マスタリング・ライトニングネットワークの歩き方

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

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 

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 

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  

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  

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 

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 

8章　ルーティング # 旧状態への対応 OP_DUP OP_HASH160 <RIPEMD160(SHA256(revocationpubkey))> OP_EQUAL OP_IF 　OP_CHECKSIG OP_ELSE
　<remote_htlcpubkey> OP_SWAP OP_SIZE 32 OP_EQUAL 　OP_IF 　　# HTLCによる送金成功　　OP_HASH160 <RIPEMD160(payment_hash)> OP_EQUALVERIFY 　　2 OP_SWAP <local_htlcpubkey> 2 OP_CHECKMULTISIG 　OP_ELSE 　　# 有効期限切れによるタイムアウト　　OP_DROP <cltv_expiry> 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。  

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 

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 

…  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。  

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  

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） 

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  

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）  

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 

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。  

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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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

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

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

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   ◦

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             •

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、

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

8章　ルーティング # 旧状態への対応 OP_DUP OP_HASH160 <RIPEMD160(SHA256(revocationpubkey))> OP_EQUAL OP_IF 　OP_CHECKSIG OP_ELSE

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  •

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

…  10章　オニオンルーティング update_add_htlc  update_add_htlc  update_add_htlc  Onion Payload     •

11章　チャネルグラフ Lightning Node  Lightning Node  Lightning Node  Lightning Node  channel

成長するLightning Network 2018年1月  2019年1月  2022年11月  • 約 17,000 ノード  •

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   •

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

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

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