ビットコインの最も成熟したレイヤー2ソリューション：ライトニング・ネットワークに関するいくつかの技術的ポイント

著者：Hu Feixi

ライトニングネットワークはビットコインの最も成熟したレイヤー2ソリューションであり、その理論的な探求とエンジニアリングは10年近く行われており、まだ多くの弱点があるものの、ビットコインの他の革新的なレイヤー2ソリューションと比較すると、世界で最も成熟した成熟したソリューションである。ライトニングネットワークは、最も完全で成熟したソリューションであるだけでなく、他のレイヤー2ソリューションの基盤となる可能性もあります。この記事では、ライトニングネットワークの技術を簡単に紹介し、ちょっとしたSFのような役割を果たすことを期待している。

はじめに

ビットコインのエコシステムが突然活況を呈し、さまざまなイノベーションとプロジェクトが立ち上がっている今、ライトニングネットワークについて語ることは時代遅れのように思えるかもしれません。しかし、ビットコインのエコシステムにおける様々なイノベーションを注意深く分析すれば、ライトニングネットワークが設計とエンジニアリングの実践の両面で最も発達していることも認めざるを得ないだろう。ライトニングネットワークのコンセプトは2015年から提案され、ホワイトペーパーは2016年初めに完成されリリースされ、ライトニングネットワークは2018年に誕生し上陸し、あなたの1BTCオフチェーン送金決済を実現し、2023年末までにライトニングネットワークノードは14,000以上に達し、容量は約5,000BTCに達した。

ビットコインのTPSの低さ、確認時間の超長さ、ネットワークの混雑などの問題に対して、ライトニングネットワークは、オフチェーン取引を通じて、ビットコイン独自のネットワークのセキュリティの助けを借りて、これらの3つの大きな問題を解決できることを望んでいます。paddingleft-2">

もちろん、現在のビットコインレイヤー2の他のオプションのいくつかは、ビットコインネットワークの別の重要な問題であるチューリング完全な契約を解決しようとしています。これ自体は、すでに成熟しているブロックチェーン技術にとって大きな問題ではなく、むしろビットコインネットワークのセキュリティを活用した分散型のビットコイン資産移転と確認にとって大きな問題である。この点で、ライトニング・ネットワーク（ステートフル・チャネル）に代わる完璧なものはない。

ライトニングネットワークの技術的ハイライト

ライトニングネットワークは、ビットコインブロックチェーン上に決済チャネルのネットワークを構築することで、前節で説明した3つの主な目標を達成します。

1. 決済チャネル：決済チャネルはライトニングネットワークの中核概念です。これにより、2人のユーザーがビットコインのメインチェーン上で毎回取引を開始することなく、複数の取引を行うことができます。ユーザーはまず、ビットコインブロックチェーン上にマルチシグネチャウォレットを作成し、資金を送金するために両ユーザーの秘密鍵を必要とする。その後、このウォレットに一定数のビットコインを入金し、この入金取引がブロックチェーン上で確認される。

2. オフチェーン取引：一旦支払いチャネルがオープンすると、両当事者はメインチェーンとやり取りすることなく、無制限にオフチェーン取引を行うことができます。これらの取引は、チャネル内の資金配分を更新するために新しい取引に署名することで行われる。これらの取引記録は、チャネルが閉じられたときに資金がどのように割り当てられるべきかを表していますが、チャネルが開いている間、これらの取引はビットコインネットワークにブロードキャストされません。

3. チャネルの閉鎖：いずれかの当事者がチャネル内の資金を回収したい場合、支払いチャネルを閉鎖することができます。これはビットコインのブロックチェーン上でトランザクションの最終状態をブロードキャストすることで行われる。取引が確認されると、チャネル内の資金は、最後のオフチェーン取引の状態に基づいて両当事者に分配されます。 

4.  Routing and Multi-hop Payments（ルーティングとマルチホップ支払い）：ユーザーは、支払いチャネルに直接接続していなくても、ネットワーク内の他のユーザーの支払いチャネルを通じて支払いを送ることができます。これは、1つ以上の中間ノードを経由して支払いをルーティングすることで実現される。各中間ノードは、流動性を提供する対価としてわずかな手数料を請求する。

