Bitcoinの技術

Bitcoinの技術

近畿大学山崎重一郎

オリジナル論文

Satoshi Nakamoto (仮名) Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System,

2008

電子貨幣の技術的跳躍 p 利用されている暗号技術、P2P技術は古典的

p 技術的跳躍の核心は？

電子的取引の非可逆性の保証

電子貨幣の二重使用の防止方法

技術的跳躍としてのBitcoin p 電子貨幣の理想像岡本、大田の電子貨幣の6条件 (1991年)

(1) 独立性: 物理媒体に依存せず、ネットワークで送受信可能 (2) 安全性 : 複製や偽造ができない

(3) プライバシ: 使用者や使用履歴が特定されない (4) オフライン性: 支払時にオンライン検査をともなわない (5) 転々流通性 : 当事者間で直接譲渡可能

(6) 分割可能性: 額面を分割して使用可能

Bitcoinは５条件をほぼ完全に実現 (1) 独立性：ソフトだけ、インターネット経由で決済 (2) 安全性：複製も偽造もできない (3) プライバシ：実用上十分なレベル (4) オフライン性：△　P2P型の「確認」が必要　（でも現在は、この要件の重要性は低下している）

(5) 転々流通性：実現されている (6) 分割可能性：実現されている

p ネット上の「出来事」の存在証明「そんなの知らない」と言われない方法

電子的取引の非可逆性

取引

架空の出来事？

p タイムスタンプサービス TSA（信頼できる第三者機関）時間：国家による標準時（暦）

従来の非可逆性保証の方法

取引

電子署名

p 多数決による合意時間：取引間の因果関係の順序にもとづく構造

信用モデル：「信頼できる第三者」を利用しない

Bitcoin取引の非可逆性

取引記録

出来事の因果関係合意多数決

多数決による合意 p 投票権はどうするのか？計算能力の保有量＝投票権（確率的計算）

少数派多数派

取引記録

もし合意が覆されると？ p 過去の取引を取り消すことができるだけ、なので、頑張っても利益は小さい

多数派少数派

取引記録

p 現実のコインは、使えば手元からなくなる p 電子コインは、使っても、まだ手元にある！

電子貨幣の二重使用問題

従来の二重使用防止方法 p 電子コインにIDを付与使用すると使用済み状態に二重使用者を追跡する場合使用者の本名を要求

ID1234

本人A 100円

100円 100円

本人B

ID1235

ID1234

100円 100円

ID1235

従来の二重使用防止方法 p 問題額面の分割が困難プライバシ保護が困難高度な暗号技術 D. Chaum, T. Okamoto　など多数

100円

本人A 本人B

Bitcoinの二重使用防止 p 三式簿記（過去、現在、未来） outputは次のinputに連鎖（1対1対応）

input (3BTC)

input (5BTC)

output (4BTC)

output (4BTC)

input(4BTC)

input(4BTC)

8BTC 過去

8BTC 現在

8BTC 未来

output

output

取引

時間軸取引のハッシュ値で参照

送金者受領者

送金者の公開鍵送金者の電子署名

Bitcoinの二重使用防止 p inputには受領者の公開鍵と送金者の電子署名

input (3BTC)

input (5BTC)

output (4BTC)

output (4BTC)

input(4BTC)

input(4BTC)

8BTC 過去

8BTC 現在

output

output

トランザクション

時間軸送金者

受領者

取引のハッシュ値で参照

二重使用状態とは p 一つのoutputに複数のinput これがないことを確認すればよい

input (3BTC)

input (5BTC)

output (4BTC)

output (4BTC)

input(4BTC)

input(4BTC)

8BTC 過去

8BTC 現在

output

output

取引記録 input(4BTC)

☓

時間軸

Bitcoinの二重使用防止 p 電子コインに識別子はない価値の分割に制限がない（原理的に）プライバシ問題を回避（仮名によって）

input (3BTC)

input (5BTC)

output (4BTC)

output (4BTC)

input(4BTC)

input(4BTC)

8BTC 過去

8BTC 現在

output

output

トランザクション input(4BTC)

☓

ソフトウェアだけで実現されている p 主なbitcoinウォレット

iPhone bitWallet 送金機能なし！

コールドストレージ p 秘密鍵を紙に印刷などでオフライン保管電子的状態の秘密鍵を完全に削除秘密鍵を盗む攻撃に対して安全

p ペーパーウォレット秘密鍵を紙に印刷したもの紙の形で相手に譲渡することも可能

bitcoinウォレットの使い方 p 新しいウォレットを作成 (1) 秘密鍵を生成 (ECDSA Secp256k1)

