ブロックチェーンの安全なスケーリング

データの可用性の検証

データの可用性とは、ブロックチェーンのブロック内のすべてのデータが適切に公開されており、ネットワークが必要に応じてアクセスできることが保証されていることを指します。これにより、ブロックに関連する必要なすべての情報がノードによってダウンロードおよび検証できるようになり、ネットワークはブロックのトランザクションと状態の正確性および完全性を検証できるようになります。

ブロックチェーンシステムにおいて、データの可用性を検証することは、悪意のある行為者がブロックの一部を隠蔽したり保留したりしながら、そのブロックを有効であると主張することを防ぐ上で極めて重要です。データが利用できない場合、データが欠落したり不完全なままのブロックがチェーンに追加される可能性があり、その結果、無効なトランザクション、セキュリティリスク、およびネットワーク全体での状態の不整合につながる恐れがあります。

従来のブロックチェーンでは、ユーザー（フルノードを実行しているユーザー）がチェーン全体を同期させることで、すべてのデータを検証する必要があります。しかし、データの可用性を確保することは、特にブロックサイズが大きくなるにつれて、困難になる可能性があります。

データ可用性サンプリング のような技術により、ライトノード はブロック全体をダウンロードすることなくデータの可用性を検証できるようになり、データ可用性の検証全体がより効率的になります。現代のブロックチェーンは、より少ないリソースでデータの可用性を検証するために、このアプローチを採用しています。 Celestiaは、データの可用性を活用してすべての最新ブロックチェーンを駆動する、代表的な事例です。

スケーリングのためのメカニズム（セキュアなものと非セキュアなもの）

データの可用性検証は、セキュリティレベルに応じていくつかの方法で実現できます：

フルノード（最高レベルのセキュリティ）

フルノードは、すべてのデータをダウンロードして検証し、不完全なブロックを排除することで、最大限のセキュリティを確保します。しかし、この基本ソリューションは、ブロックサイズが大きくなるにつれて、ますます非効率になっていきます。結局のところ、この検証作業を行うには、人的および財政的なリソースが必要となります。

データの可用性保証なし (セキュリティレベルゼロ)

データが利用可能であるという保証はなく、あくまで（IPFS URIのような）コミットメントに過ぎません。これは、安全性が求められないNFTのようなシナリオでは十分かもしれませんが、実際の利害が絡むほとんどのチェーン取引にとっては、決して解決策とは言えません。

データ利用可能性委員会

特別委員会は、正直な過半数を通じてデータの可用性を保証し、それによってデータの可用性とパフォーマンスのバランスを図っています。

暗号経済的セキュリティを備えたデータ可用性委員会

この手法もまた、委員会メンバーが検証作業を行う際にデータ処理の負荷が増大するという、スケーラビリティに関する同様の問題に直面しています。この問題を改善するために、委員会には「暗号経済的なインセンティブ」を与えることも可能です。つまり、実行された検証作業の量に応じてトークンを付与するということです。

委員会は、不正行為を行った場合、ペナルティ（「削減」または「停止」）が科されることもあり、それによって全体的なセキュリティが向上します。これは、委員会がチェーンのコンセンサスメカニズムの一部である場合に機能します。

ライトノード

このフレームワークにライトノードを導入することで、データの可用性チェックも可能となり、リソース要件をさらに削減することができます。これを行うには2つの方法があります：

1. 「誠実なマイノリティ」のライトノードを伴わないデータ可用性サンプリング： ライトノードは、ブロック全体をダウンロードすることなくデータを検証するためにサンプリング技術を使用しますが、一部のデータが欠落している場合、データの完全な復元を保証することはできません。これは、データ利用可能性委員会およびサンプリングインターフェースに依存しています。
2. 「誠実なライトノードの少数派によるデータ可用性サンプリング（Data Availability Sampling with Honest Minority of Light Nodes）」：誠実なライトノードが少数派として存在する場合、セキュリティを強化するためにデータの一部が隠蔽されていても、それらのノードはブロックを再構築することができます。なお、ノードがデータを効果的に共有するためには、同期型ネットワークが必要となります。

リンク不可データの可用性サンプリング

この高度なレベルにより、ライトノードからのリクエストを関連付け不可能かつ均一にランダムなものにすることで、標的型攻撃（選択的共有開示など。これについては次で詳しく説明します）を防止します。これには匿名化技術のさらなる進歩が必要となりますが、そこでNymのソリューションが活躍します。

しかし、まず、これまでのソリューションがなぜ不十分で脆弱であるのか、その具体的な理由についてご説明いたします。

問題点：選択的開示攻撃

選択的開示攻撃とは、悪意のある攻撃者が、実際にはブロックデータの一部が隠されているにもかかわらず、そのデータが完全に利用可能であるとノード（または複数のノード）に信じ込ませようとする、データ可用性攻撃の一種です。これにより、ブロックは事実上不完全、あるいは復元不能な状態となります。

攻撃者の目的は、ピアツーピアネットワークにおけるブロックデータへのクエリに対して選択的に応答することで、検証プロセスを操作することにあります。結局のところ、それはコンセンサスを破り、チェーンを分岐させ、実際の取引や全体的な信頼を損なうことになります。

では、最新の理解に基づいて、その仕組みをご説明いたします。

攻撃の概要

この攻撃には、2つの同時進行する要素があります：

1. 攻撃者は、ネットワークによってブロックが再構築できないよう、十分な数のデータシェアをブロックから隠蔽し、そのブロックを利用不能にします。
2. 同時に、攻撃者はターゲットとなるライトノードからのクエリに選択的に応答し、それらのノードにブロックが利用可能であると信じ込ませます。

