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福岡でCloudとかBlockchainとか。

version 0 のwitness programで導入される新しい署名検証の仕組み(BIP-143)

Segwitのデプロイも近づいてきたので、version 0のwitness programにおける署名の検証のための新しいトランザクションのダイジェストアルゴリズムについて定義するBIP-143について調べてみる。

bips/bip-0143.mediawiki at master · bitcoin/bips · GitHub

動機

もともとBitcoinスクリプトシステムには、CHECKSIG、CHECKSIGVERIFY、CHECKMULTISIG、CHECKMULTISIGVERIFYという4つのECDSA署名検証のための命令コードが存在する。sighashタイプ(ALL, NONE, SINGLE, ANYONECANPAY)に応じて、トランザクションの一部をシリアライズしダブルSHA256ハッシュしてトランザクションダイジェストが生成され、このダイジェストに対して署名が検証される。詳細な手順についてはBitcoin Wikiを参照。

残念ながら元のSignatureHashトランザクションダイジェストアルゴリズムには少なくとも以下の2つの弱点がある。

  • 各署名の検証のためのデータハッシュのサイズはトランザクションサイズに比例する。そのためトランザクション内のsigopsの数が増加するとデータのハッシングはO(n2)で増加する。2015年の一般的なコンピュータで1MBのブロックの検証をするのに2秒かかるが、1MBのトランザクションに5569のsigopsがあると検証に25秒かかると思われる。これは再利用可能な”midstate”を導入してダイジェストアルゴリズムを最適化することで、時間はO(n)にできる。
  • このアルゴリズムは入力で使われているBitcoinの量をみていない(入力には参照先のUTXOのtxidとインデックスが記載されているだけで、UTXOの量が記載されているわけではないため)。オンラインのネットワークノードにとっては入力は重要ではなく、指定したトランザクションの出力の値を要求するため、このことは問題にならない。しかしコールドウォレットのようなオフラインのトランザクション署名デバイス*1にとっては、入力の量が分からないということは正確な出力の量と手数料を計算することができないということになる。この問題に対処するには、コールドウォレットが入力が参照するUTXOのフルトランザクションを取得する必要があるが、軽量ウォレットの実装においては大きな障害となる。トランザクションダイジェストの一部に入力の値を含めることで、コールドウォレットでも安全に署名ができる。誤った値が提供され署名したとしても、署名は無効で資金が失われることも無い。

元のスクリプトシステムに↑の修正をデプロイするのは簡単な作業ではない。ハードフォークをするか、スタックアイテムの追加・削除することのない新しいsigops導入のソフトフォークが必要になる。しかし、segwitの導入により元のスクリプトシステムを壊すこと無く、異なるスクリプトセマンティックを定義することができる。

仕様

新しいトランザクションダイジェストアルゴリズムが定義されるが、これはversion 0のwitness programのみに適用される。

 Double SHA256 of the serialization of:
     1. nVersion of the transaction (4-byte little endian)
     2. hashPrevouts (32-byte hash)
     3. hashSequence (32-byte hash)
     4. outpoint (32-byte hash + 4-byte little endian) 
     5. scriptCode of the input (serialized as scripts inside CTxOuts)
     6. value of the output spent by this input (8-byte little endian)
     7. nSequence of the input (4-byte little endian)
     8. hashOutputs (32-byte hash)
     9. nLocktime of the transaction (4-byte little endian)
    10. sighash type of the signature (4-byte little endian)

元のsighashタイプのセマンティックと変わるのは以下の部分。

  1. リアライゼーションの方法が変わる。
  2. 全てのsighashタイプは署名された入力で使用されるBitcoinの量にコミットする。
  3. 署名のFindAndDeletescriptCodeには適用されない。
  4. 最後のOP_CODESEPARATOR実行後のOP_CODESEPARATOR(s)はscriptCodeから削除されない。
  5. (sighashタイプ)SINGLE*2は入力のインデックスにコミットしない。ANYONECANPAYがセットされていない時は、セマンティックに変更はなくhashSequenceoutpointは暗黙的に入力のインデックスにコミットする。SINGLEANYONECANPAYとセットで使われた時は、インデックスコミットメントの省略により入力と出力のペアのインデックスの順序が変わらない限り、入力と出力ペアの並べ替えは許可される。

