マスタリング・ライトニングネットワークの歩き方

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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

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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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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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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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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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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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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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…  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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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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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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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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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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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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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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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  