暗号資産（仮想通貨）で使われる暗号技術を分かりやすく解説

暗号資産（仮想通貨）は、その分散性とセキュリティの高さから、金融業界だけでなく、様々な分野で注目を集めています。これらの特性を支えているのが、高度な暗号技術です。本稿では、暗号資産で使われる主要な暗号技術について、その原理や仕組みを分かりやすく解説します。

1. ハッシュ関数

ハッシュ関数は、任意の長さのデータを固定長の文字列に変換する関数です。この変換は一方向性であり、元のデータからハッシュ値を計算することは容易ですが、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。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• データの改ざん検知: 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。もしブロック内のデータが改ざんされた場合、ハッシュ値が変化し、改ざんを検知することができます。
• パスワードの保存: パスワードを直接保存するのではなく、ハッシュ化されたパスワードを保存することで、万が一データベースが漏洩した場合でも、パスワードが漏洩するリスクを軽減できます。
• データの索引: 大量のデータを効率的に検索するために、ハッシュ関数を用いてデータの索引を作成することができます。

代表的なハッシュ関数としては、SHA-256、SHA-3、RIPEMD-160などがあります。特に、ビットコインではSHA-256が、イーサリアムではKeccak-256（SHA-3の一種）が使用されています。

2. 公開鍵暗号方式

公開鍵暗号方式は、暗号化と復号に異なる鍵を使用する暗号方式です。具体的には、公開鍵と秘密鍵の2つの鍵を使用します。公開鍵は誰でも入手できますが、秘密鍵は所有者だけが知っています。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• デジタル署名: 秘密鍵を用いてメッセージに署名することで、メッセージの送信者が本人であることを証明することができます。
• 暗号化通信: 公開鍵を用いてメッセージを暗号化することで、秘密鍵を持つ受信者だけがメッセージを復号することができます。

代表的な公開鍵暗号方式としては、RSA、楕円曲線暗号（ECC）などがあります。ECCは、RSAよりも短い鍵長で同等のセキュリティ強度を実現できるため、暗号資産においては広く採用されています。ビットコインやイーサリアムでは、ECDSA（楕円曲線デジタル署名アルゴリズム）が使用されています。

3. 楕円曲線暗号（ECC）

ECCは、楕円曲線上の点を用いて暗号化と復号を行う暗号方式です。その数学的な構造から、RSAよりも短い鍵長で同等のセキュリティ強度を実現できるため、計算資源が限られた環境でも利用しやすいという特徴があります。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• 秘密鍵の生成: 秘密鍵を生成するために使用されます。
• デジタル署名: ECDSAを用いてデジタル署名を作成するために使用されます。
• 鍵交換: Diffie-Hellman鍵交換などの鍵交換プロトコルで使用されます。

ECCで使用される楕円曲線には、secp256k1、Curve25519などがあります。ビットコインではsecp256k1が、MoneroではCurve25519が使用されています。

4. Merkle木

Merkle木は、大量のデータを効率的に検証するためのデータ構造です。各葉ノードにデータのハッシュ値を格納し、親ノードには子ノードのハッシュ値を連結したハッシュ値を格納します。この構造を繰り返すことで、ツリー状のデータ構造が構築されます。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• トランザクションの検証: ブロック内のトランザクションのハッシュ値をMerkle木に格納することで、特定のトランザクションがブロックに含まれていることを効率的に検証することができます。
• 簡略化された支払い検証（SPV）: Merkle木を用いることで、ブロックチェーン全体をダウンロードせずに、特定のトランザクションの存在を検証することができます。

Merkle木のルートノードは、Merkleルートと呼ばれ、ブロックヘッダーに含まれています。

5. ブロックチェーン

ブロックチェーンは、複数のブロックを鎖のように連結したデータ構造です。各ブロックは、トランザクションデータ、前のブロックのハッシュ値、タイムスタンプ、ナンスなどの情報を含んでいます。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• トランザクションの記録: 全てのトランザクションをブロックチェーンに記録することで、改ざんが困難な分散型台帳を実現します。
• コンセンサスアルゴリズム: ブロックチェーンに新しいブロックを追加する際に、ネットワーク参加者間で合意形成を行うためのコンセンサスアルゴリズムを使用します。

代表的なコンセンサスアルゴリズムとしては、Proof of Work（PoW）、Proof of Stake（PoS）などがあります。ビットコインではPoWが、イーサリアムではPoSに移行しています。

6. ゼロ知識証明

ゼロ知識証明は、ある命題が真であることを、その命題に関する情報を一切開示せずに証明する技術です。暗号資産においては、主に以下の用途で使用されます。

• プライバシー保護: トランザクションの詳細を公開せずに、トランザクションが有効であることを証明することができます。
• スケーラビリティ向上: トランザクションの検証に必要な計算量を削減することができます。

代表的なゼロ知識証明としては、zk-SNARKs、zk-STARKsなどがあります。Zcashではzk-SNARKsが使用されています。

7. その他の暗号技術

上記以外にも、暗号資産では様々な暗号技術が使用されています。例えば、以下のものがあります。

• 多重署名: 複数の秘密鍵を用いて署名を行うことで、セキュリティを向上させることができます。
• 秘密分散: 秘密鍵を複数のパーツに分割し、それぞれを異なる場所に保管することで、秘密鍵の紛失や盗難のリスクを軽減できます。
• 同型暗号: 暗号化されたデータのまま計算を行うことができる暗号方式です。

まとめ

暗号資産（仮想通貨）は、ハッシュ関数、公開鍵暗号方式、ECC、Merkle木、ブロックチェーン、ゼロ知識証明など、高度な暗号技術を組み合わせることで、その分散性とセキュリティを実現しています。これらの技術は、金融業界だけでなく、様々な分野で応用されており、今後の発展が期待されます。暗号技術の理解は、暗号資産の仕組みを理解する上で不可欠であり、安全な暗号資産の利用を促進するためにも重要です。今後も、新たな暗号技術の開発が進み、暗号資産の可能性がさらに広がっていくと考えられます。