5. ハッシュタイムロックコントラクト（HTLC）：マルチホップ決済を安全に行うために、ライトニングネットワークはHTLCを使用しています。支払いは、受信者がプリイメージ（送信者が生成した乱数のハッシュ）の証明を提供したときにのみ完了します。これにより、途中の各ノードは、確実に支払いを受け取れる場合にのみ、支払いを転送することになる。

6. ネットワークの容量と流動性：ライトニングネットワークは取引コストを大幅に削減し、スピードを向上させることができますが、そのパフォーマンスはネットワークの容量と流動性にも依存します。各チャネルの資金調達能力は、そのチャネルを通じて送信できる決済の最大額を制限する。さらに、決済が効率的な経路を見つけることができるよう、資金がネットワーク全体に適切に分散されていなければならない。

7. セキュリティとプライバシー：ライトニングネットワークは、パブリックブロックチェーンにすべてのトランザクションを記録する必要がないため、プライバシーが向上します。しかし、潜在的な詐欺の試みに対応するために、ユーザーが定期的にオンラインになる必要があるなど、新たなセキュリティ上の考慮事項も導入される。

ライトニングネットワーク決済の基本プロセス

決済チャネルはライトニングネットワークの最も重要な要素であり、2人の参加者が以下の取引を行うことを可能にします。複数の取引。ライトニング・ネットワークを通じて2者間で複数の取引を行うプロセスは、1）決済チャネルを開く、2）複数のオフチェーン取引、3）チャネルを閉じる、の3つのステップに分けることができます。

ペイメントチャネルはマルチシグネチャウォレットに基づいて構築されており、取引を行うために複数の秘密鍵署名を必要とする特殊なウォレットです。ライトニング・ネットワークでは、それぞれが秘密鍵を持つ2人の参加者がこのウォレットを共同で管理するのが一般的です。複数の署名を持つウォレットは、1つの当事者だけで資金を動かすことができず、両当事者が合意した場合にのみ取引が行われることを保証します。

決済チャンネルの開設：

資金調達：参加者はマルチシグネチャウォレットを共同で作成し、それぞれの通常のウォレットからこのマルチシグネチャウォレットにビットコインを送ります。この取引はビットコインのメインチェーン上でブロードキャストされ、確認される。

トランザクションログ：各当事者は、資金の現在の割り当てのトランザクションログを保持します。この取引はビットコインネットワークにブロードキャストされず、当事者間でのみ共有される。

チャネルが確立されると、参加者は無制限にオフチェーン取引を行うことができます。

取引の更新：各オフチェーン取引について、当事者は直近の取引に関するそれぞれの記録を更新します。

プライバシーとスピード：これらの取引は当事者間でのみ行われ、ビットコインネットワークからの確認を必要としないため、ほぼ瞬時に行われ、プライベートが保たれます。

チャネルを閉じる：

最終状態のブロードキャスト：いずれかの当事者がチャネルを終了したい場合、彼らはビットコインネットワークに彼らが合意した最後のトランザクションをブロードキャストすることができます。

資金を決済する：このトランザクションがネットワークによって確認されると、マルチシグネチャウォレットの資金は、記録された最後のトランザクションに基づいて両当事者に分配されます。

決済チャネルとオフチェーン取引は、ビットコイン取引のスピードとスケーラビリティを向上させるライトニングネットワークの主要技術です。この方法では、取引はチャネルが作成され、閉じられるときにビットコインのメインチェーン上で確認されるだけでよく、チャネルが開かれると、参加者は高速で低コストの取引を無制限に行うことができます。

では、資金はどのように確保されるのだろうかと考えるのは自然なことだ。資金がそれぞれのウォレットに戻るのはチャネルが閉じられたときだけなので、一方の当事者が早期にチャネルを閉じたり、当事者がチャネルを閉じるのを嫌がったりすると、望ましい決済プロセスを達成することはできません。

