在上一篇《なぜライトニングネットワークが必要なのか》中、私たちはライトニングネットワーク（Lightning Network）の必要性と重要性について探討しました。ビットコインブロックチェーン上に構築された P2P ネットワークとして、ライトニングネットワークは「遅くて高い」というビットコインの問題を効果的に解決できるだけでなく、暗号決済分野において他の解決策にはない比類のない利点を持ち、P2P 経済を実現するための基盤であり、私たちが憧れる Web5 の世界の重要な構成要素でもあります。
今日の記事では、ライトニングネットワークについてさらに紹介し、その運用原理と関連技術を明らかにします。
ライトニングネットワークの基盤：支払いチャネル#
ライトニングネットワークは本質的に巧妙に設計された支払いチャネルシステムです。 アリスとボブの間の取引を例にとると、彼らがライトニングネットワークを使用して決済する際には、以下の 3 つの重要なステージを経ます：チャネルの開設、取引の実施、チャネルの閉鎖。
1、チャネルの開設：信頼の架け橋を構築#
チャネルの開設とは、実質的には参加者双方が共同で管理するマルチシグウォレットを作成し、そのウォレットに資金を注入することです。このウォレットが受け取る資金の総額がこのチャネルの残高となります。
アリスとボブがそれぞれ 10 万サトシの BTC を持っていると仮定しましょう。まず、彼らはそれぞれの 10 万サトシを 2 人が共同で管理するマルチシグウォレットアドレスに転送し、チャネルを開設するための担保金とします。この取引は「ファンディングトランザクション（Funding Transaction）」または「アンカートランザクション（Anchor Transaction）」と呼ばれ、ネットワークにブロードキャストされ、ビットコインブロックチェーンに記録されてチャネルの正式な開設を示します。この例では、アリスとボブをつなぐ支払いチャネルは、実質的には普通の 2-of-2 マルチシグウォレットであり、20 万サトシの残高が含まれています（簡略化のため、チャネル開設時に必要なマイナー手数料は考慮しません）。
2、取引の開始：オフチェーン取引の芸術#
チャネルが開設された後、参加者双方のその後の取引はすべてビットコインブロックチェーンの外で行われ、高効率のオフチェーン決済が実現します。アリスとボブの間で以下の 3 回の取引が行われたと仮定しましょう：
- アリスがボブに 1 万サトシを送金し、この時アリスは 9 万サトシ、ボブは 11 万サトシを持っています。
- アリスがさらにボブに 2 万サトシを送金し、この時アリスは 7 万サトシ、ボブは 13 万サトシを持っています。
- ボブがアリスに 1 万サトシを送金し、この時アリスは 8 万サトシ、ボブは 12 万サトシを持っています。
上記の例から、アリスとボブの間で何回送金が行われても、彼らの間のチャネル残高は常に変わらず、20 万サトシのままであることがわかります。
アリスとボブが取引を行うたびに、双方はチャネル内の各自の残高を更新し、署名された「コミットメントトランザクション（Commitment Transaction）」を交換する必要があります。これらの取引自体は有効であり、いつでもビットコインネットワークに送信できますが、双方は通常、それを保存しブロードキャストしません。チャネルを閉じるつもりがない限り、チャネル内のアリスとボブの残高状態は、1 秒間に何十回、何百回も変動することが可能で、更新の速度は双方がコミットメントトランザクションを作成、署名し、相手に送信する速度にのみ制限されます。
3、チャネルの閉鎖：最終決済の瞬間#
チャネルの閉鎖は 2 つの方法で行うことができます：一つは双方が一致して閉鎖に同意し、決済取引（Settlement Transaction）をビットコインネットワークに送信する方法；もう一つは一方が決定して閉鎖し、最後のコミットメントトランザクション（Commitment Transaction）をビットコインネットワークに送信する方法です。後者の設計は、一方がオフラインになった場合に、もう一方のチャネル内の残高が常にロックされる状況を防ぐためのものです。
アリスとボブの例では、彼らは 3 回の取引を行った後、チャネルを閉じることに決めました。閉鎖後、アリスは 8 万サトシを取り戻し、ボブは 12 万サトシを取り戻します（同様に、簡略化のため、チャネル閉鎖時に発生するマイナー手数料は考慮しません）。
双方向支払いチャネルの安全保障：LN-Penalty から eltoo、そして Daric へ#
上記で述べたように、チャネルの閉鎖は双方が一致して行うことも、一方が決定して行うこともできます。それでは、双方向支払いチャネルにおいて、どのようにして一方の詐欺を防ぐのでしょうか？例えば上記の例で、ボブが第 2 回目のコミットメントトランザクションを使ってチャネルを閉じるのをどう防ぐのでしょうか？もし第 2 回目のコミットメントトランザクションを使用してチャネルを閉じると、ボブはアリスに最後に支払った 1 万サトシの支払いを否認できるため、明らかに魅力的に見えます。
ビットコインのライトニングネットワークは、LN-Penalty メカニズムを導入して、一方が古いが自分に有利な状態を使ってチャネルを閉じるのを防ぎます。 LN-Penalty は「非対称コミットメントトランザクション」と「取り消しキー」などの複雑な技術を使用して、ボブが古いコミットメントトランザクションを使ってチャネルを閉じようとした場合、アリスがチャネル内の全ての資金 —20 万サトシを取得する権利を持つことを保証します。この罰則メカニズムは、潜在的な詐欺行為を効果的に抑制します。
しかし、LN-Penalty にもいくつかの欠点があります。自身の複雑さに加えて、ストレージの負担を引き起こします — ユーザーは過去の各チャネル状態更新時の資料を保存する必要があり、いくつかの稀な状況では誠実なユーザーを意図せず罰する可能性もあります。
これらの欠点を克服するために、2018 年にビットコインコミュニティは「eltoo」と呼ばれるソリューションを提案し、ストレージの負担と意図しない罰のリスクを排除しました。このソリューションでは、ユーザーは最新のコミットメントトランザクションとその決済取引のみを保存すればよいのです。しかし、eltoo のソリューションは現在も利用できません。なぜなら、その実装にはビットコインのソフトフォークが必要で、新しい署名ハッシュタイプ —SIGHASH_ANYPREVOUT を導入する必要があるからです。
Nervos CKB が提供するライトニングネットワークファイバーネットワークは、2022 年に提案されたDaricソリューションを選択しました。Daric は eltoo の基盤の上に、ウォッチタワー（Watchtower）のコストと安全性の問題を効果的に解決します。ウォッチタワーは独立したマシンとネットワーク上で動作するライトニングネットワークノードで、支払いチャネルを監視し、悪意のある行為を検出した際に被害者が罰金取引を実行するのを助け、ユーザーの資金を保護します。ノードのオペレーターは通常、自分のノードを保護するために自分のウォッチタワーを運営します。
結論#
ライトニングネットワークはビットコインのスケーリングソリューションとして、その核心は巧妙に設計された支払いチャネルシステムにあります。チャネルの開設、オフチェーン取引、チャネルの閉鎖という 3 つのステージを通じて、ライトニングネットワークは取引速度を大幅に向上させ、コストを削減しました。
双方向支払いチャネルの安全を確保するために、ライトニングネットワークは LN-Penalty メカニズムを採用し、ビットコインコミュニティは eltoo や Daric などのより優れた安全メカニズムを提案し、潜在的な詐欺行為を効果的に防止しています。
これらの革新により、ライトニングネットワークは安全性を確保しながら、ビットコインネットワークに顕著な性能向上をもたらし、迅速で低コストの小額決済の実現への道を開きました。
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