ビットコインとブロックチェーン:暗号通貨を支える技術を読んだ

Mastering Bitcoinの邦訳であるビットコインとブロックチェーン:暗号通貨を支える技術/アンドレアス・M・アントノプロス (著), 今井崇也 (翻訳), 鳩貝淳一郎 (翻訳)を読みました。

Blockchainのバイブルと名高い本書ですが、その評判に違わない内容でした。 2009年にナカモトサトシが論文を発表して以来、数多くの記事がネット上に存在し、十分な情報がある現在ですが、どうしても今一歩疑問が解決できない事柄が多々ありました。個人的には以下の2つが、なんとなくはわかるけど、どうもしっくりこない事柄でした。

UTXO
マークル木

具体的にはそれぞれ、以下のような疑問がずっとありましたが、本書を読んで解決することができました。

UTXOの疑問点

UTXOがアカウントベースではないというのは、理解できるものの以下がよくわかりませんでした。

特定のアドレスの残高はどうやってわかるのか

この疑問は、以下の記載で氷解しました。

ウォレットは、ブロックチェーンをスキャンしてユーザに属しているすべてのUTXOを掻き集め、残高を計算しているのです。

(P.120 第5章トランザクション / トランザクションアウトプットより引用)

Blockchainの機能として残高がわかるわけではなく、ウォレットの機能なのですね。その他にも以下のような疑問がありました。

コインをロックするとは、どういうことなのか
任意の精度でアウトプットがロックされてしまうと、ゴミのようなコインばかりになってしまうのではないか

これらの疑問は以下の文章で理解できました。

・ビットコインの最小単位であるsatoshi単位で表されたビットコイン金額・アウトプットを使用するにあたって満たさなければいけない「解除条件(encumbrance)」として知られているlocking script

(P.122 第5章トランザクション / トランザクションアウトプットより引用)

コインのロックとは、locking scriptのことであり、これを解除する条件を満たせるのが、そのアドレスの秘密鍵を持っている人です。具体的には、秘密鍵で作成したunlock scriptを作成すること、というのもscript言語の節で理解できました。また、任意の精度ではなく、satoshi単位で量子化されているのも、考えてみれば当たり前ですが、本書を読まなければずっとモヤモヤしたままでした。

マークル木の疑問点

マークル木では、ブロックに含まれるトランザクションをマークルルートで代表するのは理解できるものの以下の疑問がありました。

client-sideで検証する際にマークルルートだけでは不足するのではないのか

再び本書から引用すると、以下の通りでした。

特定のトランザクションがブロックに格納されていることを証明するために、ビットコインノードはlog2(N)個の32バイトのハッシュ値を作るだけでよく、（中略）千個以上のトランザクションから、1個のトランザクションを特定するためのマークルパスを10〜12個のハッシュ値（320〜384バイト）で効率的に作り出すことができるのです。

(P.178 第7章ブロックチェーン / マークルツリーより引用)

疑問は正しく、マークルルートだけでは、特定のトランザクションが格納されている検証はできないものの、すべてのトランザクションを持つ必要はなく、log2(N)で検証に必要なトランザクション数を減らせるというのが肝のようでした。

網羅性が高い

本書はBlockchain、とりわけBitcoinについて非常に網羅的です。目次を引用しますが、第3章〜第8章のBlockchainの基盤的な仕組みがとても勉強になりました。逆に第9章は少し古いので、読み飛ばすのもありだと思います。

第1章　イントロダクション第2章　ビットコインの仕組み第3章　ビットコインクライアント第4章　キー、アドレス、ウォレット第5章　トランザクション(取引) 第6章　ビットコイン・ネットワーク第7章　ブロックチェーン第8章　マイニングとコンセンサス(合意形成) 第9章　代替的なチェーン、通貨、アプリケーション第10章　ビットコインの安全性

また、インターネット上の記事を見ていると「ビットコインアドレスは1から始まる」という説明をよく見ると思いますが、本書では、Version prefixがどのように付けられるから、それをbase58エンコーディングをした結果、先頭が1になるというような説明が、P2SHやWIF形式といった種類ごとにまとめられています。本書中でも「xから始めるアドレス」という表現は何度も登場し、ネット上でこれだけみんなが言っていたのも本書がバイブルであることを裏付けているようでした。

自分で手を動かせる

本書にはコードが多数含まれています。コマンドライン上で動かすbitcoin coreやlibbitcoin/bitcoin explorerや EthereumのVitalikが作成したpythonライブラリpybitcointoolsなどを使って、上記のxから始めるアドレスというようなアドレスを実際に生成してみたり、bitcoinコアのコマンドからblockやtx、utxoの情報を取得したりします。

コードは多いですが、自分で実装を考える部分はほぼなく、写経する形になると思います。むしろ大変なのは、150GB(2018/04/13時点)を超えるフルノードの同期と、バージョンが違うことによる./configureとmakeのエラー解消だと思います。実際、読書時点の2018/04/13時点で安定バージョンだったv0.16.0では、本書の内容から変更されている部分もありました。第3章から第6章を自分でやってみた際の結果と変更に応じて対処した点は、こちらにログを残しているのでご参考にどうぞ。

その他収穫だったところ

今までわからなかったscript言語もスタックマシンであるという説明があり、実際にscriptSigとscriptPubKeyが組み合わされることでUTXOのロックを解除する流れや簡単な例が記載されており、マルチシグのような条件付きスクリプトも読めるようになったのは大きな収穫です。その他にも階層的決定性ウォレットやトランザクションプール、extra nonceなど興味深いトピックが多数含まれており、とても勉強になりました。