オニオンルーティング（Sphinxプロトコル)

オニオンルーティングの全体像1. 送信者が最終受取ノードまでの経路を組み立てる

送信者（支払いをするノード）は、Lightningネットワーク内の公開チャネル情報や、請求書（Invoice）に含まれるルートヒント等を使って、

「自分 → 中継ノード1 → 中継ノード2 → … → 最終受取ノード」

というルートを探索（Path Finding）し、ホップの順番を決めます。

2. 送信者が“オニオンパケット”を生成

Sphinxプロトコルでは、各ホップに渡すデータを多層の暗号データ（オニオン）として準備します。

このときエフェメラル（使い捨て）秘密鍵などの暗号材料を用い、それぞれのホップの公開鍵とECDH（鍵共有）を行いながら、各ホップ用の暗号化レイヤーを構築します。

出来上がったオニオンパケットには、

「どのノードに転送すべきか」

「そのノードが読むべき支払い関連情報（fee、時間制限など）」

が暗号化されて格納されます。

3. 中継ノードは自分のレイヤーのみ復号して次ホップへ転送

最初の中継ノードは送信者から受け取ったオニオンを、自分の秘密鍵を使って一層だけ解読します。

すると「次に送る先のノードの情報」と「自分が受け取るべき手数料やHTLCタイムアウト情報」などが出てきます。

それを使って次ホップにパケットを渡し、自分は最終ノードや他のホップの情報を知ることはできません。

これを各ホップで繰り返すことにより、最終的に受取ノードへ到達する仕組みになっています。

具体的な暗号フロー（Sphinxプロトコルの概念）2-1. 送信者側の処理（暗号化）

1. エフェメラル鍵ペア生成

送信者は、一時的に使う秘密鍵 𝑠 と公開鍵 $ S=s⋅G（楕円曲線の生成元 G を使ったもの）を作る。

これがオニオンパケット全体を暗号化する基点になる鍵（エフェメラル鍵）です。

2. 各ホップとのECDHと鍵導出

送信者は、あらかじめ決めた経路のホップ（中継ノード）それぞれの公開鍵$ （𝑃1,𝑃2,…,𝑃𝑛）を持っています。

ホップ 𝑖 について、𝑆（エフェメラル公開鍵）と 𝑃𝑖 （ホップのノード公開鍵）を使い、ECDHにより共有秘密 𝑘𝑖 を導出します。

$ k i=ECDH(s,P i) (内部的には k i=s⋅P i )

この 𝑘𝑖 から派生した暗号キー（暗号化やHMAC用のキー）を用いて「ホップ 𝑖 向けのペイロード情報」を暗号化し、順番にパケットに詰めていきます。

3. ペイロードと“HMAC”の連結

各ホップが読むべき情報（amount, cltv_expiry, next_hop など）を暗号化したうえでHMAC（メッセージ認証コード）を付加していきます。

これを「多層の暗号データ（オニオン構造）」として組み上げたものが、最終的なSphinxパケット（LNにおけるonion packet）となります。

2-2. 中継ノード側の処理（復号）

1. 受信したオニオンパケットから自分向けのレイヤーを復号

中継ノードは自分の秘密鍵 𝑥𝑖 を用いて、パケット内に含まれるエフェメラル公開鍵 𝑆 とのECDHを行い、共有秘密 𝑘𝑖 = 𝑥𝑖 ⋅ 𝑆 を得ます。

この 𝑘𝑖 から派生した暗号キーでパケットを部分的に復号すると、自分あてのペイロード（次ホップのIDや手数料情報など）が読めます。

2. 次ホップ情報の取得・オニオンの再構築

復号した結果、次のノードのアドレスや公開鍵、支払額などを読み取り、

「次に誰に送るか」

「次に渡すべき暗号化データ（オニオンの残り部分）」を明らかにします。

同時に、自分用の暗号化部分を取り除く処理を行い、一段皮が剥けたオニオンを次のノードに転送します。

それ以降のレイヤー（次ノードに関する暗号データ）は依然として暗号化されているので、自分は読むことができません。

3. 最終ノードに到達

このプロセスが各ホップで繰り返され、最後には受取ノードが自分用のレイヤーを復号して「この支払いが自分宛である」と認識し、HTLCを受理することになります。

ki の計算をより詳しく

$ ki=s⋅Pi=s⋅(xi⋅G)=(s⋅xi)⋅G

$ ki=xi⋅S=xi⋅(s⋅G)=(xi⋅s)⋅G

code:mmd

flowchart LR

A((送信者<br>Onion生成)) -- オニオンパケット送付 --> B((中継ノード1<br>自ノード情報を復号))

B -- 一段皮を剥いたオニオン --> C((中継ノード2<br>自ノード情報を復号))

C -- 最終的なオニオン --> D((最終受取ノード<br>最終レイヤを復号))

style A fill:#CCE5FF,stroke:#003366,stroke-width:2px

style B fill:#E2FFE2,stroke:#006600,stroke-width:2px

style C fill:#E2FFE2,stroke:#006600,stroke-width:2px

style D fill:#FFE5CC,stroke:#FF6600,stroke-width:2px

code:svg

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<title>onion_routing</title>

<text text-anchor="middle" x="999" y="1350" font-family="sans-serif" font-size="240.00">送信者

(オニオン生成)

</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="2747" y="1350" font-family="sans-serif" font-size="240.00">中継ノード1

(自ノード情報を復号)

</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="4299" y="1350" font-family="sans-serif" font-size="240.00">中継ノード2

(自ノード情報を復号)

</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="5899" y="1350" font-family="sans-serif" font-size="240.00">最終受取ノード

(最終レイヤを復号)

</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="1693" y="1334" font-family="sans-serif" font-size="200.00">オニオンパケット

(多層暗号)</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="3493" y="1334" font-family="sans-serif" font-size="200.00">一段皮を剥いた

オニオンパケット</text>

</g>

<text text-anchor="middle" x="5093" y="1334" font-family="sans-serif" font-size="200.00">さらに一段皮を剥いた

オニオンパケット</text>

</g>

</svg>