Proof of payment
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Proof of payment
- 1. Proof of Paymentによる Bitcoinのセカンドレイヤを利用した スマートロックの即時制御 近畿大学 深田涼太 福田裕也 篠崎仙太郎 山崎重一郎
- 2. 研究目的 ブロックチェーンのスループットの問題 • 決済などの確定に３０分〜６０分程度の時間が必要 セカンドレイヤ技術による解決方法が提案されている 本研究はBitcoinのセカンドレイヤ技術の一つであるProof of Payment を用いたスマートロックの即時制御を実現したので報告する
- 8. 複式簿記 資本主義、株式会社の発達に貢献 複式簿記による会計監査 • 会社が株主に、資産、負債、費用、収益の整合性を証明 • クローズドシステム • 会計期：１年 株主 会計監査 株式会社
- 9. 三式簿記 bitcoinが最初に採用 参加者全員による会計監査 • 送金過程のネットワーク全体の整合性を監査する • オープンシステム • 会計期：約10分間 参加者全員 会計監査 送金過程のネットワーク全体
- 11. Bitcoinの送金開始 受領者 送金者 送金者 所持金 UTXO 金額 送金先 参照 トランザクション (1) 送金者は、送金用トランザクションを作成 (2) トランザクションをBitcoinネットワークにブロードキャスト開始 • 接続している８ノードに送信する
- 16. ブロックチェーンとは ブロック • 平均１０分の間にブロードキャストされたトランザクションを集めたデータ ブロックチェーン • ノードによって検証済みである正しいトランザクションのみの台帳記録 前のブロックのハッシュ値 proof of work トラン ザク ション トラン ザク ション トラン ザク ション ブロック ブロック ブロック ブロック ブロック ブロック １０分 １０分 １０分 １０分 １０分
- 20. ビザンティン合意問題 正常なノードすべてに同じ値を合意させる方法を問う問題 1/3 以上の敵が結託すると相互通信確認による合意は不可能 • 正常なノード • 本当は正常なノード • 結託している不正なノード M Mは敵だ Mは敵だ Mは敵だ Mは敵だ Mは敵だ Mは敵だ 正しい 台帳記録
- 24. Bitcoinの送金における公開鍵暗号の利用と電子署名 UTXOについて • UTXOは送金者の所持金を意味する • 未使用の場合はロック状態になっている 受領者送金者 lock状態 UTXO
- 25. Bitcoinの送金における公開鍵暗号の利用と電子署名 トランザクションへの電子署名によるUTXOのアンロック • UTXOの所有者の秘密鍵による電子署名をトランザクションのinputに入 れることで、UTXOはアンロックされる • アンロックされたUTXOは「使用済」状態になる 送金者 受領者 unlock UTXO 電子署名 使用済状態 Output 送金先 金額 input トランザクション
- 29. Proof of Payment (支払い証明）とは UTXO を故意に二重使用する方法 UTXOを二重使用できるのは、１回目の送金者しかいない 支払い済であることが証明できる
- 30. Proof of Payment (支払い証明）の実施方法１ １回目の送金 • 実際にBitcoinを送金する（ブロードキャスト） • 受領者は、ブロックチェーンで資金の受領を確認する ブロードキャスト 受領者 unlock UTXO Output 送金先 金額 input 電子署名 使用済状態 送金者 受領確認
- 31. Proof of Payment (支払い証明）の実施方法２ Proof of Paymentトランザクションの作成 • 受領者が送金者に使い捨てのnonceを生成して渡す • 同じ秘密鍵で署名したトランザクション(Proof of Payment)を作成 • Proof of Paymentトランザクションの中に受け取ったnonceを埋め込んでおく 送金者 受領者 unlock UTXO Outputinput 電子署名 使用済状態 通信路 Proof of payment トランザクション nonce
- 32. Proof of Payment (支払い証明）の実施方法３ ２回目の送金 • 当事者間の通信路で送信（ブロードキャストしない） • 受領者は、トランザクションをブロックチェーンで検証し二重使用を確認 送金者 受領者 unlock UTXO Outputinput 電子署名 使用済状態 通信路 二重使用 確認 Proof of payment トランザクション nonce
- 33. Proof of Paymentの特徴１ 送金者の証明が可能 • Proof of Payment トランザクションへの電子署名には、事前送金と同じ 秘密鍵を使用する．このような電子署名が可能なのは、同一の秘密鍵 を持つ事前送金した本人だけである。 Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 送金者 nonce 事前送金 参照UTXO
- 34. Proof of Paymentの特徴２ 複数回の利用が可能 • 一回のBitcoinの実送金に対して、複数回のProof of Paymentが作成できる。 利用例 • １回送金すれば、１日の間何度でもスマートロックを解錠できる 送金者 受領者通信路 PoPトランザクション PoPトランザクション
- 35. Proof of Paymentへの攻撃１（リプレイ攻撃） 傍受したProof of Paymentトランザクションを再送する攻撃 防御方法 • 受領者が毎回nonceを確認する • Proof of Paymentトランザクションは1度のみ 送金者 受領者通信路 PoPトランザクション PoPトランザクション 攻撃者コピー nonce nonce
