マスタリング・ライトニングネットワークの歩き方

ビットコインとか勉強会#73のスライドです。

https://www.youtube.com/watch?v=eVM-wSv6ZcI

Transcript

1. マスタリング・ライトニングネットワークの歩き方

   2023.01.31 ビットコインとか勉強会 #73
   

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2. 自己紹介
   ● 安土 茂亨（Shigeyuki Azuchi）

   ● chaintope, Inc

   ○ エンタープライズ向けブロックチェーンの開発
   

   ● Twitter: @techmedia_think

   ● Blog: https://techmedia-think.hatenablog.com/
   

   ● OSS:

   ○ bitcoinrb

   ○ bech32rb

   ○ kzg

   ○ etc..

   ● GBEC: https://goblockchain.network/ 

   ● 共著/監修

   

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3. Lightning Networkの概要を理解する
   ● 1章：ざっくりとLightning Networkの概要を説明

   ● 2章：Lightning Networkが想定するユースケース

   ● 3章：ペイメントチャネルを開いて閉じるまで

   ● 7章：Lightning Networkではどうやって、

   トラストレスにオフチェーン決済を実現しているのか？仕組みを解説

   

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4. 4章　Lightning Networkのノード実装
   ● 主要なノード実装

   ○ Core Lightning（旧c-lightning）

   https://github.com/ElementsProject/lightning
   

   ○ LND

   https://github.com/lightningnetwork/lnd
   

   ○ Eclair

   https://github.com/ACINQ/eclair
   

   

   各ノード実装について、

   ● ビルド方法の解説

   ● docker-composeを利用したテスト環境での動作確認
   

   付録Bにて、簡単なDockerのセットアップと使用方法を提供
   

   

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5. 5章　ノードの運用
   ● ノード運用のハードルを下げる便利なツール
   

   

   

   

   

   

   ● ノードの管理

   ○ セキュリティ

   ○ バックアップ

   ○ 可用性

   ○ チャネル管理

   1〜5章で、Lightning Networkの概要と 

   実際に使ってみるために必要なことを解説 

   

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6. 8章　ルーティング
   複数のペイメントチャネルを使って、支払いをルーティングする
   

   Secret C
   SHA-256( C)
   ● 3日後までに、 

   Cが分かれば、5,200 sat支払い 

   ● 2日後までに、 

   Cが分かれば、5,100 sat支払い 

   ● 1日後までに、 

   Cが分かれば、5,000 sat支払い 

   Fee

   Fee

   ① インボイスをリクエスト
   

   ② シークレットを生成
   

   ③ インボイス

   ④ パスに沿ってチャネルを更新
   

   Alice

   Bob
 Mike

   Carol

   

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7. 8章　ルーティング
   複数のペイメントチャネルを使って、支払いをルーティングする
   

   Secret C
   ● Cを開示して 

   5,200 satを受け取り 

   ● Cを開示して 

   5,100 satを受け取り 

   ● Cを開示して、 

   5,000 satを受け取る 

   Fee

   Fee

   支払いの証明として
   

   シークレットを受け取る
   

   逆順にパスに沿って支払いを受け取り
   チャネルを更新

   Secret C
   Secret C
   Alice

   Bob
 Mike

   Carol

   

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8. 8章　ルーティング
   # 旧状態への対応
   OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUAL
   OP_IF
   　OP_CHECKSIG
   OP_ELSE
   　 OP_SWAP OP_SIZE 32 OP_EQUAL
   　OP_IF
   　　# HTLCによる送金成功
   　　OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY
   　　2 OP_SWAP 2 OP_CHECKMULTISIG
   　OP_ELSE
   　　# 有効期限切れによるタイムアウト
   　　OP_DROP OP_CHECKLOCKTIMEVERIFY OP_DROP
   　　OP_CHECKSIG
   　OP_ENDIF
   OP_ENDIF
   適切な受取人が、シークレットを 