ライトニングネットワーク上のユーザー資金のセキュリティは、主に2つのメカニズムによって保証されています。不正行為（例えば、ある当事者が古いトランザクションをブロードキャストして、より多くの金銭を得ようとする）を防止するために、決済チャネルはしばしばタイムロック機構を含む。一方の当事者が古いトランザクションをブロードキャストしようとすると、もう一方の当事者はそれに反応して最新の状態をブロードキャストする時間がある。

監視：参加者は定期的にネットワークを監視し、相手方が古いトランザクションをブロードキャストしようとしていないことを確認する必要がある。

基本的なプロセスの例と決済のセキュリティ

この基本的なプロセスを説明するために、ユーザーAとBがライトニングネットワーク上で複数の取引を行いたいという例を見てみましょう。

ステップ1 - 支払ゲートウェイの確立：取引の両当事者（例えば、アリスとボブ）は共同でマルチシグアドレスを作成し、そのアドレスに最初の資金を入金します（例えば、アリスは5BTCを入金し、ボブは3BTCを入金します）。この最初の取引はビットコインのメインチェーン上で確認され、支払いチャネルの確立を示します。

ステップ2 - 両当事者がオフチェーン取引を行う：決済ゲートウェイが確立されると、両当事者はビットコインのメインチェーン上で各取引を記録することなく、無制限の数のオフチェーン取引を行うことができます。各オフチェーン取引について、当事者は共同で維持するバランスシートを更新し、現在の資金配分を反映させる。

これらの取引の後、Aはバランシングテーブルに従って合計0.7BTCをBに送金する、すなわち、A:4.3BTC、B:3.7BTC

これらの取引の後、Aはバランシングテーブルに従って合計0.7BTCをBに送金する。p>

ステップ3：AまたはBのいずれかがこの最後の結果を送信することができ、AはBに0.7BTCをマルチキャッシュアドレスに送金してチャネルを閉じます。

ステップ5：タイムロックが終了し、チャネルがクローズされる。この例では、Aは4.3BTC、Bは3.7BTCを受け取ります。

不誠実な当事者が古いステータスを提出するのを防ぐため、ライトニング・ネットワークは、ユーザーがオンラインに留まるか、サードパーティの監視サービス（たとえば「監視塔」）に依頼して、不誠実な行動がないかネットワークを監視するよう奨励しています。BがAが古いステータスを提出しようとしていることを発見した場合、BはAの署名を含む最新のステータスを証拠として使用し、ネットワークに提出することで、Aの不正な行動を修正し、罰することができる。

Aが更新されていないステータスを提出し、Bが更新されたステータスが存在することを証明できる場合、ライトニングネットワークのプロトコルにより、Bは自身の資金を回収できるだけでなく、Aの資金の一部またはすべてをペナルティとして受け取る可能性があります。このメカニズムにより、不正を試みるコストが大幅に増加し、誠実な行動からネットワークを守ることができる。

ルーティングとマルチホップ決済

前の議論では、効率とスループットを高め、取引手数料を確立するために、2つの当事者が決済チャネル（ステートフル・チャネル）を通過してオフチェーン決済を行うプロセスについて説明しました。トランザクションを持つすべてのユーザーがペイメントチャネルを確立することは不可能であり、ライトニングネットワークはルーティングとマルチホップ決済によってこの問題を解決できることを知っている。これは現在のネットワークシステムに似ており、各エンドユーザーは、状態チャネルを確立するために、いくつかの独自の認識されたサービスプロバイダ（ゲートウェイに相当）を必要とするだけであり、これらのサービスプロバイダは、その後、ネットワークを形成するように、それらの間の状態チャネルを確立し、したがって、マルチホップ決済を介して、ユーザーと転送間の任意の相互作用の全体のライトニングネットワークを実現する。

ライトニング・ネットワークでルーティングとマルチホップ決済がどのように機能するか、簡単な例を見てみましょう。今、アリスはデイブに支払いを送りたいが、彼女とデイブの間には直接の支払いチャネルはない。

ステップ1：ルートを見つける

アリスのクライアントは、ライトニングネットワークのルーティングアルゴリズムを使って、デイブへのパスを見つけます。この例では、最も単純なパスはAlice -> Bob -> Carol -> Daveです。