1, 4, 7, 9, 10の項目は元のアルゴリズムと同じ。

項目5について、

  • P2WPKH witness programの場合、scriptCodeは0x1976a914{20-byte-pubkey-hash}88ac
  • P2WSH witness programの場合
    • witnessScriptOP_CODESEPARATORが含まれていない場合は、scriptCodeは、CTxOuts内のスクリプトとしてシリアライズされたwitnessScriptとなる。
    • witnessScriptOP_CODESEPARATORが含まれている場合は、署名検証opcodeが実行される前に最後に実行されたOP_CODESEPARATORまでを全て削除したwitness scriptになる。

項目6は入力で使用するBitcoinの量で8byteで記載される。

hashPrevouts

  • ANYONECANPAYフラグがセットされていない場合、hashPrevoutsは全ての入力のoutpointsをシリアライズしSHA256ダブルハッシュした値になる。
  • ANYONECANPAYがセットされている場合は、hashPrevouts0x0000……0000uint256となる。

hashSequence

  • sighashタイプのANYONECANPAY, SINGLE, NONEのいずれもセットされていない場合、全ての入力のnSequenceをシリアライズしてSHA256ダブルハッシュした値になる。
  • それ以外の場合、hashSequence0x0000……0000uint256となる。

hashOutputs

  • sighashタイプがSINGLEでもNONEでもない場合は、hashOutputsは(CTxOuts内のスクリプトとしてシリアライズされた)scriptPubKeyを持つ全ての出力の(8byteのリトルエンディンの)量をシリアライズしSHA256ダブルハッシュした値になる。
  • sighashタイプがSINGLEで入力のインデックスが出力の数より少ない場合は、hashOutputsはscriptPubKeyを持ち入力と同じインデックスを持つ出力の量をシリアライズしSHA256ダブルハッシュした値になる。
  • それ以外の場合、hashOutputs0x0000……0000uint256となる。

以前の検証でされたhashPrevoutshashSequencehashOutputsは、同じトランザクションの他の入力で再利用できるため、全体のpハッシュ処理の計算量はO(n2)からO(n)まで減る。

正確なアルゴリズムを確認するため以下の参照実装を参照。

uint256 hashPrevouts;
uint256 hashSequence;
uint256 hashOutputs;

if (!(nHashType & SIGHASH_ANYONECANPAY)) {
    CHashWriter ss(SER_GETHASH, 0);
    for (unsigned int n = 0; n < txTo.vin.size(); n++) {
        ss << txTo.vin[n].prevout;
    }
    hashPrevouts = ss.GetHash();
}

if (!(nHashType & SIGHASH_ANYONECANPAY) && (nHashType & 0x1f) != SIGHASH_SINGLE && (nHashType & 0x1f) != SIGHASH_NONE) {
    CHashWriter ss(SER_GETHASH, 0);
    for (unsigned int n = 0; n < txTo.vin.size(); n++) {
        ss << txTo.vin[n].nSequence;
    }
    hashSequence = ss.GetHash();
}

if ((nHashType & 0x1f) != SIGHASH_SINGLE && (nHashType & 0x1f) != SIGHASH_NONE) {
    CHashWriter ss(SER_GETHASH, 0);
    for (unsigned int n = 0; n < txTo.vout.size(); n++) {
        ss << txTo.vout[n];
    }
    hashOutputs = ss.GetHash();
} else if ((nHashType & 0x1f) == SIGHASH_SINGLE && nIn < txTo.vout.size()) {
    CHashWriter ss(SER_GETHASH, 0);
    ss << txTo.vout[nIn];
    hashOutputs = ss.GetHash();
}

CHashWriter ss(SER_GETHASH, 0);
// Version
ss << txTo.nVersion;
// Input prevouts/nSequence (none/all, depending on flags)
ss << hashPrevouts;
ss << hashSequence;
// The input being signed (replacing the scriptSig with scriptCode + amount)
// The prevout may already be contained in hashPrevout, and the nSequence
// may already be contain in hashSequence.
ss << txTo.vin[nIn].prevout;
ss << static_cast<const CScriptBase&>(scriptCode);
ss << amount;
ss << txTo.vin[nIn].nSequence;
// Outputs (none/one/all, depending on flags)
ss << hashOutputs;
// Locktime
ss << txTo.nLockTime;
// Sighash type
ss << nHashType;

return ss.GetHash();

公開鍵の種類の制限

デフォルトのポリシーとして、P2WPKHP2WSHでは圧縮された公開鍵のみが使用できる。version 0のwitness program内のsigopに渡される各公開鍵は圧縮された鍵でなければならない。そのため最初のバイトは0x020x03で、サイズは33バイトとなる。このルールを破るトランザクションはデフォルトではリレーされずマイニングもされない。