   提供した場合に使用可能 

   有効期限が切れた場合に使用可
   能

   資金提供者のが資金を回収 

   チートしようした相手の資金を没収 

   Lightning Networkで使用されるコントラクト
   

   各ノードは、協力してオフチェーンで
   

   チャネルの状態を更新するが、
   

   このコントラクトをブロードキャストして
   

   オンチェーンで決済することも可能。
   

   

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9. 付録A　Bitcoinの基本的概念
   Lightning Networkの詳細な仕組みを見ていく前に抑えておきたいポイント
   

   

   ● 公開鍵暗号とデジタル署名

   ● Bitcoinのトランザクション

   ● Bitcoin Script

   ○ 公開鍵を使った資金のロック

   ○ シークレットを利用した資金のロック
   

   ○ マルチシグ

   ○ タイムロック

   ■ 相対的

   ■ 絶対的

   ○ 条件分岐やフロー制御

   

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10. 9章　チャネル操作
    支払いに伴うチャネルの状態を更新するための、チャネル参加者のフローを解説
    

    update_add_htlc

    HTLCによる支払いをオファー 

    commitment_signed

    支払いに伴う新しい状態 

    ＝新しいコミットメントTxの 

    署名を作成/送付 

    revoke_and_ack

    commitment_signed

    revoke_and_ack

    古い状態を失効させ、 

    新しいTxへの署名を作成/送付 

    update_fulfill_htlc

    ︙
 受信者側から送られてきた 

    シークレットを送信し、 

    支払いのHTLCを受け取り 

    Secret
    OR

    update_fail_htlc / update_fail_malformed_htlc
    

    エラー/有効期限切れにより、 

    HTLCを削除 

    チャネルからHTLCを削除するため、削除後の状態を新しい状態として commitment_signed / revoke_and_ack をトリガー

    Alice
 Bob

    

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11. …

    10章　オニオンルーティング
    update_add_htlc

    update_add_htlc

    update_add_htlc

    Onion Payload 

    

    ● ショートチャネルID: 

    Bob <-> Mike 

    ● 転送金額: 5,200 sat 

    ● タイムアウト値: 700,038 
 Onion Payload 

    

    ● ショートチャネルID:
    Mike<->Carol 

    ● 転送金額: 5,100 sat 

    ● タイムアウト値: 700,018 

    Onion Payload 

    

    ● 転送金額: 5,000 sat 

    ● タイムアウト値: 700,018 

    ● 合計金額: 5,000 sat 

    ● Payment Secret 

    Alice

    Bob
 Mike

    Carol

    Bobのペイロード 

    Bobの鍵
 Mikeの鍵

    Carolの鍵

    Mikeのペイロード 
 Carolのペイロード 

    Version
 セッション鍵 
 HMAC

    Onion Packet

    送信者は、セッション鍵で、
    

    各ノードの鍵とECDHを行い、

    共有シークレットを導出し、
    

    各ノードのOnion Payloadを難読化

    中継ノードが知るのは自分の前後のノードのみで、 

    誰から誰への支払いなのかは分からない。 

    

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12. 11章　チャネルグラフ
    Lightning Node

    Lightning Node

    Lightning Node

    Lightning Node

    channel

    Node

    Channel

    Node

    初めて起動したノードは、ネットワークに参加するため、

    DNSサーバーに、Lightning Networkのノード情報を照会する

    https://github.com/cdecker/lseed

    

    Lightning Node
 DNS Server

    返ってきたノード情報を元に、

    ネットワーク内のノードに接続

    ネットワークに参加すると、リモートピアから、

    チャネルとノードに関する通知を受け取ることができる。

    

    ● node_announcement

    ノードに関する情報を公表

    公開鍵、接続情報（IPアドレス、ポート）

    サポートする機能など

    ● channel_annoucement

    新しいチャネルの情報を公表

    ● chanel_update

    各方向毎のチャネルの情報を公表

    ○ 手数料

    ○ タイムロックの差分

    ○ HTLCの最低金額

    Lightning Node

    Channel Graph

    LNノードはこのチャネルグラフを
    

    最新に保ちながら、支払いを
    

    ルーティング可能な経路を探索する
    

    

