ビットコインの​ P2P ネットワーク設計 — ノード発見、​メッセージ中継、​ブロック伝播

はじめに

本ページは設計文書シリーズの L1 #1 — P2P ネットワーク設計 である。ネットワーク層を端から端まで解説する。ノードがどのように互いを発見し、メッセージをどのように交換し、トランザクションとブロックがピアツーピアのゴシップネットワークをどのように伝播するかを扱う。

ネットワーク層は合意形成層、トランザクション層、ブロック層の下に位置する。他のすべてが動作するためのトランスポートを提供する。信頼できるピアツーピア通信がなければ、合意形成設計、トランザクション設計、ブロック・チェーン設計の各ページに記述される決定論的検証規則は、処理すべきデータを持たないことになる。

サトシ時代の実装（v0.1、2009 年 1 月）と現行の Bitcoin Core（v27 以降基準）で挙動が異なる場合は、両方を記す。

1. ネットワークトポロジー

ビットコインは非構造的ゴシップネットワークを用いる。ノードは TCP 接続のランダムなメッシュを形成し、データをピアに中継し、ピアはさらにそのピアに中継する。中央サーバー、ルーティングテーブル、分散ハッシュテーブル (DHT)、ノード間の階層構造は存在しない。すべてのフルノードは等しく権威を持つ。

ゴシップであり構造化ルーティングでない理由。 DHT や階層的トポロジーはメッセージの冗長性を減らすが、単一障害点も生み出し、ネットワークの分断が容易になる。ビットコインのフラットなゴシップモデルは、攻撃者がノードの見る情報を制御するにはそのピアの大部分を侵害しなければならないことを保証する。これが日食攻撃耐性の基盤である。

2. ノード発見

ネットワークに新規参加するノードはブートストラップ問題に直面する。最低 1 つの既存ピアを見つける必要があるが、ネットワークの構成員に関する事前知識を持たない。

発見メカニズム

ブートストラップ手順（v27 以降基準）

サトシ時代と v27 以降基準の比較。 元の v0.1 クライアントは主要な発見メカニズムとして IRC に依存していた。これは単純だが、IRC サーバーのダウンタイムやチャネル追放に脆弱な中央集権的アプローチであった。現行の Bitcoin Core は独立したコミュニティメンバーが運営する DNS シードで IRC を置き換えている。DNS シード運営者はネットワークを継続的に探索するクローラーソフトウェアを動作させており、DNS レコードには現在到達可能で互換性のあるプロトコルバージョンを実行しているノードのみが反映される。

3. 接続管理

各ノードは 2 種類の TCP 接続を維持する。ノードが開始する出方向接続と、他のノードがノードに対して開始する入方向接続である。

出方向と入方向: 設計による非対称性。 ノードは自身の出方向接続を入方向接続よりも信頼する。出方向ピアは自分自身が選んだものだからである。ノードを孤立させたい攻撃者（日食攻撃）が取れる道は二つしかない。すべての出方向ピアを制御するか、攻撃者制御の入方向接続でノードを溢れさせるかである。前者を果たすには、ノードのアドレス選択を予測または操作できなければならない。出方向数の少なさ（合計 10）と独立したアドレス選択アルゴリズムが、これを困難にしている。後者は入方向の退去ロジックによって維持コストがかさむ。

退去

ノードの入方向スロットが満杯の状態で新しい入方向接続が到着すると、ノードは既存ピアの 1 つを切断するかどうかを決定する退去アルゴリズムを実行する。このアルゴリズムは望ましい特性を持つピアを保護する:

• 低レイテンシ（最近有用なデータを送信した）
• 長い接続期間
• ネットワークグループの多様性（異なる /16 サブネット、異なる自律システム）
• 最近有効なブロックまたはトランザクションを中継した

この多様性保持型退去は、攻撃者がノードの入方向スロットを独占するコストを高くする。攻撃者の接続は、保護されるすべての次元で正直なピアに同時に勝つことが難しいためである。

4. メッセージプロトコル

ピア間のすべての通信はバイナリメッセージプロトコルを使用する。すべてのメッセージは 24 バイトのヘッダー（4 バイトのネットワークマジック + 12 バイトのコマンド名 + 4 バイトのペイロード長 + 4 バイトのチェックサム）に続くペイロードで構成される。

バージョンハンドシェイクとブロック中継

主要メッセージ型

サトシ時代と v27 以降基準の比較。 v0.1 プロトコルは 12 種のメッセージ型を定義し、完全ブロックをすべてのピアに中継していた。現行の Bitcoin Core（v27 以降基準）は 27 種以上のメッセージ型に対応し、既定の中継方式としてコンパクトブロック (BIP 152) を使用する。メモリープールが重複する接続良好なノードでは、ブロック中継の帯域幅を約 90% 削減する。

5. トランザクション中継

ノードがトランザクションをメモリープールに受理すると、ゴシップネットワークを通じてそのトランザクションをピアに告知する。

中継プロセスは告知後要求パターンに従う:

