2018.03.20

RSKとBTCPoolにみるサイドチェーンのマージマイニング

こんにちは。F.S.です。
Bitcoinエコシステムでは近年ライトニングネットワーク、サイドチェーンといった2ndレイヤーが技術が進み、β版ながらメインネットで稼働し始めるものが出てきました。

今回は、2018年1月にクローズドでメインネットが稼働し始めたRSK（Rootstock）サイドチェーンに焦点をあてて、サイドチェーンのマージマイニングという仕組みについて見てみたいと思います。

サイドチェーン

サイドチェーンは、Bitcoinに代表されるようなブロックチェーン（メインチェーン）の機能を拡張するためのチェーンです。
双方向ペグ（2-Way peg, 2WP）により、メインチェーンの通貨をサイドチェーンの通貨と相互に行き来できるようにし、メインチェーンの通貨を用いてサイドチェーン側で高速な取引やスマートコントラクトの実行を実現しようとするものです。

2WPのやり方はいくつか提案があります。サイドチェーンの解説も合わせて下記の記事が参考になります。

RSK（Rootstock）

Bitcoinのサイドチェーンとして、Ethereumと互換性のあるスマートコントラクトの実行環境を提供するものです。RSK Labsにて開発されています。
Bitcoinが取引確認時間は平均10分、秒間トランザクション数は3.3tpsなのに対して、RSKは平均10秒、100tps（ホワイトペーパーでは300tps〜1000tps）とスケーラビリティにおけるメリットもあります。

GitHubにあるソースコードやチュートリアルをのぞいてみると、大まかに下記の特徴があることがわかります。

  • EthereumのJava実装である ethereumj をベースにしたブロックチェーンのため、作法がEthereumとほぼ同じ
  • スマートコントラクトの記述言語にSolidity（solcコンパイラ）が使える
  • 2WPやマージマイニングにおけるハッシュやブロックなど、Bitcoinのプロトコルに依存する部分は bitcoinj を利用

RSKはDECOR+GHOSTプロトコルでブロックタイムが平均10秒となる独自のマイニングを実施しますが、チェーンのセキュリティを強固にするために、RSKブロックハッシュをビットコインネットワークのマイナーにコミット（coinbase commitment）してもらうマージマイニングという手法をとっています。RSKは多くのBitcoinマイナーに支持されていますが、マージマイニングによってRSKサイドチェーンにおける手数料報酬がマイナーにも分配されることが、支持される理由の一つであると思われます。

マージマイニング

マージマイニングはNamecoinでも実施されており目新しい技術というわけではありませんが、RSKとBTCPoolの実装からどのようにマージマイニングが行われるのか理解したいと思います。

RSKマージマイニング（RMM）

RSKではどのようにマージマイニングを行うのかを見てみます。

前提として、Bitcoinのマイニングはマイニングプールを構成して行われるようになっています。
一般的に、プールサーバは実際のBitcoinブロック生成難易度よりもかなり低い難易度でProof of Work（PoW）の解を求める命令をマイナーに出しています。これはマイナーへの報酬分配のためにマイナーに簡単なPoWをさせて、マイナーのマイニング速度を計測する必要があるからです。このPoWの解をShareと言い、Shareを発見した数をもとにマイナーの計算力（貢献度）を割り出します。

ShareのSHA256ダブルハッシュがBitcoinブロック生成難易度を満たしていればプールサーバはBitcoinネットワークにブロックをパブリッシュしますが、満たしていないものはBitcoinには使われません。RSKの難易度は一般的にはBitcoinのそれよりも低く設定されるため、Bitcoinに使われないShareがRSKでは有効な場合があります。このShareを活用することでBitcoinマイナーに余計な負荷をかけずにマージマイニングを実施することができます。


RSK Merge Mining (RMM) and Bitcoin Interoperability より引用

上図のように、プールサーバにRSKマージマイニングのための拡張を機能を持たせ、RSKノード（rskd）と連携することでRSKネットワークにブロックをパブリッシュします。
大まかな流れは下記のようにになるようです。

  1. rskdはRSKのプロトコルに従ったブロックを作成し、メモリに保持する
  2. プールサーバのRSKプラグインは getWork RPC で rskd より上記RSKブロックのハッシュ、難易度等を受け取る
  3. プールサーバはRSKタグと言われる　”RSKBLOCK:”+RSKブロックハッシュ　のバイト列を coinbaseトランザクションに含めた Bitcoinブロックテンプレートを作る
  4. マイナーは上記のBitcoinブロックテンプレートのPoW解を求めてプールサーバへ送る
  5. プールサーバのRSKプラグインはRSK難易度を満たしたBitcoinブロックを submitBitcoinbBock RPC（上図ではsubmitnonce）で rskd に送る
  6. rskdは受け取ったBitcoinブロックからRSKブロックハッシュを取り出し、メモリ上のブロックと適合することをチェックした上で、BitcoinブロックのSPV証明とともにRSKブロックをRSKネットワークにパブリッシュする

RSKのマイニング部分についてソースコードを覗いてみると、マイニングパッケージ（co.rsk.mine）には MinerServer と MinerClient が存在し、それぞれ下記の役割を持っていることがわかります。

  • MinerServer・・・RSKブロック生成およびRMM RPCの実処理を行う
  • MinerClient・・・Bitcoinマイナーの役割を代替するもの（RegTestだけで使う）

RMM設定ガイドにて、RMMのノードとして稼働させる場合の config 例が記載されています。
rpc 設定で mnr モジュールを有効にするのに加え、miner 設定では MinerServer 機能のみを有効にし、MinerClinet 機能は無効にします。

BTCPoolのRMMプラグイン

BTCPoolの実装から、RMMがどのように組み込まれているかを見てみましょう。
下図はBTCPoolのアーキテクチャですが、図中にRMMに該当する記述はありません。


GitHub – btccom/btcpool より引用

上図に従った形で RMM 処理を記述すると、下図のようになります。

なお、前項に引用した図中ではRSKプラグインと表現されていますが、必ずしもプールソフトがプラガブルであるとは限らず、GitHubのコミットログを見るとRSK Labsのエンジニアが作成したソースコードが内包されているのがわかります。実際、getWork RPC を扱う GWMaker 以外（BlockMaker、JobMaker など）ではBitcoin の処理に RMM処理が混じっていました。

終わりに

RSKおよびBTCPoolの実装を見ることで、サイドチェーンのマージマイニングの流れを理解することができました。

ただ、一つ疑問が残っています。
RSKブロックハッシュの coinbase commitment は Bitcoin ブロックチェーンに記録されて初めてセキュリティ効果があるはずですが、RMM の難易度で有効な Bitcion ブロックは Bitcoin でも有効とは限らないため、そのほとんどは Bitcoin ブロックチェーンに記録されないのではないかという疑問です。
実際に稼動できる環境が整ったら、改めて検証してみたいと思います。

それでは、また。

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