(2) 秘密鍵から公開鍵を生成

(3) 公開鍵からBitcoinアドレスを生成

例 197bCWJMXpiYENn4ksAYgz9vwdF5EUpn4c

bitcoinウォレットの使い方 p bitcoinを受け取る自分のbitcoinアドレスを相手に教える

bitcoinウォレットの使い方 p bitcoinを送金する相手のbitcoinアドレスと金額を入れて送金

bitcoinウォレットの使い方 p 取引履歴の確認日時、アドレス、金額、ステータス（確認済みか？）ステータスが確認済みなら、次の支払いに使用できる

p Bitcoinの中核は取引記録の帳簿

ブロックチェインヤップ島の巨大石貨説

参加者全員に見える大福帳

全員が誰のものか知っている

一反もめん説（岡田先生）

　見える人にだけ見える大福帳ブロックチェイン

は、抽象的な情報 P2Pネットワーク上に冗長に存在

ブロックチェイン

ブロックブロック

ブロック

　

送金者

AがBに 50BTC 支払った

取引の記録ブロックブロック

ブロック

秘密鍵

A B 電子署名

受領者

　送金者が取引の記録を「放送」

A 送金者

B 受領者

「放送」は実際は P2Pネットワーク内でリレー


ブロック

　取引記録を受け取ったマイナーたちが確率的計算競争

A 送金者

B 受領者


ブロック

マイナー

マイナーマイナーマイナー

ブロック

　勝利したマイナーは新規ブロックを生成取引記録をブロックに登録しブロックチェインに接続

A 送金者

B 受領者

報酬獲得 25BTC

ブロック

ブロック

ブロック取引記録

マイナー

　全員で取引記録を承認

ミトドケター

ミトドケターミトドケター

ミトドケター

A 送金者

B 受領者

この時点で決済が完了


ブロック


決済のコンファーム処理

ミトドケター

ミトドケター

　全員で取引記録を保存

A 送金者

B 受領者

P2P型分散ファイルシステム


ブロック


実際のブロックチェイン

ブロック・チェインには p bitcoin経済開闢以来の全ての取引記録が入っている

直前ブロックのHash

新ブロック

nonce

... 取引

ブロックチェイン

取引取引

直前ブロックのHash

... 新取引新取引新取引

25BTC

bitcoinのP2P型ネットワーク p ノードは、自由に離脱／再接続が可能

新規参加者

一時的にネットに繋がっていない人

DNS seed 登録ノード

DNS seed 登録ノード

P2Pネットワークへの接続方法 p DNS seed 以下のようなDNで（wellknownな）ノードのIPアドレスがわかる seed.bitcoin.sipa.be dnsseed.bitcoin.dashjr.org bitseed.xf2.org

$ host bitseed.xf2.org bitseed.xf2.org has address 91.121.164.210 bitseed.xf2.org has address 46.19.139.72 bitseed.xf2.org has address 184.174.153.96 bitseed.xf2.org has address 187.139.68.233 bitseed.xf2.org has address 212.7.21.46 bitseed.xf2.org has address 69.164.206.88 bitseed.xf2.org has address 62.75.216.13 bitseed.xf2.org has address 207.164.207.54 bitseed.xf2.org has address 78.129.167.5 bitseed.xf2.org has address 177.71.192.164 bitseed.xf2.org has address 69.64.34.118 bitseed.xf2.org has address 62.75.253.91