このポリシーは、将来のソフトフォークのための準備であるため、将来のソフトフォークによる資金消失を避けるためにもユーザはversion 0のwitness programで非圧縮鍵を使用してはいけない。

ネイティブP2WPKH

以下が未署名のrawトランザクション:
  0100000002fff7f7881a8099afa6940d42d1e7f6362bec38171ea3edf433541db4e4ad969f0000000000eeffffffef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a0100000000ffffffff02202cb206000000001976a9148280b37df378db99f66f85c95a783a76ac7a6d5988ac9093510d000000001976a9143bde42dbee7e4dbe6a21b2d50ce2f0167faa815988ac11000000
  
  nVersion:  01000000
  txin:      02 fff7f7881a8099afa6940d42d1e7f6362bec38171ea3edf433541db4e4ad969f 00000000 00 eeffffff
                ef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a 01000000 00 ffffffff
  txout:     02 202cb20600000000 1976a9148280b37df378db99f66f85c95a783a76ac7a6d5988ac
                9093510d00000000 1976a9143bde42dbee7e4dbe6a21b2d50ce2f0167faa815988ac
  nLockTime: 11000000

最初の入力は通常のP2PKH:
  scriptPubKey : 2103c9f4836b9a4f77fc0d81f7bcb01b7f1b35916864b9476c241ce9fc198bd25432ac value: 6.25
  private key  : bbc27228ddcb9209d7fd6f36b02f7dfa6252af40bb2f1cbc7a557da8027ff866
  
2番目の入力はP2WPKHのwitness program:
  scriptPubKey : 00141d0f172a0ecb48aee1be1f2687d2963ae33f71a1, value: 6
  private key  : 619c335025c7f4012e556c2a58b2506e30b8511b53ade95ea316fd8c3286feb9
  public key   : 025476c2e83188368da1ff3e292e7acafcdb3566bb0ad253f62fc70f07aeee6357
  
これにSIGHASH_ALLで署名する:

hashPrevouts:
  dSHA256(fff7f7881a8099afa6940d42d1e7f6362bec38171ea3edf433541db4e4ad969f00000000ef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a01000000)
= 96b827c8483d4e9b96712b6713a7b68d6e8003a781feba36c31143470b4efd37

hashSequence:
  dSHA256(eeffffffffffffff)
= 52b0a642eea2fb7ae638c36f6252b6750293dbe574a806984b8e4d8548339a3b

hashOutputs:
  dSHA256(202cb206000000001976a9148280b37df378db99f66f85c95a783a76ac7a6d5988ac9093510d000000001976a9143bde42dbee7e4dbe6a21b2d50ce2f0167faa815988ac)
= 863ef3e1a92afbfdb97f31ad0fc7683ee943e9abcf2501590ff8f6551f47e5e5

hash preimage: 0100000096b827c8483d4e9b96712b6713a7b68d6e8003a781feba36c31143470b4efd3752b0a642eea2fb7ae638c36f6252b6750293dbe574a806984b8e4d8548339a3bef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a010000001976a9141d0f172a0ecb48aee1be1f2687d2963ae33f71a188ac0046c32300000000ffffffff863ef3e1a92afbfdb97f31ad0fc7683ee943e9abcf2501590ff8f6551f47e5e51100000001000000

  nVersion:     01000000
  hashPrevouts: 96b827c8483d4e9b96712b6713a7b68d6e8003a781feba36c31143470b4efd37
  hashSequence: 52b0a642eea2fb7ae638c36f6252b6750293dbe574a806984b8e4d8548339a3b
  outpoint:     ef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a01000000
  scriptCode:   1976a9141d0f172a0ecb48aee1be1f2687d2963ae33f71a188ac
  amount:       0046c32300000000
  nSequence:    ffffffff
  hashOutputs:  863ef3e1a92afbfdb97f31ad0fc7683ee943e9abcf2501590ff8f6551f47e5e5
  nLockTime:    11000000
  nHashType:    01000000
  
sigHash:      c37af31116d1b27caf68aae9e3ac82f1477929014d5b917657d0eb49478cb670
signature:    304402203609e17b84f6a7d30c80bfa610b5b4542f32a8a0d5447a12fb1366d7f01cc44a0220573a954c4518331561406f90300e8f3358f51928d43c212a8caed02de67eebee
  