攻撃の仕組み

このネットワークは、**データ可用性サンプリング（DAS）**を採用しており、ライトノードが他のノードにブロックデータのランダムなサンプルを要求し、その可用性を検証します。

• 選択的開示攻撃では、攻撃者はブロックデータのうち、ブロックを再構築できないようにするために隠蔽すべき部分を特定します。
• しかし、攻撃者は、ライトクライアントなどの誠実なノードからのクエリに対してのみ、隠蔽されなかったシェアからのデータを提供することで、選択的に応答します。これにより、ブロックが完全に利用可能であるかのような誤った印象が生じます。

誠実なノードが直面する課題

• 敵対的なノードは、誠実なノードと見分けがつかず、クエリに対して正しく応答するため、検出されない限りブラックリストに登録することはできません。
• 誠実なノードはサンプルリクエストを行い、隠蔽されたデータは誠実なノードからの特定のクエリからは隠されているため、攻撃者の応答は有効なものとして見えます。

2つのソリューション

1. 提案されている対策の一つは、匿名化レイヤーを追加することです。これにより、各サンプルリクエストの発信元をクライアント（ライトノード）と関連付けることができなくなり、リクエストはネットワーク全体でランダムな順序で処理されるようになります。これにより、攻撃者が選択的開示によって特定のノードを標的にすることを防ぎます。
2. 別のアプローチとしては、各ノードが十分な数のクエリを実行するようにすること（これにより、隠蔽されたデータを検出できる可能性が高まります）、あるいは欠落したシェアをカバーできるだけの十分な数のノードに依存することが挙げられます。

シミュレーション結果

• クライアントによるクエリの数が少ない場合（例：15回）、攻撃が成功する確率は比較的高い（約0.0133） — 攻撃者は約75回の試行でクライアントを欺く可能性があります。
• クライアントあたりのクエリ数が増加するにつれて（例えば50クエリまで）、攻撃が成功する確率は劇的に低下します（ほぼ0になります）。
• 同様に、より多くのクライアントを標的にすることで攻撃の成功率は高まりますが、クエリの数が増えるにつれてその確率は低下します。

問題の概要

選択的開示攻撃は、特定のノードに対してデータを選択的に開示することで、データの可用性サンプリングを操作し、そのノードに対してブロックが完全に利用可能であると錯覚させます。対策としては、（1）匿名化技術の活用と、（2）欠落データを検出するためにクライアントが十分な数のランダムなクエリを実行できるようにすることが挙げられます。

検討された解決策

「Celestia向けのプライベートネットワークの評価」において、研究者たちは、Celestiaのブロックチェーンに匿名化レイヤーを追加するためのさまざまな解決策を分析しました。考えられるプライベートネットワークのソリューションには、次のようなものがありました：

• Snowflake を用いた Tor ネットワークオーバーレイ。WebRTC を使用して Tor トラフィックを隠蔽し、盗聴を防止します。
• Mixnetとの統合（NymのLoopixなど）によるトラフィックの匿名化
• レイテンシ許容度：トラフィックにランダムな遅延を導入し、クライアントのクエリの同期を解除する仕組み
• カバートラフィック または、実際のクエリパターンを隠蔽するためのダミートラフィック
• さらなる保護のためのVPNの利用

これらのソリューションには、それぞれ長所と短所があります（例えば、発生しうる遅延の点など）。

Torオーバーレイがもたらす利点や多くの問題はさておき、これらの中核となるソリューションの多くが、Nymミックスネットですでに運用されているネットワーク技術（例：カバートラフィックやランダム化遅延）であることに留意することが重要です。そこで、Nymのコアチームは、Celestiaやその他のプロジェクトがよりプライバシーに配慮したブロックチェーン環境を実現できるよう、Nymがどのような支援ができるかを検討するための研究開発調査を行うことを決定しました。

Nymの匿名サンプリングソリューション

Nym Technologiesは、Nymミックスネットを匿名化レイヤーとして活用し、**プライベートデータ可用性サンプリング（P-DAS）**を通じて選択的開示攻撃に対処するため、自社のインフラストラクチャをモジュール式ネットワークと統合することを提案しています。

P-DASは、Nym Mixnetを介したリクエストを可能にし、リクエストとリクエスト送信者を切り離すことで、リクエスト送信者が標的となることを防ぎます。この手法は、データ可用性サンプリングに対するプライバシーを保護する安全なアプローチを提供し、ノードが悪意のある攻撃にさらされることなくデータの可用性を検証できるようにします。

Nym Mixnetの統合により、いくつかの重要なメリットが期待できます：

• Nym ミックスネットと互換性のある 匿名化データ可用性サンプリング モジュールで、プライバシーを保護したデータ検証を保証します
• 選択的情報漏洩攻撃の防止：Nymのミックスネットを経由して暗号化されたトラフィックをルーティングすることで、カバートラフィック、ミキシング、タイミング難読化などの技術を用いて、データの完全性を維持しつつユーザーの活動を隠蔽します。
• パフォーマンスの最適化：シミュレーションを通じて、パフォーマンスとセキュリティのバランスをとるための理想的なミックスネットパラメータを決定します

Mixnetの統合により、モジュラーネットワークのデータセキュリティが強化され、ユーザーのプライバシーを保護しつつ、改ざんに対する耐性が向上します。 Nymの研究は、モジュール化された未来に向けて堅牢な保護を提供するための取り組みを継続してまいります。

このプロジェクトに関する最新情報にご期待ください！

---

Join the Nym Community

Telegram // Element // Twitter

Privacy loves company

英語 // 中国語 // ロシア語 // トルコ語 // ベトナム語 // 日本語 // フランス語 // スペイン語 // ポルトガル語 // 韓国語