- 36. Proof of Paymentへの攻撃２ 実際にUTXO を二重使用する • Proof of PaymentトランザクションをBitcoinネットワークにブロード キャストした場合、それを受け取ったノードは、すぐにUTXOを二重使 用している不正なトランザクションとして破棄するので、他のノード にリレーされることはない。 PoPTxをブロードキャスト 仮にブロードキャストされた場合について 送金者 検証により不正が確認、リレーされない PoPTx
- 37. Proof of Paymentトランザクションの作成 事前送金をもとにProof of Paymentトランザクション(PoPTx)を作成 • 提供者からnonceを取得し、PoPTxに埋め込む • Locktimeを499999999にする • PoPTxは事前送金と同じinputを持つ • sequenceの値は全て０にすることでLocktimeが機能するようにする • OP_RETURNで始まる特殊なoutputを１つだけ持ちTxidが格納される
- 38. Proof of Paymentトランザクションの検証 1.PoPTx を検証する．入力が使用済みであることを除いて、 トランザクションの検証に成功すること Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 検証 事前送金のトランザクションと比較 形式として間違っていないか
- 39. Proof of Paymentトランザクションの検証 2. Locktime が 499999999 であるか確認する。 誤ってブロードキャストされても499999999ブロックまで取り込まれない （2019年3/1日−565197ブロック 499999999になるのは約8800年後） Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 確認
- 40. Proof of Paymentトランザクションの検証 3. アウトプットは 1 つだけで、pop output が正しく入力されて いるか確認する Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 確認
- 41. Proof of Paymentトランザクションの検証 4. pop output に記載されているTxidが検証対象のトランザクション か確認する． Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 確認 Txid･･･トランザクションのハッシュ値
- 42. Proof of Paymentトランザクションの検証 5. pop output に記載されている nonce の値が事前にサービス提 供者が送信したものと同じか確認する Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 確認
- 43. Proof of Paymentトランザクションの検証 6. PoPTx が全てのインプットが sequence を除いて、Tx と同じで あるかを確認する． Proof of Paymentトランザクション(PoPTx) input output 電子署名 送金先アドレス (Bitcoinアドレス) 送金金額 nonce 事前送金 参照UTXO Locktime sequence=0 提供者 確認
- 44. Proof of Paymentトランザクションの検証 7. 全てのインプットのスクリプトを実行して、全てtrueとなるか を確認する． これらすべての検証に成功した場合、支払いの証明となる
- 45. スマートロック Web APIによる開閉制御が可能なCANDY HOUSE社のSesameを用い た。 Sesame はメールアドレスとパスワードによりデバイスの管理者 登録が可能であり「lock」や「unlock」コマンドを 入力すること で開け締めの即時制御が可能となっている。 Proof of Payment トランザクションを受け取った後，検証を行い送金した 本人であると確認が取れた場合，鍵の開け締めを行う。
- 46. 試作したシステムの流れ
- 47. 動画
- 48. まとめと今後の課題 まとめ • Proof of Paymentを用いることで、ブロックチェーンの問題の一つであ るスループットの問題を解決する現実的な方法を確認できた。 今後の課題 • Proof of Payment は，サービス側が信頼できるという前提のモデルであ る。 • 事前送金したのにサービスが受けられないという事態への対処は含ま れていない。 サービスが受けられなかった場合に，デポジットしたBitcoinの 資金が回収できるようなプロトコルを検討することである。
- 49. ご清聴ありがとうございました
Editor's Notes
- こんにちは 近畿大学の深田です 僕たちは「Proof of PaymentによるBitcoinのセカンドレイヤを利用したスマートロックの即時制御」について研究したので発表させていただきます よろしくお願いします
- まず本研究の目的です ブロックチェーンにはスループット問題があり、決済などの確定には30分〜60分程度の時間が必要です このスループットの問題の解決方法としてセカンドレイヤ技術が提案されています 本研究はBitcoinのセカンドレイヤ技術の一つであるProof of Paymentによるスループットの問題の解決とそれによるスマートロックの即時制御の実現しましたので報告します
- では、まず最初になぜ決済などの確定に30分から60分程度の時間が必要なのかです これはブロックチェーンの原理からくる問題で、今回はビットコインによる電子マネーの二重使用問題の解決方法という視点から説明していきます
- 現金とは違い電子マネーは原理的に複製が可能です
- 電子マネーの二重使用の解決方法としてICカードなど耐タンパデバイスや信用できるネットワークサービスなどが発行しているプリペード番号などがあります（itunesカード、google playカード）
- ビットコインではハードウェアなどはなく、ソフトウェアのみで実現しており、信頼点を必要としていません また、個人から個人へと転々譲渡が可能となっています