署名済みのトランザクションをシリアライズすると: 01000000000102fff7f7881a8099afa6940d42d1e7f6362bec38171ea3edf433541db4e4ad969f00000000494830450221008b9d1dc26ba6a9cb62127b02742fa9d754cd3bebf337f7a55d114c8e5cdd30be022040529b194ba3f9281a99f2b1c0a19c0489bc22ede944ccf4ecbab4cc618ef3ed01eeffffffef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a0100000000ffffffff02202cb206000000001976a9148280b37df378db99f66f85c95a783a76ac7a6d5988ac9093510d000000001976a9143bde42dbee7e4dbe6a21b2d50ce2f0167faa815988ac000247304402203609e17b84f6a7d30c80bfa610b5b4542f32a8a0d5447a12fb1366d7f01cc44a0220573a954c4518331561406f90300e8f3358f51928d43c212a8caed02de67eebee0121025476c2e83188368da1ff3e292e7acafcdb3566bb0ad253f62fc70f07aeee635711000000

  nVersion:  01000000
  marker:    00
  flag:      01
  txin:      02 fff7f7881a8099afa6940d42d1e7f6362bec38171ea3edf433541db4e4ad969f 00000000 494830450221008b9d1dc26ba6a9cb62127b02742fa9d754cd3bebf337f7a55d114c8e5cdd30be022040529b194ba3f9281a99f2b1c0a19c0489bc22ede944ccf4ecbab4cc618ef3ed01 eeffffff
                ef51e1b804cc89d182d279655c3aa89e815b1b309fe287d9b2b55d57b90ec68a 01000000 00 ffffffff
  txout:     02 202cb20600000000 1976a9148280b37df378db99f66f85c95a783a76ac7a6d5988ac
                9093510d00000000 1976a9143bde42dbee7e4dbe6a21b2d50ce2f0167faa815988ac
  witness    00
             02 47304402203609e17b84f6a7d30c80bfa610b5b4542f32a8a0d5447a12fb1366d7f01cc44a0220573a954c4518331561406f90300e8f3358f51928d43c212a8caed02de67eebee01 21025476c2e83188368da1ff3e292e7acafcdb3566bb0ad253f62fc70f07aeee6357
  nLockTime: 11000000

P2SHでネストしたP2WPKH

以下が未署名のrawトランザクション: 0100000001db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a54770100000000feffffff02b8b4eb0b000000001976a914a457b684d7f0d539a46a45bbc043f35b59d0d96388ac0008af2f000000001976a914fd270b1ee6abcaea97fea7ad0402e8bd8ad6d77c88ac92040000

  nVersion:  01000000
  txin:      01 db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a5477 01000000 00 feffffff
  txout:     02 b8b4eb0b00000000 1976a914a457b684d7f0d539a46a45bbc043f35b59d0d96388ac
                0008af2f00000000 1976a914fd270b1ee6abcaea97fea7ad0402e8bd8ad6d77c88ac
  nLockTime: 92040000

入力はP2SHでネストしたP2WPKH のwitness program:
  scriptPubKey : a9144733f37cf4db86fbc2efed2500b4f4e49f31202387, value: 10
  redeemScript : 001479091972186c449eb1ded22b78e40d009bdf0089
  private key  : eb696a065ef48a2192da5b28b694f87544b30fae8327c4510137a922f32c6dcf
  public key   : 03ad1d8e89212f0b92c74d23bb710c00662ad1470198ac48c43f7d6f93a2a26873

これにSIGHASH_ALLで署名する:

hashPrevouts:
  dSHA256(db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a547701000000)
= b0287b4a252ac05af83d2dcef00ba313af78a3e9c329afa216eb3aa2a7b4613a

hashSequence:
  dSHA256(feffffff)
= 18606b350cd8bf565266bc352f0caddcf01e8fa789dd8a15386327cf8cabe198

hashOutputs:
  dSHA256(b8b4eb0b000000001976a914a457b684d7f0d539a46a45bbc043f35b59d0d96388ac0008af2f000000001976a914fd270b1ee6abcaea97fea7ad0402e8bd8ad6d77c88ac)
= de984f44532e2173ca0d64314fcefe6d30da6f8cf27bafa706da61df8a226c83

hash preimage: 01000000b0287b4a252ac05af83d2dcef00ba313af78a3e9c329afa216eb3aa2a7b4613a18606b350cd8bf565266bc352f0caddcf01e8fa789dd8a15386327cf8cabe198db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a5477010000001976a91479091972186c449eb1ded22b78e40d009bdf008988ac00ca9a3b00000000feffffffde984f44532e2173ca0d64314fcefe6d30da6f8cf27bafa706da61df8a226c839204000001000000

