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BLE_Blockchain

卒論向けに、Raspberry Pi 複数台で BLE スキャン結果を暗号化・署名して L2CAP で交換し、過半数合意でブロックチェーンを構築するシステムです。

システムの概要

  • Raspberry Pi（4 台想定）が BLE ビーコン周辺をスキャンし、事前登録 CSV と突合したデータを扱う
  • ペイロードは ECDSA 署名 と AES-256-GCM 暗号化 のあと JSON でシリアライズする
  • Pi 間は Bluetooth L2CAP（l2cap_client / l2cap_server）で通信する
  • 同時送受信を避けるため、config/runtime_profiles.json で端末ごとに ラウンドロビン（send / receive / sleep）を定義する
  • 検証済みの受信データから 過半数 の報告が揃った bt_addrs をブロックに載せ、チェーンを標準出力する

本番のエントリポイントは ble_blockchain.app.main です（pyproject.toml のコンソールコマンド ble-blockchain）。後方互換のためルートの main.py からも起動できます（旧 main1.py〜main4.py は統合済み）。

リポジトリ構成

BLE_Blockchain/
├── main.py                      # 後方互換ラッパー（python main.py）
├── pyproject.toml               # 依存関係・ble-blockchain コンソール定義
├── settings1.json … settings4.json
├── config/                      # JSON 設定のみ（Python コードはパッケージ内）
├── data_folder/                 # 事前登録 CSV（paths.json で参照）
├── keys/                        # 端末別 ECDSA 鍵（PEM は .gitignore）
├── scripts/                     # Pi 向けセットアップ・鍵生成
├── src/ble_blockchain/          # アプリケーション本体（import ble_blockchain）
│   ├── app/main.py              # パイプライン
│   ├── ble/                     # スキャン・L2CAP・メッセージ
│   ├── blockchain/              # チェーン構築・エクスポート・集約
│   ├── cipher/                  # ECDSA・AES-256-GCM
│   ├── config/                  # loader.py, device_settings.py
│   ├── pipeline/                # 前処理・L2CAP 送信ヘルパ
│   └── paths.py                 # repo_root()（設定 JSON の基準パス）
├── tests/                       # pytest
├── docs/                        # Sphinx（[docs/README.md](docs/README.md)）
└── docker/chain-validator/      # チェーン JSON 検証用 Docker

主要パス（役割）

パス 役割
main.py 後方互換ラッパー（python main.py → パッケージ本体）
src/ble_blockchain/app/main.py パイプライン全体（設定読込 → ペイロード生成 → 送受信 → チェーン出力）
src/ble_blockchain/pipeline/send_and_receive.py 他 Pi への L2CAP 送信（SEND）
src/ble_blockchain/ble/discover.py BLE スキャン（Bleak）
src/ble_blockchain/ble/l2cap_client.py / l2cap_server.py L2CAP 送受信（PyBlueZ・Linux / Pi）
src/ble_blockchain/ble/start_discoverable.py bluetoothctl discoverable on
src/ble_blockchain/ble/message_codec.py JSON ペイロードの pack / unpack
src/ble_blockchain/pipeline/delete_excess_data.py 事前登録 CSV との突合・フィルタ
src/ble_blockchain/pipeline/pandas_d_encode.py DataFrame ↔ CSV bytes
src/ble_blockchain/cipher/ ECDSA・AES-256-GCM
src/ble_blockchain/blockchain/ ブロック生成・エクスポート・検証・集約
scripts/install_package.py Raspberry Pi 向け apt / pip 一括セットアップ
scripts/generate_device_keys.py 端末鍵・settingsN.json 更新
config/runtime_profiles.json 端末別 steps（discoverable / send / receive / sleep）
settings1.json〜settings4.json 他 Pi の BT アドレス + profile（リポジトリルート）
config/*.json L2CAP・暗号・パス・ブロックチェーン設定（JSON のみ・ルート）
tests/ pytest ユニットテスト
docs/ Sphinx API リファレンス、構成図
docs/diagrams/ble-blockchain-architecture.drawio システム構成・処理フロー・送受信タイミング（draw.io）