Step 2: 支払いの作成

ステップ3：HTLCの使用

マルチホップ決済を安全に行うために、各中間ノード（ボブとキャロル）はHTLCを作成します。HTLCは中間ノードが支払いを転送することを可能にしますが、最終的に資金を手にすることができるのは、支払いの前画像を知っている場合のみです。HTLCは中間ノードが支払いを転送することを可能にするが、彼らが支払いの前画像を知っている場合にのみ、最終的に資金を手にすることができる。

ステップ4：支払いの転送

• Aliceはまず、支払いをBobに送ります。に支払いを送る。

• Bobは、この支払いがCarolに転送されることがわかったので、新しいHTLCを作成し、Carolに送信する。

• Carolも同じことをする。

各ステップで、支払いは新しいHTLCにロックされ、各ノードは支払いの前画像を知っている場合にのみ、それらの資金のロックを解除することができます。

ステップ5：支払いのロック解除

• Daveが支払いを受け取ると、彼はその資金を提供します。支払いを受け取ると、彼はキャロルに支払いの前画像を提供し、そこにあるHTLCのロックを解除して資金を得る。

• キャロルはこの支払いプリイメージを使って、ボブから送られてきたHTLCのロックを解除し、支払いプリイメージをボブに送り、彼女に支払うべき資金のロックを解除する。

• ボブは最後に支払い前画像を使って、アリスから渡されたHTLCのロックを解除し、支払いプロセス全体を完了する。

ステップ6：承認と終了

支払いの連鎖全体が完了し、すべての中間のHTLCのロックが解除されると、全員が自分が受け取った資金を受け取ります。全員が権利を持つ資金を受け取ります。支払いが確認され、すべての参加ノードが支払いチャネルのステータスを更新しました。

ライトニングネットワークの長所・短所の分析と発展の展望

これまでの紹介を踏まえ、ライトニングネットワークは技術的にビットコインネットワークの問題のいくつかを解決しており、即時取引、低い取引手数料、高いスケーラビリティ、高い可用性という長所があると言える。取引手数料、高いスケーラビリティと取引頻度、より優れたプライバシー保護、マイクロペイメントのサポート。このため、ライトニング・ネットワークのような技術革新を通じて、ビットコインは単なる貯蔵価値通貨ではなく、真の電子現金になる可能性を秘めている。

しかし同時に、ライトニング・ネットワークの技術的な複雑さも見えてくる。

しかし同時に、ライトニング・ネットワークの技術的な複雑さもわかります。ビットコインの価値が広く認知されているにもかかわらず、ライトニングネットワークの全体的なキャパシティはまだ高くなく、以下のようないくつかの弱点がその発展の障害となるでしょう：

• オンライン要件：支払いを受け取るためには、ユーザーのデバイスがオンラインである必要があります。ユーザーのデバイスは、可能性のある支払い要求や詐欺の試みにリアルタイムで対応するため、オンライン状態を維持する必要があります。

• 資金ロックアウト：決済チャネルの資金は、チャネルがクローズされるまでロックアウトされます。

• 複雑さとユーザーエクスペリエンス：ペイメントチャネルの設定と管理は、一般ユーザーにとって複雑な場合があります。

• ネットワークの流動性とルーティングの課題：ライトニング・ネットワークは理論的には多数のトランザクションを処理できますが、実際にはその効率性はネットワーク内の支払いチャネルの分布と資金の流動性に大きく依存します。効率的な支払い経路を見つけることは、時に困難な場合があります。

• 中央集権化のリスク：ライトニング・ネットワークは分散化を意図していますが、大規模なノードや中央集権的なサービス・プロバイダーが大量のトラフィックをコントロールするリスクがあり、ネットワークの中央集権化がある程度進む可能性があります。

ビットコインのエコシステムが進化し、さまざまなBTC Layer2シナリオが導入されているにもかかわらず、同時に、全体的な成長はライトニングネットワークに前例のない機会をもたらしています。ユーザーエクスペリエンスのレイアウト、ネットワークサイズ、他の技術との組み合わせのライトニングネットワークのレイアウトが大きなブレークスルーを持っている場合、私はライトニングネットワークが春の到来を告げることを信じています。