- ビットコインでは三式簿記による会計監査を利用しています トランザクションは三式簿記形式となっており、総量保存則が成り立っています これにより送金仮定で貨幣的価値が増減せず、必ず総量は保存されます また、会計監査に成功していれば二重使用は不可能です
- 複式簿記は株式会社などの発達に貢献しています 会計監査により会社が株主に資産などの整合性を証明しています これはクローズドシステムであり、会計期は1年に1回です
- 次に三式簿記です。三式簿記はbitcoinに採用されており、会計監査は参加者全員によって行われています 送金過程のネットワーク全体の整合性を監査しており、オープンシステムとなっています 会計期は約10分です
- ビットコインのネットワークはP2P型のネットワークシステムであり、各ノードは8本ずつコネクションで接続しています
- ビットコインの送金についてです まず送金者は送金用のトランザクションを作成します 作成したトランザクションをビットコインネットワークにブロードキャスト ブロードキャストとは接続している８つのノードに送信することを指します
- 各ノードがブロードキャストによりトランザクションを受け取り不正などの検証である会計監査を行います
- 検証に問題がない場合、また隣接している８つのノードにリレーします もし二重使用など不正が会った場合、そのトランザクションは破棄されリレーされません この会計監査とリレーを繰り返し全体に渡していきます
- 全体にリレーしていくことで受領者に渡り送金が完了となります
- つぎにブロックチェーンについてです ブロックチェーンとはビットコインネットワークの各ノードが保有している台帳記録です このブロックチェーンには検証済みの正当なトランザクションが保管されています
- ブロックは平均10分の間にブロードキャストされたトランザクションを集めたデータです ブロックチェーンはノードによって検証済みである不正のない正しいトランザクションのみの台帳記録です
- 送金者の所持金を表すUTXOを二重使用する攻撃について説明します 一つのUTXOをもとに2つのトランザクションを作成し、東京とブエノスアイレスからブロードキャストします
- 同タイミングでブロードキャストした場合全ノードには伝搬せず、トランザクションがぶつかる部分をリレー境界と呼びます
- マイナーと呼ばれるブロックの作成者によってどちらかひとつのトランザクションだけが正当なものに選択されます
- 各ノードの合意問題としてビザンティン合意問題があります これは正常なノード全てにすべての値を合意させる方法を問う問題で、三分の一以上の悪意を持ったノードが結託すると相互通信確認による合意が不可能となります よってビットコインのノードは三分の二のノードが正常である必要があります
- ブロックチェーンのブロックは世界各地のマイナーによって作られるため分岐する場合があります その場合正常ノードの最長のチェーンの前半部分は確率的に共通化され、合意とみなされる 合意のための通信は不要となっています
- このように枝刈り後の共通部分しか確率的に信頼できないため決済の完了には30分から60分必要となります
- ビットコインの送金では公開鍵暗号が利用されています 各ユーザは公開鍵と秘密鍵を所持しています
- UTXOとは送金者の所持金を意味します 未使用の場合はロック状態になっています
- UTXOを使用する場合、UTXOの所有者の秘密鍵による電子署名をトランザクションのインプットにいれることでUTXOは使用可能となります またアウトプットは受領者のUTXOとなります
- ブロックチェーンのセカンドレイヤ技術とはブロックチェーンへのデータの登録は行われません これはオフチェーンとも呼ばれます また、P2Pネットワークへのデータのブロードキャストを行いません 通信は当事者間のみで完結します これらによってブロックチェーンのスケーラビリティの問題とスループットの問題の解決を図ります
- ファーストレイヤはトランザクションがブロードキャストされますが、セカンドレイヤは当事者間のみの通信でありブロードキャストされません
- ビットコインのセカンドレイヤ技術はいろいろあり本研究ではProof of Paymentを用います
- Proof of PaymentとはUTXOを故意に二重使用することで支払いの証明を行う方法です UTXOを二重使用できるのは一回目の送金者しかいないため、支払い済みであることが証明できます
- 実施方法についてです 実際にビットコインを送金します 受領者はブロックチェーンで資金の受領を確認します
- 次にProof of Paymentトランザクションの作成です 受領者は送金者に使い捨てのnonceを生成して渡します 同じ秘密鍵で証明したトランザクションを作成する その際Proof of Paymentトランザクションの中には受け取ったnonceを埋め込みます
- 二回目の送金は当事者間で送信しこれはビットコインネットワークにブロードキャストしません 受領者はトランザクションをブロックチェーンで検証し、二重使用を確認します
- Proof of Paymentの特徴として送金者の証明が可能です Proof of Paymentトランザクションへの電子署名には事前送金と同じ秘密鍵を使用します このような電子署名が可能なのは同一の秘密鍵を持つ事前送金を行った本人だけです
- 特徴2つ目です Proof of Paymentによる証明は複数回の利用が可能です 一回のビットコインの実送金にたいして、複数回のProof of Paymentが作成できます 利用例として一回送金すれば、一日の間何度でもスマートロックを解除できます
- 傍受したProof of Paymentトランザクションを再送する攻撃を防御する方法として受領者は毎回nonceを確認します 一度使ったProof of Paymentトランザクションは使えません
- Proof of Paymenｔトランザクションをビットコインネットワークにブロードキャストした場合、それを受け取ったノードは二重使用している不正なトランザクションとして破棄するので、他のノードにリレーされることはありません
- Proof of Paymentの作成手順です まず提供者からnonceを取得しPoPTｘに埋め込みます Locktimeを499999999にする