ビットコイン等の暗号通貨の課題として、トランザクションの取引内容が確定するまでに時間がかかるという問題と処理件数が少ないという問題があります。
その原因として、ビットコインでは10分間に1ブロックが生成されるように調整されているのですが、ブロックサイズの上限が現在1MBであることが挙げられ、これでは短時間に大量のトランザクションを処理することができません。
この一連の問題をスケーラビリティ問題といいます。
それを解決する方法として、ブロックチェーンの外側で複数回分の取引を実施し、1つのトランザクションに集約した後にブロックチェーンに記録するオフチェーン技術が考えられています。
マイクロペイメントチャネル
解決方法の1つがマイクロペイメントチャネルで、単方向マイクロペイメントチャネル、双方向マイクロペイメントチャネル、HTLCを利用した双方向ペイメントチャネル があります。
いずれも大まかな流れとしては、最初のトランザクションで資金をチャネル用（オフチェーン上の取引するための経路）にデポジットし（預け）、その後オフチェーンの取引で残高を更新し、取引が終了したら残高に応じて最後のトランザクションをブロードキャストする（ブロックチェーンに記録する）、といった感じです。
単方向マイクロペイメントチャネル
二者間の取引で、片方向の支払いが可能です。
取引を具体的にみていきます。
- オープニングトランザクションの作成
チャネルを確立する際にやり取りされるトランザクションをオープニングトランザクションとよびます。
オープニングトランザクションでは、アウトプットのlocking scriptに2-of-2マルチシグを設定することで、資金を移動するには両者の合意が必要となる宛先に資金をデポジットします。
- 払い戻し用トランザクションの作成
送金先が応答しなくなった場合に、デポジットした資金が返ってくるようなトランザクションを作成しておき、これはチャネルの有効期限後にブロードキャストできる状態になります。
- オープニングトランザクションのブロードキャスト
送金者が作成、署名したオープニングトランザクションを送金相手に渡し、送金相手はこれをブロードキャストすることで、チャネルが確立されます。
要するに、送金者の署名により使えるようになったインプットと、2人の署名が必要なアウトプットを持つトランザクションがブロックチェーン上に記録されます。
- コミットメントトランザクションの作成
コミットメントトランザクションとは取引を行うたびに作成するトランザクションで、インプットにはオープニングトランザクションのアウトプットを設定します。
送金者は署名してから送金相手に渡すため、送金相手が署名すればいつでもブロードキャストできる状態になります。
- コミットメントトランザクションのクローズ
送金相手は最後に受け取ったコミットメントトランザクションに署名し、ブロードキャストすると、チャネルがクローズします。
- まとめ
送金者の資金を2-of-2マルチシグにデポジットした後に、送金者が署名済みのコミットメントトランザクションを送金相手に渡すと、後は送金相手が署名すればいつでもブロードキャストできる状態になるので支払いが完了したとみなせます。
そして、オープニングトランザクションのブロードキャスト前に払い戻し用トランザクションを作成しておくことでチャネルの有効期限が過ぎれば資金は戻ってくるようにできます。
双方向マイクロペイメントチャネル
二者間の取引で、相互に支払いが可能です。
双方向マイクロペイメントチャネルを実現するためには、Segwitの仕組みが必要です。
理由は、コミットメントトランザクションを作成する際に、オープニングトランザクションの署名前にオープニングトランザクションのアウトプットをUTXOとして参照し、それはトランザクションIDを用いて行いますが、署名前と署名後でトランザクションIDが変わらない必要があるからです。
取引を具体的に見ていきます。
- オープニングトランザクションの作成
二者のUTXOをインプットに設定し、オープニングトランザクションを作成します。
- シークレットの作成、シークレットハッシュの交換
二者はそれぞれ、作成者しか知りえない文字列であるシークレットを作成し、そのシークレットのハッシュを交換します。