  nVersion:     01000000
  hashPrevouts: b0287b4a252ac05af83d2dcef00ba313af78a3e9c329afa216eb3aa2a7b4613a
  hashSequence: 18606b350cd8bf565266bc352f0caddcf01e8fa789dd8a15386327cf8cabe198
  outpoint:     db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a547701000000
  scriptCode:   1976a91479091972186c449eb1ded22b78e40d009bdf008988ac
  amount:       00ca9a3b00000000
  nSequence:    feffffff
  hashOutputs:  de984f44532e2173ca0d64314fcefe6d30da6f8cf27bafa706da61df8a226c83
  nLockTime:    92040000
  nHashType:    01000000

sigHash:      64f3b0f4dd2bb3aa1ce8566d220cc74dda9df97d8490cc81d89d735c92e59fb6
signature:    3044022047ac8e878352d3ebbde1c94ce3a10d057c24175747116f8288e5d794d12d482f0220217f36a485cae903c713331d877c1f64677e3622ad4010726870540656fe9dcb01

署名済みのトランザクションをシリアライズすると: 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
  nVersion:  01000000
  marker:    00
  flag:      01
  txin:      01 db6b1b20aa0fd7b23880be2ecbd4a98130974cf4748fb66092ac4d3ceb1a5477 01000000 1716001479091972186c449eb1ded22b78e40d009bdf0089 feffffff
  txout:     02 b8b4eb0b00000000 1976a914a457b684d7f0d539a46a45bbc043f35b59d0d96388ac
                0008af2f00000000 1976a914fd270b1ee6abcaea97fea7ad0402e8bd8ad6d77c88ac
  witness    02 473044022047ac8e878352d3ebbde1c94ce3a10d057c24175747116f8288e5d794d12d482f0220217f36a485cae903c713331d877c1f64677e3622ad4010726870540656fe9dcb01 2103ad1d8e89212f0b92c74d23bb710c00662ad1470198ac48c43f7d6f93a2a26873
  nLockTime: 92040000

ネイティブP2WSH

以下の例ではOP_CODESEPARATORと範囲外のSIGHASH_SINGLEがどのように処理されるか示している。

以下が未署名のrawトランザクション:
  0100000002fe3dc9208094f3ffd12645477b3dc56f60ec4fa8e6f5d67c565d1c6b9216b36e0000000000ffffffff0815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f80000000000ffffffff0100f2052a010000001976a914a30741f8145e5acadf23f751864167f32e0963f788ac00000000

  nVersion:  01000000
  txin:      02 fe3dc9208094f3ffd12645477b3dc56f60ec4fa8e6f5d67c565d1c6b9216b36e 00000000 00 ffffffff
                0815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f8 00000000 00 ffffffff
  txout:     01 00f2052a01000000 1976a914a30741f8145e5acadf23f751864167f32e0963f788ac
  nLockTime: 00000000

最初の入力は通常のP2PKH:
  scriptPubKey: 21036d5c20fa14fb2f635474c1dc4ef5909d4568e5569b79fc94d3448486e14685f8ac value: 1.5625
  private key:  b8f28a772fccbf9b4f58a4f027e07dc2e35e7cd80529975e292ea34f84c4580c
  signature:    304402200af4e47c9b9629dbecc21f73af989bdaa911f7e6f6c2e9394588a3aa68f81e9902204f3fcf6ade7e5abb1295b6774c8e0abd94ae62217367096bc02ee5e435b67da201 (SIGHASH_ALL)

2番目の入力はP2WSHのwitness program:
  scriptPubKey : 00205d1b56b63d714eebe542309525f484b7e9d6f686b3781b6f61ef925d66d6f6a0, value: 49
  witnessScript: 21026dccc749adc2a9d0d89497ac511f760f45c47dc5ed9cf352a58ac706453880aeadab210255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465ac
                 <026dccc749adc2a9d0d89497ac511f760f45c47dc5ed9cf352a58ac706453880ae> CHECKSIGVERIFY CODESEPERATOR <0255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465> CHECKSIG

これにSIGHASH_SINGLEで署名する:

hashPrevouts:
  dSHA256(fe3dc9208094f3ffd12645477b3dc56f60ec4fa8e6f5d67c565d1c6b9216b36e000000000815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f800000000)
= ef546acf4a020de3898d1b8956176bb507e6211b5ed3619cd08b6ea7e2a09d41

  nVersion:     01000000
  hashPrevouts: ef546acf4a020de3898d1b8956176bb507e6211b5ed3619cd08b6ea7e2a09d41
  hashSequence: 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
  outpoint:     0815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f800000000
  scriptCode:   (see below)
  amount:       0011102401000000
  nSequence:    ffffffff
  hashOutputs:  0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 (this is the second input but there is only one output)
  nLockTime:    00000000
  nHashType:    03000000