ブロックのコンパクト化 p ブロックヘッダーにはルートHashだけ p マークルツリー構造で情報圧縮

ブロック

ブロックヘッダー（ブロックのHash）直前ブロックのHash Nonce

Hash01 Hash23

Hash0 Hash1 Hash2 Hash3

ルートHash

取引0 取引1 取引2 取引3

ブロック

ブロックヘッダー（ブロックのHash）直前ブロックのHash Nonce

Hash01 Hash23

Hash2 Hash3

ルートHash

取引3

マークルツリー構造化した取引のハッシュ取引３に関してブロック内を枝刈りした結果

p 「信頼できる第三者」が決済方法を提供決済コストが大きく見える

決済コストの(見かけ上の)低減

支払い

調停コスト与信コスト

p bitcoinにおける決済の正統性の確認 (1) 参加者全員が決済の確認コストを互恵的に分担 (2) 三式簿記を利用したネットワーク型の取引正統性の証明

決済コストの(見かけ上の)低減

支払い互恵的確認

取引ネットワーク三式簿記

インターネットの通信資源の

互恵的利用に似ている？

Bitcoinの安全性の拠り所 p コミュニティの互恵的良心？→　☓ p 法制度？　→　☓ p 金融機関や大企業の信用？　→　☓

人々の欲望！（コミュニティ、国家、金融機関が滅びても）人々の欲望が続く限り機能しつづけるシステム

金融機関の破綻国民通貨の危機への耐性

地下経済や違法取引での利用

プルーフ・オブ・ワーク p 時間がかかる計算を頑張った証拠 p ハッシュ関数を使う例　データ　＋　nonce (いろいろ変えてみる）

　　　　　　　　　SHA-256 000000001000111010001…1

ハッシュ値がゼロ8個で始まるnonceが見つかれば勝利！

プルーフ・オブ・ワーク p 難易度を上げる方法ネットワーク上の計算資源の総量が増えたとき　データ　＋　nonce (いろいろ変えてみる）

　　　　　　　　　SHA-256 000000000000111010001…1

ハッシュ値がゼロ9個で始まるnonceが見つかれば勝利！

プルーフ・オブ・ワークの計算難易度の調整

p 2016ブロックの計算ごとに難易度を調整 p 平均10分で答えが出るようにする 2016☓10分＝2週間計算完了が2週間より早ければ→難しくする計算完了が2週間より遅ければ→簡単にする

プルーフ・オブ・ワークの難易度の変遷

Bitcoin

ライトコイン

p 情報がインターネット経由で「もの」のように個人から個人に転々流通する

★流通する情報の所在は、ネットワーク全体である！　特定の媒体やサーバなどではない

Bitcoin技術がもたらしたもの

情報情報

抽象的な「情報」を「もの」のように扱う必要が発生

例：Bitcoinの盗難

「情報」＝対象秘密鍵＝操作手段

秘密鍵具体的データ

情報

送金操作

Bitcoinを盗む２つの方法

（１）抽象的な「情報」を盗む（２）秘密鍵（データ）を盗む

Bitcoin取引の例（シナリオ）

Bitcoinアドレス（山崎） 1.0 BTC

Bitcoinアドレス（ピンクカウ） 1.0 BTC

0.1 BTC

Bitcoinアドレス（山崎） 0.8999 BTC


0.2 BTC

手数料0.0001 BTC

手数料0.0001 BTC

Bitcoinアドレス（岡田） 1.0 BTC


0.1 BTC

手数料0.0001 BTC

取引１

取引2

取引3

Bitcoinの取引データ Bitcoinアドレス（山崎）1.0 BTC Bitcoinアドレス（ピンクカウ）1.0 BTC

0.1 BTC

手数料0.0001 BTC

output　1 ピンクカウ 0.1 BTC

output　2 山崎　0. 8999 BTC

手数料　0. 0001 BTC

取引１データ

取引1(送金者は山崎）

1.0 BTC 1.0 BTC

output 1 山崎1.0 BTC

直前の取引のoutput

直前の送金先金額 input1 山崎

input1 新規 output 未使用 0.8999 BTC

input1 山崎

1.0 BTC

直後の取引

直前の送金者 output 未使用

0.1 BTC

送金者送金者

過去現在未来

Bitcoinの取引データ Bitcoinアドレス（山崎）0.8999 BTC Bitcoinアドレス（ピンクカウ）1.1 BTC

0.2 BTC

手数料0.0001 BTC


output　2 山崎　0. 6998 BTC


取引２データ

取引２(送金者は山崎）

0.8999 BTC 0.8999 BTC

output 1 山崎 0. 8999 BTC


input1 山崎

input1 山崎 output 未使用 0.6998 BTC

input1 山崎

0.8999 BTC

直後の取引

output 未使用 0.2 BTC

過去現在未来

Bitcoinの取引データ Bitcoinアドレス（岡田）1.0 BTC Bitcoinアドレス（ピンクカウ）1.0 BTC

0.1 BTC

手数料0.0001 BTC


output　2 岡田　0. 8999 BTC


取引３データ

取引３(送金者は岡田）

1.0 BTC 1.0 BTC

output 1 岡田1.0 BTC


input1 岡田

input1 新規 output 未使用 0.8999 BTC

input1 岡田

1.0 BTC

直後の取引

output 未使用 0.1 BTC

過去現在未来

取引グラフの例　は取引でinputとoutputが連鎖接続

トランザクション・グラフの成長 p 10分間に成長した部分 p 成長した部分のみ新規ブロックに組み込まれる

p 各取引の先端は、次に成長を始める成長点

新規ブロック新規取引新規取引 ...

