビットコイン（ブロック報酬）が報酬として与えられます。
PoWは、ブロックチェーンの改ざんを困難にする効果があります。ブロックチェーンを改ざんするには、改ざんされたブロック以降のすべてのブロックを再計算する必要があるため、膨大な計算資源と時間が必要となります。
5. ブロックチェーン
ブロックチェーンは、ビットコインの取引履歴を記録する分散型台帳です。ブロックチェーンは、複数のブロックが鎖のように連結された構造をしており、各ブロックには、トランザクションデータ、前のブロックのハッシュ値、そしてタイムスタンプが含まれています。
ブロックチェーンは、以下の特徴を持っています。
- 分散性： ブロックチェーンは、ネットワーク上の複数のノードによって共有されます。
- 不変性： 一度ブロックチェーンに記録されたデータは、改ざんが極めて困難です。
- 透明性： ブロックチェーン上のすべてのトランザクションは、誰でも閲覧できます。
ビットコインのブロックチェーンは、世界中の数千のノードによって維持されており、その分散性と不変性によって、ビットコインの信頼性が確保されています。
6. 暗号学的ハッシュポインタ
ブロックチェーンの各ブロックは、前のブロックのハッシュ値を含んでいます。このハッシュ値は、暗号学的ハッシュポインタとして機能し、ブロック間の繋がりを確立します。もし、あるブロックのデータが改ざんされた場合、そのブロックのハッシュ値は変化し、それに続くすべてのブロックのハッシュ値も変化します。これにより、ブロックチェーン全体の整合性が損なわれるため、改ざんを検知することができます。
まとめ
ビットコインは、ハッシュ関数、公開鍵暗号方式、Merkle Tree、Proof-of-Work、そしてブロックチェーンといった高度な暗号技術を組み合わせることで、安全で信頼性の高いデジタル通貨を実現しています。これらの技術は、ビットコインの分散性、不変性、そして透明性を支え、中央集権的な管理者を必要とせずに、安全な取引を可能にしています。ビットコインの暗号技術は、今後も進化を続け、より安全で効率的なデジタル通貨システムの構築に貢献していくと考えられます。