scriptCode:  4721026dccc749adc2a9d0d89497ac511f760f45c47dc5ed9cf352a58ac706453880aeadab210255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465ac
                                                                                     ^^
             (please note that the not-yet-exectued OP_CODESEPARATOR is not removed from the scriptCode)
preimage:    01000000ef546acf4a020de3898d1b8956176bb507e6211b5ed3619cd08b6ea7e2a09d4100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f8000000004721026dccc749adc2a9d0d89497ac511f760f45c47dc5ed9cf352a58ac706453880aeadab210255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465ac0011102401000000ffffffff00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003000000
sigHash:     82dde6e4f1e94d02c2b7ad03d2115d691f48d064e9d52f58194a6637e4194391
public key:  026dccc749adc2a9d0d89497ac511f760f45c47dc5ed9cf352a58ac706453880ae
private key: 8e02b539b1500aa7c81cf3fed177448a546f19d2be416c0c61ff28e577d8d0cd
signature:   3044022027dc95ad6b740fe5129e7e62a75dd00f291a2aeb1200b84b09d9e3789406b6c002201a9ecd315dd6a0e632ab20bbb98948bc0c6fb204f2c286963bb48517a7058e2703

scriptCode:  23210255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465ac
             (everything up to the last executed OP_CODESEPARATOR, including that OP_CODESEPARATOR, are removed)
preimage:    01000000ef546acf4a020de3898d1b8956176bb507e6211b5ed3619cd08b6ea7e2a09d4100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000815cf020f013ed6cf91d29f4202e8a58726b1ac6c79da47c23d1bee0a6925f80000000023210255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465ac0011102401000000ffffffff00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003000000
sigHash:     fef7bd749cce710c5c052bd796df1af0d935e59cea63736268bcbe2d2134fc47
public key:  0255a9626aebf5e29c0e6538428ba0d1dcf6ca98ffdf086aa8ced5e0d0215ea465
private key: 86bf2ed75935a0cbef03b89d72034bb4c189d381037a5ac121a70016db8896ec
signature:   304402200de66acf4527789bfda55fc5459e214fa6083f936b430a762c629656216805ac0220396f550692cd347171cbc1ef1f51e15282e837bb2b30860dc77c8f78bc8501e503

署名済みのトランザクションをシリアライズすると: 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

以下の例では未実行のOP_CODESEPARATORがどのように処理されるか、またSINGLE|ANYONECANPAYが入力のインデックスにコミットしないことを示す。

以下が未署名のrawトランザクション:
  0100000002e9b542c5176808107ff1df906f46bb1f2583b16112b95ee5380665ba7fcfc0010000000000ffffffff80e68831516392fcd100d186b3c2c7b95c80b53c77e77c35ba03a66b429a2a1b0000000000ffffffff0280969800000000001976a914de4b231626ef508c9a74a8517e6783c0546d6b2888ac80969800000000001976a9146648a8cd4531e1ec47f35916de8e259237294d1e88ac00000000

  nVersion:  01000000
  txin:      02 e9b542c5176808107ff1df906f46bb1f2583b16112b95ee5380665ba7fcfc001 00000000 00 ffffffff
                80e68831516392fcd100d186b3c2c7b95c80b53c77e77c35ba03a66b429a2a1b 00000000 00 ffffffff
  txout:     02 8096980000000000 1976a914de4b231626ef508c9a74a8517e6783c0546d6b2888ac
                8096980000000000 1976a9146648a8cd4531e1ec47f35916de8e259237294d1e88ac
  nLockTime: 00000000

最初の入力はP2WSHのwitness program:
  scriptPubKey: 0020ba468eea561b26301e4cf69fa34bde4ad60c81e70f059f045ca9a79931004a4d value: 0.16777215
  witnessScript:0063ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
                0 IF CODESEPERATOR ENDIF <0392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98> CHECKSIG

2番目の入力もP2WSHのwitness program:
  scriptPubKey: 0020d9bbfbe56af7c4b7f960a70d7ea107156913d9e5a26b0a71429df5e097ca6537 value: 0.16777215
  witnessScript:5163ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
                1 IF CODESEPERATOR ENDIF <0392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98> CHECKSIG