1. 告知。 ノードがトランザクションのハッシュを含む inv メッセージを各ピアに送信する。
2. 要求。 このハッシュを見たことがないピアが getdata で応答する。
3. 配信。 告知側のノードが完全な tx メッセージを送信する。
4. 検証と伝播。 受信側のピアがトランザクションを独立して検証する。有効であれば自身のメモリープールに受理し、そのピアに対して告知サイクルを繰り返す。

プライバシー保護型中継。 ネットワーク観察者がトランザクションを発信元ノードまで追跡するのを防ぐため、Bitcoin Core は各ピアへのトランザクション告知前にランダムな遅延を追加する（ポアソン分布タイマー）。各ピアはわずかに異なる時点で、場合によっては異なる先行中継者集合から告知を受け取るため、発信元の推定が困難になる。

手数料フィルター。 feefilter メッセージ (BIP 133) により、ノードは自身の最低許容手数料率をピアに通知できる。ピアはその閾値を下回るトランザクションの告知を省略し、受信側ノードがどのみち拒否するトランザクションに帯域幅を浪費しなくなる。

孤児トランザクション。 親トランザクションが不明な入力を参照するトランザクションは孤児と呼ばれる。ノードは孤児を限定的なキャッシュに保持する。親トランザクションが後から到着すれば、孤児は再評価される。キャッシュが満杯になると、最も古い孤児が退去される。このメカニズムは順序外で到着するトランザクションに対応しつつ、無効な孤児の大量送信によるメモリー枯渇を防止する。

6. ブロック伝播

ブロック伝播はネットワーク内で最もレイテンシに敏感な操作である。伝播が遅いと失効ブロック率が上昇し、接続状態の良いマイナーに有利になり、マイニング競争の公平性を損なう。

伝播モード

コンパクトブロックが約 90% 節約を達成する仕組み。 2 つのピアのメモリープールが類似している場合（接続良好なノードでは一般的）、受信側はブロック内のトランザクションの大半を既に持っている。cmpctblock メッセージはブロックヘッダーと各トランザクションの 6 バイト短縮 ID のみを送信する。受信側はこれらの ID をメモリープールと照合し、ローカルでブロックを再構築し、不足しているわずかなトランザクションのみを要求する。2,000 件のトランザクションを含むブロックの場合、cmpctblock メッセージは 1〜2 MB ではなく約 20 kB となる。

高帯域幅モードと低帯域幅モード (BIP 152)。 コンパクトブロックは 2 つのモードで動作する。高帯域幅モードでは、送信側ピアは検証完了と同時に cmpctblock をプッシュする。受信側が inv/getdata で要求するのを待たない。ノードは通常 3 つのピアを高帯域幅モードに指定し、新規ブロックの中継レイテンシを最小化する。低帯域幅モードでは、まず inv を送る標準的な告知後要求パターンを使用し、残りのピアとの間でレイテンシを帯域幅節約と引き換えにする。

7. トランスポート層: 平文と暗号化

サトシ時代の設計では、すべてのピアツーピア通信が平文で送信されていた。ISP、国家レベルの敵対者、ローカルネットワーク上の中間者など、あらゆるネットワーク観察者がすべてのメッセージを読み取り、ノードが中継しているトランザクションを特定し、ネットワークトポロジーをマッピングし、メッセージを選択的に遮断または遅延させることができた。

BIP 324 v2 トランスポート（v26.0 以降で対応、v27 以降で既定有効）は、双方がこれに対応するピア間で日和見的な暗号化トランスポート層を導入する。

暗号化トランスポートが重要な理由。 平文通信は、ビットコインの設計が意図していない 3 つの能力をネットワーク層の敵対者に与える: (1) 監視。 ISP がノードの中継するトランザクションを記録し、IP アドレスと関連付けられる。 (2) 標的型検閲。 国家がプロトコルの特徴的なヘッダーをパターン照合してビットコイン通信を特定し遮断できる。 (3) 中間者操作。 中間者がブロックやトランザクションを選択的に遅延させ、特定のマイナーを有利にしたり特定のノードを分断したりできる。暗号化トランスポートはこれらの脅威をすべて排除するわけではない（持続的な敵対者は依然として接続パターンを観察できる）が、そのコストを大幅に引き上げる。

8. 二時代比較

9. 本ページの範囲

本ページはネットワーク層を独立して扱う。以下のトピックは本ページの範囲外であり、設計文書シリーズ内のそれぞれのドメインページで扱う:

• トランザクション検証と UTXO モデル: トランザクションがメモリープールに入る前に何がそれを有効にするか。トランザクション設計ページで扱う。
• ブロック検証と合意規則: ネットワークから受信したすべてのブロックにノードが適用する決定論的検査。合意形成設計ページで扱う。
• ブロック構造とマークルツリー: トランザクションがブロックヘッダー内でどのようにコミットされるか。ブロック・チェーン設計ページで扱う。
• マイニングとプルーフ・オブ・ワーク: ブロックテンプレート構築、ハッシュパズル、プールプロトコル。
• 日食攻撃とシビル攻撃の経済学: ネットワーク層攻撃の完全な脅威モデル。L2 セキュリティモデル深掘りに委ねる。
• メモリープールポリシーの詳細: パッケージ中継、手数料引上げによる置換の仕組み、手数料率バケット推定。