Double Entry Accounting p 複式簿記（資本主義、株式会社の発達）株式会社が株主に資産と利益を報告対象は１企業の閉じたシステム会計期：１年

株主

説明義務株式会社

Triple Entry Accounting p 三式簿記（bitcoin）取引ネットワーク全体の正統性を検査参加者全員に報告会計期：約10分間過去、現在、未来タイムスタンプサービス

参加者全員

説明義務

取引ネットワーク全体

Bitcoinのアイデンティティとプライバシ

p ブロックチェイン bitcoin開闢以来の全取引履歴を誰でも確認可能

p Bitcoinアドレスは仮名仮名：「本人」とリンクしない匿名性（アイデンティティの積極的隠蔽）はない

仮名を追跡する方法 p 再利用アドレスの調査 p "taint" 解析 p 支払い履歴の追跡 p IP アドレス追跡 p web-spidering

ブロックチェインの追跡方法 p 取引情報を取得　https://blockchain.info のAPIを利用 http://blockexplorer.com/rawtx/d1c6b8140246950475735394b0ac68f9ada60d313d2b5308afbc569c84f7fd08

{ "hash":"d1c6b8140246950475735394b0ac68f9ada60d313d2b5308afbc569c84f7fd08", "ver":1, "vin_sz":1, "vout_sz":1, "lock_time":0, "size":168, "in":[ { "prev_out":{ "hash":"0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000", "n":4294967295 }, "coinbase":"038349040d00456c69676975730052d8f72ffabe6d6dd991088decd13e658bbecc0b2b4c87306f637828917838c02a5d95d0e1bdff9b0400000000000000002f73733331312f00906b570400000000e4050000" } ], "out":[ { "value":"25.08660927", "scriptPubKey":"OP_DUP OP_HASH160 5399c3093d31e4b0af4be1215d59b857b861ad5d OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG" } ]}

電子貨幣の「ギュゲスの指輪」 p プラトンの著書「国家」透明人間による、知られることのない悪事の物語秩序ある活発な経済と個人の尊厳

p ネットの登場以来繰り返された議論匿名発言、通信履歴、位置情報、人間関係

p 仮想通貨のアイデンティティとプライバシ国家、超国家企業（仮想通貨のGoogle, facebookが登場？）仮名の世界での秩序形成

flexcoin社のコイン盗難経路 2014年3月2日にこのアドレスに盗まれました

カナダflexcoin社の残高

カナダflexcoin社の盗難取引

Bitcoinの匿名化技術は存在

p mixing service 意図的に取引履歴を匿名化のためのサービス

p Dark Wallet P2P型のmixing service

p 匿名化の目的非合法取引、マネーロンダリング人権としての決済プライバシ

mixing service p Bitcoinの取引の流れを匿名化する仮名から仮名への取引の流れを撹乱する

ミクシングサービス

A

B

C

E

F

G

mixing serviceの原理

送金者

受領者

アドレス

アドレス

ミクシングサービス共有ウォレット

10BTC ＋手数料

10BTC

アドレス

.

.

.

p 共有ウォレット

mixing serviceの原理２

ミクシングサービス共有ウォレット

10BTC ＋手数料

2BTC

5BTC

3BTC

支払い金額を分割し統計的な特徴を消す

数日間にわたって時間的にも分散

何ヶ月か放っておく

送金者

受領者

p プロファイリング防止技術の例

mixing serviceの弱点 p 信用問題（運営主体が信用できない）

p mixing serviceには取引履歴が残る

p mixing serviceは扱い額の２倍以上の大量のコイン保有が必要

CoinJoin p 取引履歴の特徴を消すサービス

1BTC

2BTC

input

input

output

output

1BTC

output

1BTC

1BTC

CoinJoin p CoinJoinの実例

ダークウォレット p 開発者はかなり悪そうな人 Cody Wilson (1)、Amir Taaki (2) (1)最初に３Dプリンタで実射可能な銃を作った人 (2) DarkMarketを作った人