これにSIGHASH_SINGLE|ANYONECANPAYで署名する:

  nVersion:     01000000
  hashPrevouts: 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
  hashSequence: 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
  outpoint:     (see below)
  scriptCode:   (see below)
  amount:       ffffff0000000000
  nSequence:    ffffffff
  hashOutputs:  (see below)
  nLockTime:    00000000
  nHashType:    83000000

outpoint:    e9b542c5176808107ff1df906f46bb1f2583b16112b95ee5380665ba7fcfc00100000000
scriptCode:  270063ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
             (since the OP_CODESEPARATOR is not executed, nothing is removed from the scriptCode)
hashOutputs: b258eaf08c39fbe9fbac97c15c7e7adeb8df142b0df6f83e017f349c2b6fe3d2
preimage:    0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000e9b542c5176808107ff1df906f46bb1f2583b16112b95ee5380665ba7fcfc00100000000270063ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98acffffff0000000000ffffffffb258eaf08c39fbe9fbac97c15c7e7adeb8df142b0df6f83e017f349c2b6fe3d20000000083000000
sigHash:     e9071e75e25b8a1e298a72f0d2e9f4f95a0f5cdf86a533cda597eb402ed13b3a
public key:  0392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98
private key: f52b3484edd96598e02a9c89c4492e9c1e2031f471c49fd721fe68b3ce37780d
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             (everything up to the last executed OP_CODESEPARATOR, including that OP_CODESEPARATOR, are removed)
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署名済みのトランザクションをシリアライズすると:
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  txout:     02 8096980000000000 1976a914de4b231626ef508c9a74a8517e6783c0546d6b2888ac
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  witness    02 483045022100f6a10b8604e6dc910194b79ccfc93e1bc0ec7c03453caaa8987f7d6c3413566002206216229ede9b4d6ec2d325be245c5b508ff0339bf1794078e20bfe0babc7ffe683 270063ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
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  nLockTime: 00000000

Since SINGLE|ANYONECANPAY does not commit to the input index, the signatures are still valid when the the input-output pairs are swapped:
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  marker:    00
  flag:      01
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                e9b542c5176808107ff1df906f46bb1f2583b16112b95ee5380665ba7fcfc001 00000000 00 ffffffff
  txout:     02 8096980000000000 1976a9146648a8cd4531e1ec47f35916de8e259237294d1e88ac
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  witness    02 4730440220032521802a76ad7bf74d0e2c218b72cf0cbc867066e2e53db905ba37f130397e02207709e2188ed7f08f4c952d9d13986da504502b8c3be59617e043552f506c46ff83 275163ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
             02 483045022100f6a10b8604e6dc910194b79ccfc93e1bc0ec7c03453caaa8987f7d6c3413566002206216229ede9b4d6ec2d325be245c5b508ff0339bf1794078e20bfe0babc7ffe683 270063ab68210392972e2eb617b2388771abe27235fd5ac44af8e61693261550447a4c3e39da98ac
  nLockTime: 00000000

P2SHでネストしたP2WSH

以下の例は6-of-6のマルチシグのP2WSHをP2SHでネストしたwitness programを6個の異なるSIGHASHタイプで署名している。

以下が未署名のrawトランザクション: 010000000136641869ca081e70f394c6948e8af409e18b619df2ed74aa106c1ca29787b96e0100000000ffffffff0200e9a435000000001976a914389ffce9cd9ae88dcc0631e88a821ffdbe9bfe2688acc0832f05000000001976a9147480a33f950689af511e6e84c138dbbd3c3ee41588ac00000000

  nVersion:  01000000
  txin:      01 36641869ca081e70f394c6948e8af409e18b619df2ed74aa106c1ca29787b96e 01000000 00 ffffffff
  txout:     02 00e9a43500000000 1976a914389ffce9cd9ae88dcc0631e88a821ffdbe9bfe2688ac
                c0832f0500000000 1976a9147480a33f950689af511e6e84c138dbbd3c3ee41588ac
  nLockTime: 00000000

入力はP2SHでネストした6-of-6のマルチシグのP2WSHのwitness program:
  scriptPubKey : a9149993a429037b5d912407a71c252019287b8d27a587, value: 9.87654321
  redeemScript : 0020a16b5755f7f6f96dbd65f5f0d6ab9418b89af4b1f14a1bb8a09062c35f0dcb54
  witnessScript: 56210307b8ae49ac90a048e9b53357a2354b3334e9c8bee813ecb98e99a7e07e8c3ba32103b28f0c28bfab54554ae8c658ac5c3e0ce6e79ad336331f78c428dd43eea8449b21034b8113d703413d57761b8b9781957b8c0ac1dfe69f492580ca4195f50376ba4a21033400f6afecb833092a9a21cfdf1ed1376e58c5d1f47de74683123987e967a8f42103a6d48b1131e94ba04d9737d61acdaa1322008af9602b3b14862c07a1789aac162102d8b661b0b3302ee2f162b09e07a55ad5dfbe673a9f01d9f0c19617681024306b56ae