これはコミットメントトランザクションを更新した後に、最新でない過去のコミットメントトランザクションを不正にブロードキャストすることを防ぐためのものです。
- コミットメントトランザクションの作成、交換
コミットメントトランザクションは二者がそれぞれ作成し、インプットにはオープニングトランザクションのアウトプットを設定します。
アウトプットには、自分のアドレス宛と、特別なlocking script宛のアウトプットがあり、それは以下のいずれかの条件で解除できます。
a. 一定期間後、相手の秘密鍵で解除できる
b. 相手から受け取ったシークレットハッシュの元となるシークレットを知っていれば、自分の秘密鍵で解除できる（コミットメントトランザクションの作成時点では、シークレットハッシュは知っているが、シークレットは知らないため、解除できない）
作成したトランザクションに自分の署名を加え、相手に渡すことで、お互いが受け取ったトランザクションは、自分が署名すればいつでもブロードキャストできる状態になっています。
- オープニングトランザクションのブロードキャスト
オープニングトランザクションはどちらが作成しても良く、一方が自分の署名を加えたオープニングトランザクションをもう一方に渡し、その相手は署名してブロードキャストします。
- シークレットの作成、シークレットハッシュの交換
それぞれ新たにシークレットを作成し、そのシークレットハッシュを交換します。
- コミットメントトランザクションの作成、交換
チャネルのオープンで作成した時と同様に、取引内容に応じて送付する暗号通貨の量を変えたコミットメントトランザクションをそれぞれが作成し、交換します。
- シークレットの交換
1つ前のコミットメントトランザクションを作成する際に使用したシークレットを交換します。
このとき、一方が1つ前のコミットメントトランザクションをブロードキャストしたとすると、相手のアドレスと特別なlocking scriptに送金されることになり、先程述べたように、ブロードキャストした側は一定期間経つまで、秘密鍵を使って入手はできないのに対して、された方は、シークレットを知っておりすぐに入手できます。
結果的に全てブロードキャストされた方のものになってしまうため、最新のものだけがブロードキャスト可能な状態となっています。
- クロージングトランザクションの作成、ブロードキャスト
最終的な金額に双方が合意し、チャネルをクローズすることに同意できたら、どちらかがクロージングトランザクションを作成します。
インプットにはオープニングトランザクションのアウトプットを設定し、アウトプットには同意した最後の残高をそれぞれのアドレスに設定します。
双方が署名した後、ブロードキャストしますが、意見が合わないときは、クロージングトランザクションではなく、最後のコミットメントトランザクションをブロードキャストすることでチャネルを強制的にクローズすることができます。
- 課題
過去のコミットメントトランザクションを不正にブロードキャストすることをロックタイムにより防止していましたが、そのためにはブロードキャストを検知し、ロックがかかっている間に資金を取り戻す処理が必要で、ブロックチェーンの監視やコストを誰が負担するのかという課題があります。
HTLCを利用した双方向ペイメントチャネル
HTLC（Hashed TimeLock Contract）とは決済相手に直接送金するのではなく、中間者を経由して送金する仕組みで、これを利用すると、取引者それぞれが中間者とチャネルをオープンしていれば、相手と直接チャネルを開くことなく、中間者を経由して送金できます。
取引を具体的に見ていきますが、取引者それぞれは中間者とペイメントチャネルをオープンしているため、始めからコミットメントトランザクションをそれぞれ保有しており、最終的には、コミットメントトランザクションの残高が更新され、手元に残る状態になります。
- シークレットの作成、シークレットハッシュの連携
送金相手は自分しか知らないシークレットを作成し、シークレットハッシュを中間者と送金者に連携します。
- コミットメントトランザクションの作成、交換（送金者と中間者）
受け取ったシークレットハッシュを用いて、コミットメントトランザクションを作成します。
