ブロックチェーンインフラストラクチャセキュリティのための分散型信頼できるコンピューティングベース

目次

1 はじめに

ブロックチェーン技術は、将来のグローバル金融エコシステムの基盤として台頭しつつある。2008年にナカモトによって提案されたビットコインシステムは、プルーフ・オブ・ワーク合意によるマイニングへのオープンな参加を含む革新的な概念を導入した。しかし、現在のブロックチェーンシステムは、金融分野での広範な採用の前に解決すべき重大なセキュリティ課題に直面している。

2 ブロックチェーンシステムの課題

主な課題には、ハッシュパワーを蓄積する匿名のマイニングプール、潜在的な攻撃を可能にする地理的制約の欠如、分散化された参加者間での信頼確立の困難さが含まれる。マイニングノードの独立性と匿名性は、悪意のある行為者がネットワークの合意に影響を与える可能性のある脆弱性を生み出している。

3 TCBモデル：信頼できるコンピューティングの短い歴史

信頼できるコンピューティングベース（TCB）の概念は、1980年代のDoDオレンジブックに起源を持ち、安全なコンピューティングシステムのための基礎的な原則を確立した。

3.1 オレンジブックにおける信頼

信頼できるコンピュータシステム評価基準（TCSEC）、一般にオレンジブックとして知られるものは、コンピュータシステムのセキュリティ評価基準を定義し、現代の信頼できるコンピューティングの基礎を確立した。

3.2 トラステッド・コンピューティング・グループ

トラステッド・コンピューティング・グループ（TCG）は、ハードウェアベースのセキュリティ標準を確立する作業を継承し、トラステッド・プラットフォーム・モジュールやその他のセキュリティコンポーネントの仕様を提供している。

3.3 トラステッド・プラットフォーム・モジュール

TPMは、安全な鍵生成と保存、暗号操作、プラットフォーム完全性測定を含む、ハードウェアベースのセキュリティ機能を提供する。

3.4 Intel SGX ルート・オブ・トラスト

Intel Software Guard Extensions（SGX）は、ハードウェアベースのメモリ暗号化を提供し、特定のアプリケーションコードとデータをメモリ内で分離し、他のプロセスから保護された安全なエンクレーブを作成する。

4 分散型TCBに望まれる特性

分散型TCBは、従来のTCB概念を分散環境に拡張し、技術的信頼とグループ指向の操作のための新しい特性を必要とする。

4.1 技術的信頼のための特性

必須の特性には、ハードウェアベースのルート・オブ・トラスト、リモート認証機能、安全な鍵管理、分散コンテキストで動作する完全性測定メカニズムが含まれる。

4.2 グループ指向の可能性のある機能

グループ指向の機能は、安全なマルチパーティ計算、分散鍵生成、閾値署名、ブロックチェーン合意のためのビザンチン故障耐性メカニズムを可能にする。

5 仮想化クラウド環境におけるハードウェアルートのTCB

ブロックチェーンインフラストラクチャがクラウド環境に移行するにつれて、ハードウェアルートのTCBは、仮想化環境における基礎的なセキュリティを提供する。

5.1 TCBの階層化

TCBの階層化は、各層が下位層のセキュリティの上に構築される階層的な信頼関係を作り出し、ハードウェアからアプリケーションに至る信頼の連鎖を確立する。

5.2 TCB階層化の例

実用的な実装には、ルート層としてのハードウェアTPM、ハイパーバイザセキュリティ層、仮想マシンモニタリング層、ブロックチェーンノードのためのアプリケーション固有のセキュリティ層が含まれる。

6 ユースケース：ブロックチェーン相互運用性のためのゲートウェイ

ブロックチェーンゲートウェイは、DTCBが異なるブロックチェーンネットワーク間のセキュリティと信頼を強化できる重要な応用分野を代表している。

6.1 ブロックチェーン自律システム

自律的なブロックチェーンシステムは、他のシステムとの相互運用性を維持しながら独立して動作するために、堅牢なセキュリティメカニズムを必要とする。

6.2 ブロックチェーンシステム間のゲートウェイ

ゲートウェイは、異なるブロックチェーンネットワーク間の通信と価値の移転を促進し、クロスチェーン攻撃を防ぐための強力なセキュリティ保証を必要とする。

6.3 ゲートウェイおよびマルチゲートウェイにおけるDTCB機能の応用

DTCBの機能は、安全なマルチシグネチャ方式、クロスチェーンアトミックスワップ、信頼できるオラクルサービスを可能にし、ゲートウェイのセキュリティと機能性を強化する。

7 結論と今後の考察

分散型信頼できるコンピューティングベースは、ブロックチェーン環境のための信頼できるコンピューティング概念の重要な進化を表している。将来の作業は、標準化、パフォーマンス最適化、および新興のブロックチェーンアーキテクチャとの統合に焦点を当てるべきである。

8 独自分析

9 技術的フレームワーク

数学的基礎

DTCBは以下の暗号プリミティブに依存している：

リモート認証: $Verify(P, M, σ) → {0,1}$ ここで $P$ はプラットフォーム状態、$M$ は測定値、$σ$ は署名

閾値暗号: $Sign_{threshold}(m) = \prod_{i=1}^{t} Sign_{sk_i}(m)^{λ_i}$ ここで $t$ は閾値、$λ_i$ はラグランジュ係数

セキュリティ分析フレームワーク

10 将来の応用

新興ユースケース

• 分散型金融（DeFi）： 安全なクロスチェーン資産移転とレンディングプロトコル
• サプライチェーン： ハードウェア保証の真正性を伴う検証可能な製品の来歴
• 医療： プライバシー保証を伴うブロックチェーンネットワーク間での患者データ共有
• 政府： 管轄区域を越えた安全な投票システムとデジタルアイデンティティ

研究方向

• 耐量子DTCBアーキテクチャ
• リソース制約デバイスのための軽量TCB
• DTCBセキュリティ特性の形式的検証
• ポスト量子暗号標準との相互運用性

11 参考文献