hashPrevouts:
  dSHA256(36641869ca081e70f394c6948e8af409e18b619df2ed74aa106c1ca29787b96e01000000)
= 74afdc312af5183c4198a40ca3c1a275b485496dd3929bca388c4b5e31f7aaa0

hashSequence:
  dSHA256(ffffffff)
= 3bb13029ce7b1f559ef5e747fcac439f1455a2ec7c5f09b72290795e70665044

hashOutputs for ALL:
  dSHA256(00e9a435000000001976a914389ffce9cd9ae88dcc0631e88a821ffdbe9bfe2688acc0832f05000000001976a9147480a33f950689af511e6e84c138dbbd3c3ee41588ac)
= bc4d309071414bed932f98832b27b4d76dad7e6c1346f487a8fdbb8eb90307cc

hashOutputs for SINGLE:
  dSHA256(00e9a435000000001976a914389ffce9cd9ae88dcc0631e88a821ffdbe9bfe2688ac)
= 9efe0c13a6b16c14a41b04ebe6a63f419bdacb2f8705b494a43063ca3cd4f708

hash preimage for ALL: 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
  nVersion:     01000000
  hashPrevouts: 74afdc312af5183c4198a40ca3c1a275b485496dd3929bca388c4b5e31f7aaa0
  hashSequence: 3bb13029ce7b1f559ef5e747fcac439f1455a2ec7c5f09b72290795e70665044
  outpoint:     36641869ca081e70f394c6948e8af409e18b619df2ed74aa106c1ca29787b96e01000000
  scriptCode:   cf56210307b8ae49ac90a048e9b53357a2354b3334e9c8bee813ecb98e99a7e07e8c3ba32103b28f0c28bfab54554ae8c658ac5c3e0ce6e79ad336331f78c428dd43eea8449b21034b8113d703413d57761b8b9781957b8c0ac1dfe69f492580ca4195f50376ba4a21033400f6afecb833092a9a21cfdf1ed1376e58c5d1f47de74683123987e967a8f42103a6d48b1131e94ba04d9737d61acdaa1322008af9602b3b14862c07a1789aac162102d8b661b0b3302ee2f162b09e07a55ad5dfbe673a9f01d9f0c19617681024306b56ae
  amount:       b168de3a00000000
  nSequence:    ffffffff
  hashOutputs:  bc4d309071414bed932f98832b27b4d76dad7e6c1346f487a8fdbb8eb90307cc
  nLockTime:    00000000
  nHashType:    01000000
sigHash:      185c0be5263dce5b4bb50a047973c1b6272bfbd0103a89444597dc40b248ee7c
public key:   0307b8ae49ac90a048e9b53357a2354b3334e9c8bee813ecb98e99a7e07e8c3ba3
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  amount:       b168de3a00000000
  nSequence:    ffffffff
  hashOutputs:  9efe0c13a6b16c14a41b04ebe6a63f419bdacb2f8705b494a43063ca3cd4f708
  nLockTime:    00000000
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署名済みのトランザクションをシリアライズすると: 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

なお、新しいシリアライズフォーマットはBIP-144で定義されている。

デプロイメント

このプロポーザルはSegregated Witnessのソフトフォークと一緒にデプロイされる。

後方互換

ソフトフォークのように古いソフトウェアを変更することなく動作する。アップグレードしていないノードでは、再定義したsigopsを含むwitness dataやwitness programsの検証はできない。

参照実装

github.com

まとめ&所感

  • 従来、署名の際にトランザクションダイジェストを生成するが、その際にトランザクションの入力にセットされたBitcoinの量はそのダイジェストには含まれていかった(入力が持つのはUTXOへの参照で、UTXOのtxidとインデックスのみを持つため)。
  • BIP-143ではトランザクションのダイジェストを生成する際に、トランザクションの入力が持つBitcoinの量も加える新しい署名検証の仕組みを提案している。
  • この新しい署名検証の仕組みはそのまま導入しようとするとハードフォーク等が必要になるが、segwit導入により異なるスクリプトセマンティックを定義することができるようになるので、それを利用する。
  • 実際に自前で署名処理書いてみないとまたピンと来てない。

*1:署名のみを行うウォレットで、取引データの作成はオンラインのデバイスで行い、そのトランザクションをコールドウォレットのデバイスにUSB等で受け渡し署名し、署名したトランザクションをオンラインデバイスに渡してブロードキャストする

*2:各sighashのタイプについては以前書いた記事を参照。