Wilson and Taaki

ダークウォレット p 開発目的はたぶんマネーロンダリングや違法取引

p しかし、プライバシ保護にも有効な技術 mixingサービスの信用問題を解決

ダークウォレット送金開始時「内部ミクサー」が「coinjoinチャンネル」に接続

coinjoin

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

内部 mixer

ダークウォレット受領者の公開鍵をリポジトリに登録

coinjoin

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

Dark wallet

内部 mixer

公開鍵 (吉井)(Q)

秘密鍵 (吉井)(d) 公開鍵 (A)(Q)

公開鍵 (A)(Q)

公開鍵 (A)(Q)

受領者

送金者

パブリックな公開鍵

ダークウォレット p ステルスアドレス送金者と受領者だけがわかるアドレス

受領者送金者

ECDSAのミニ知識公開鍵： Q 秘密鍵： d 楕円曲線のベースポイント： G * ：楕円曲線上の掛け算 Q = d * G

楕円曲線上の割り算は事実上不可能

公開鍵 (吉井)(Q) 秘密鍵 (吉井)(d)

パブリックな公開鍵

ステルスアドレス

公開鍵 (山崎)(Q)

秘密鍵 (山崎)(d)

ダークウォレット p ステルスアドレスの作り方二人だけの秘密S

受領者

秘密鍵 (吉井)(d)

送金者

公開鍵 (山崎)(Q)

秘密鍵 (山崎)(d) 公開鍵 (吉井)(Q)

S = * = * = 山崎(d) * 吉井(d) * G

公開鍵 (吉井)(Q)

公開鍵 (山崎)(Q) 秘密鍵 (吉井)(d)

秘密鍵 (山崎)(d)


S

ダークウォレット p ステルスアドレスの作り方ステルスアドレスの秘密鍵も作れる（次の送金に必要）

受領者

送金者

公開鍵 (吉井)(Q) ＋　S*G

( + S) *G 秘密鍵 (吉井)(d)

(秘密鍵 (吉井)(d)　+ S)

ステルスアドレスの秘密鍵


受領者が次の送金に使用する

プライバシ保護技術と法令遵守技術は

　bitcoinの今後の技術的課題の一つ

マイニングのコスト

p 実際はブロックチェインを伸ばす作業

p 計算競争に勝利すると新規コイン

p 専用ハード無しで勝利できる確率は僅少

p 現状は非常に電力を消費する

マイニングのインセンティブ p 新ブロック生成時の報酬最初の4年　50BTC、次の約4年 25BTC

p 取引手数料報酬現在の実装では手数料の支払いは自発的行為で、無料でもOK

0"

5,000,000"

10,000,000"

15,000,000"

20,000,000"

25,000,000"

2005" 2010" 2015" 2020" 2025" 2030" 2035" 2040" 2045" 2050" 2055"

設計思想としては

消費電力量＝採掘コインの価値

ではないが、人間の欲望で加熱

神託計算の省エネ化などの研究が必要

激しい価格変動決済には使いにくい

ハイエクの貨幣発行自由化論

ユーロ批判の議論から始まる複数の民間発行通貨が競争すれば、安定するだろう

サフォーク銀行 NII 岡田先生からの受け売りです～

p アメリカの地域銀行券間の交換所銀行 Bank of Mutual Redemption (1818年～1858年) ボストン茶会事件 1773年

アメリカ独立戦争 ~ 1783年 →イングランド銀行の支配からの独立が目的の１つでもアメリカの地域銀行券はまるで仮想通貨（不安定）

サフォーク銀行 p アメリカの地域銀行の親分銀行（地域ごと）地方銀行券を一定率（1/3)預かり、価格調整地方銀行券間の交換所

p 連邦準備銀行 (FRB) の前身になった 12主要都市のFRB シカゴ連銀ニューヨーク連銀ボストン連銀 ...

仮想通貨サフォーク銀行の提案 p 「サフォーク福岡」みたいな仮想通貨間の相互交換

仮想通貨を一定比率預かり、価格調整

p よりインテリジェントな通貨価格調整仮想通貨の種類　≒　業種、業界

地域単位の景気　→　業界の景気／価格調整

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