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13. 成長するLightning Network
    2018年1月
 2019年1月

    2022年11月

    ● 約 17,000 ノード

    ● 約 81,000 チャネル

    ● 約 5,300 BTC（約155億円）

    

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14. 12章　経路探索
    ネットワークにゴシップされるのはチャネルのキャパシティ（総量）のみ
    

    チャネルの参加者のどちらにどれだけの残高があるかは不明
    

    

    ノードは、支払い額以上のキャパシティを持つ経路をピックアックし、
    

    

    ● 手数料（固定、比例）
    

    ● タイムロック時間

    ● これまでの支払いの試行の成功確率
    

    

    の重みを持つ有向グラフ（フローネットワーク）から、最適な経路を選択する。
    

    

    ダイクストラ（Dijkstra）法など、最短経路問題のアルゴリズムを適用。
    

    

    ※ MPP（Multi-Path Payment）など支払いの細分化アプローチも
    

    

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15. 13章　ワイヤープロトコル
    ネットワーク上でプロトコルメッセージを送信する際のエンコード方法を解説
    

    

    ● メッセージフォーマット

    

    メッセージタイプの付録Cにリストアップ
    

    ● TLV（Type Length Value）

    ○ レコードのタイプを表す整数（BigSize）
    

    ○ レコードの長さ（BigSize）

    ○ レコード値

    ● 機能ビット

    サポートする機能を示す値（ビット番号奇数はオプション、偶数は必須）
    

    node_announcement / channel_announcement / init メッセージに含まれる

    メッセージタイプ（2バイト） 
 可変長メッセージペイロード（最大65KB） 
 extension（TLV Stram） 

    

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16. 14章　暗号化トランスポート層
    Lightning Node
 Lightning Node

    E2Eの暗号化通信

    ● 1st Layerと異なり、すべての通信は暗号化される 

    （Onion Payloadの難読化とはまた別） 

    ● Noise_XK_secp256k1_ChaChaPoly_SHA256 を使用した暗号化

    ● 各内容について仕組みとフローを解説 

    ○ 3段階のハンドシェイク 

    ○ 暗号化メッセージの作成と送信 

    ○ 受信した暗号化メッセージに復号 

    ○ 鍵のローテーション

    

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17. 15章　ペイメントリクエスト
    インボイスをリクエスト
    

    Alice
 Carol

    インボイスを送信

    lnbc2500u1pvjluezpp5qqqsyqcyq5rqwzqfqqqsyqcyq5rqwz
    qfqqqsyqcyq5rqwzqfqypqdq5xysx
    

    xatsyp3k7enxv4jsxqzpuaztrnwngzn3kdzw5hydlzf03qdgm2
    hdq27cqv3agm2awhz5se903vruatf
    

    hq77w3ls4evs3ch9zw97j25emudupq63nyw24cg27h2rspfj9
    srp

    bech32エンコードされたインボイス
    

    1st Layerと違って、支払いの度にインボイスを作成する必要があり、
    

    受信者はオンラインである必要がある。
    

    

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18. 16章　セキュリティとプライバシー
    ● 1st Layerと比較したプライバシー
    

    ○ 送金の秘匿性は向上（オフチェーン支払い、通信層の暗号化）
    

    ○ ノードIDとIPアドレスの公開に伴うプライバシーのリーク
    

    ● 攻撃手法

    ○ プロービングを利用したチャネル残高の調査
    

    ○ プロービング結果のスナップショットから支払人、受取人の探索
    

    ○ ルーティングした金額とタイムロックの値から匿名セットを限定、
    

    タイミング分析

    ○ 失敗する支払いによるDoS攻撃、
    

    ○ HTLCスロット/金額のロックアップ
    

    ● クロスレイヤーの非匿名化

    ● スケールフリーなネットワーク・トポロジーに対する攻撃
    

    

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