送金者は双方向ペイメントチャネルのアウトプットに加えて3つ目にHTLCを用いた中間者への支払いを設定します。
そのlocking scriptの解除方法は、以下のようになっています。
a. 一定期間が過ぎた後、送金相手のシークレット（1で作成）が分かれば中間者の秘密鍵で解除できる
b. 中間者のシークレットが分かれば、送金者の秘密鍵で解除できる
c. 一定期間が過ぎた後、送金者の秘密鍵で入手できる
中間者も3つ目のアウトプットに以下の条件で解除できるlocking scriptを設定します。
a. 初めのシークレットが分かれば中間者の秘密鍵で解除できる
b. 送金者のシークレットが分かれば、中間者の秘密鍵で解除できる
c. 一定期間が過ぎた後、送金者の秘密鍵で解除できる
aは中間者への支払いのため、bは過去のコミットメントトランザクションをブロードキャストする不正を防止するため、cは引き換え期間内にシークレットが中間者から送金者へ渡されない場合に資金を回収するためのもの（中間者が送金相手にコインを払ったことの証明になる）です。
- コミットメントトランザクションの作成、交換（中間者と送金相手）
2で作成したトランザクションと同等の内容のトランザクションを作成しますが、cでOP_CLTY（ロックタイムを設定するスクリプト）の引数として設定するシークレットの引き換え期間は2と比べて短くなっています。
- シークレットの連携（中間者と送金相手）
送金相手は、交換したコミットメントトランザクションをシークレットの引き換え期間内（送金者と中間者）にブロードキャストすることで、チャネルをクローズしコインを入手できる状態です。
しかし、チャネルをクローズせず、オープンした状態を維持することもでき、その場合、シークレットを送金相手から中間者へ明かし、両者が合意したうえで残高を更新したコミットメントトランザクションを作り直す（5でも説明）ことでチャネルの維持が可能です。
中間者はシークレットを受け取ることで、送金者からコインを入手できる状態になります。
- 残高を更新したコミットメントトランザクションの作成、交換（中間者と送金相手）
中間者から送金相手への支払いを確定する意味で、残高を更新したコミットメントトランザクションを作成します。
- シークレットの連携（送金者と中間者）
中間者も送金者と交換したコミットメントトランザクションをブロードキャストすることで、チャネルをクローズしコインを入手できる状態ですが、シークレットを送金者に明かすことで、送金相手にコインを支払ったことの証明ができ、チャネルを維持できます。
- 残高を更新したコミットメントトランザクションの作成、交換（送金者と中間者）
取引内容に応じて残高を更新したコミットメントトランザクションを作成し、交換します。
- まとめ
HTLCを利用した双方向ペイメントチャネルでは、チャネルの状態を変化させることなく、コミットメントトランザクション残高を更新するだけで、中間者を経由する送金が完了します。
チャネル確定済みの相手を経由して支払うことで、デポジットされる資金が少なく済むようになります。
ライトニングネットワーク
次に、名前は聞いたことあるかもしれませんが、ライトニングネットワークについて説明します。
これは、HTLCを利用した双方向ペイメントチャネルの応用例で、ペイメントチャネルを開いている参加者をルーティング（経路制御）することで、ネットワーク上の任意の参加者同士が資金を授受できるようになっています。
ライトニングネットワークは各社が独自に実装を行っていて、各社の仕様の互換性がなく、相互互換するための仕様としてBOLTというものが検討されているらしいです。
Teechan
スケーラビリティを解決する仕組みは他にもあり、それがTeechanで、これは上の2つと似ているんですが、TEEsと呼ばれる実行環境を信頼点として利用しているところが異なっています。
Teechanのメリットとしては、Segwitを利用することなく、現状の仕様で双方向ペイメントチャネルを構築可能であることと、取引の手順がライトニングネットワークに比べてシンプルなことが挙げられます。
シンプルになった理由は、ハードウェアを全面的に信頼し、秘密鍵をハードウェアに預けているからで、その分ハードウェアが壊れたときのダメージは大きいです。