構成図（draw.io）

docs/diagrams/ble-blockchain-architecture.drawio を draw.io または VS Code の Draw.io Integration 拡張で開いてください。

シート 内容
1-システム構成 Pi 4 台、設定、L2CAP、ブロックチェーン集約・Docker 検証
2-処理フロー ble_blockchain.app.main のパイプライン（send 直前スキャン、受信検証、チェーン構築）
3-送受信タイミング runtime_profiles.json によるラウンドロビン

セットアップ

Python 依存関係（uv 推奨）

uv を使って仮想環境とパッケージを管理します。

# uv 未導入の場合（例）
curl -LsSf https://astral.sh/uv/install.sh | sh

cd BLE_Blockchain
uv sync          # パッケージ ble-blockchain を editable インストール

uv sync により src/ble_blockchain がインストールされ、uv run ble-blockchain や uv run pytest から import できます。

開発用ツール（pylint / pytest）も入れる場合:

uv sync --group dev

Raspberry Pi 上のシステム依存

BLE（PyBlueZ 等）用の apt パッケージは従来どおり必要です。

sudo apt-get install git
git clone https://github.com/Fu-Te/BLE_Blockchain
cd BLE_Blockchain
python3 scripts/install_package.py   # apt + pip（Pi 向け）
uv sync                      # 上記のあと uv で Python 依存を揃える場合

Raspberry Pi の BLE では検索に時間がかかることがあるため、受信側は discoverable にする必要があります。本リポジトリでは runtime_profiles.json の discoverable ステップ実行時に start_discoverable() が bluetoothctl discoverable on を呼び出します。

AES 共有鍵（全 Pi で同一）

.env.example をコピーして .env を作成し、64 文字の hex（32 バイト）の AES-256 鍵を設定してください。

cp .env.example .env
# .env の BLE_AES_KEY を編集（全 Raspberry Pi で同じ値を使う）
export BLE_AES_KEY=$(grep BLE_AES_KEY .env | cut -d= -f2)

本番環境では鍵配布を別途設計してください（卒論実験用の共有鍵想定）。

設定ファイル

ファイル 内容
config/l2cap.json L2CAP PSM、受信バッファ、接続タイムアウト
config/crypto.json AES 鍵の環境変数名（BLE_AES_KEY）
config/paths.json 事前登録 CSV パス・チェーンエクスポート／集約ディレクトリ（chain_export_dir）
config/blockchain.json 過半数比率・最小検証済み受信数・content_hash 一致・集約時の最小 Pi 数など
config/runtime_profiles.json 端末別送受信ステップ

各 Raspberry Pi には端末専用の設定ファイル（settings1.json〜settings4.json）を用意しています。 設定ファイルには、自端末以外の Bluetooth アドレス（3 台分）、送受信フローを表す profile、signing_key_path（端末ごとの永続 ECDSA 秘密鍵）、public_key_pem、他 Pi の peer_public_keys を記載してください。

鍵の初回生成:

uv run python scripts/generate_device_keys.py

詳細は keys/README.md を参照してください。keys/ 配下の PEM は Git に含めません（keys/README.md のみ追跡）。

端末 設定ファイル profile（例）
Pi 1 settings1.json device1
Pi 2 settings2.json device2
Pi 3 settings3.json device3
Pi 4 settings4.json device4

実行例:

uv run ble-blockchain --settings settings1.json
# 後方互換
uv run python main.py --settings settings1.json

uv を使わない場合は python3 main.py --settings settings1.json でも同様です（パッケージがインストールされていること）。

profile キーは config/runtime_profiles.json の端末別フロー（送受信順序）と対応しています。 送受信のタイミングや sleep 秒数を変更する場合は config/runtime_profiles.json を編集してください。

CLI オプション:

オプション 説明
--settings 端末設定 JSON（既定: settings1.json）
--export-chain チェーンを config/paths.json の chain_export_dir に JSON 出力
--no-export-chain 設定で有効でもエクスポートをスキップ
--aggregate chain_export_dir 内のエクスポートから canonical チェーンを生成
--aggregate-output 集約出力パス（既定: {chain_export_dir}/canonical.json）
--aggregate-strict 集約時に min_distinct_devices_for_aggregate 未満ならエラー終了

config/blockchain.json の export_enabled: true の場合、追加オプションなしでもエクスポートされます。

config/blockchain.json の主なキー:

キー 意味（既定値の例）
majority_ratio 検証済み報告者（受信 Pi）数に対する過半数比率（0.5 → n//2+1）
min_verified_receives チェーン構築に必要な最小検証済み受信数（例: 3）
require_content_hash_agreement 同一 bt_addrs 採用時に payload の content_hash 一致を要求
min_distinct_devices_for_aggregate canonical 集約時に推奨する異なる device_id の最小数

処理の流れ

実装（src/ble_blockchain/app/main.py）に基づく全体フローです。BLE スキャンとペイロード生成は send ステップの直前に行い、その後 runtime_profiles の steps を順に実行します。署名には settingsN.json の永続秘密鍵を使います。

全体フローチャート

flowchart TD
    Start([main / ble-blockchain 起動]) --> Parse["--settings で settingsN.json を読込"]
    Parse --> RunPipe[run_pipeline]

    RunPipe --> LoadSet["load_device_settings<br/>BT アドレス + 鍵 + peer 公開鍵"]
    LoadSet --> LoadProf[load_runtime_profile]
    LoadProf --> InitRecv[receive_data_list = 空]

    subgraph build_on_send["build_send_payload（send 直前）"]
        BuildPayload[build_send_payload] --> LoadKey[永続 ECDSA 秘密鍵を読込]
        LoadKey --> Scan[BLE スキャン discover.py]
        Scan --> Filter[pipeline.delete_excess_data<br/>事前登録 CSV と突合]
        Filter --> EncPlain[pandas_encode]
        EncPlain --> Sign[ECDSA 署名]
        Sign --> AES[AES-256-GCM 暗号化]
        AES --> Pack[message_codec.pack]
    end

    Pack --> StepsLoop{"run_communication_steps<br/>profile の steps を順次"}

    StepsLoop -->|discoverable| Disc[start_discoverable]
    StepsLoop -->|send| BuildPayload
    StepsLoop -->|send| Send["SEND → 各 peer へ L2CAP 送信"]
    StepsLoop -->|receive| Recv[L2CAP 受信]
    StepsLoop -->|sleep| Sleep[time.sleep]

    Recv --> Proc[process_received_payload]
    subgraph verify["受信処理"]
        Proc --> Unpack[unpack]
        Unpack --> Decrypt[復号]
        Decrypt --> Decode[pandas_decode]
        Decode --> VerifySig[署名検証]
        VerifySig --> TrustKey["peer_public_keys に含まれるか"]
        TrustKey --> Append["検証済みなら df + hash を list に追加<br/>失敗時は df=None"]
    end

    Disc --> StepsLoop
    Send --> StepsLoop
    Append --> StepsLoop
    Sleep --> StepsLoop

    StepsLoop -->|steps 完了| Chain[MyBlockChain.build_from_receives]
    Chain --> Dump["dump → stdout（JSON）"]
    Dump --> ExportCheck{export_enabled<br/>または --export-chain?}
    ExportCheck -->|yes| Export["write_chain_export<br/>→ chain_export_dir"]
    ExportCheck -->|no| AggCheck
    Export --> AggCheck{--aggregate?}
    AggCheck -->|yes| Aggregate["aggregate_chains<br/>→ canonical.json"]
    AggCheck -->|no| End
    Aggregate --> End([終了])
Loading

テキスト要約

  1. settingsN.json から他 Pi の BT アドレスと profile を読み込む（ble_blockchain.config.device_settings）
  2. settingsN.json の signing_key_path から ECDSA 秘密鍵を読み込む（ble_blockchain.cipher）
  3. BLE 端末をスキャンする（ble_blockchain.ble.discover）
  4. 事前登録 CSV と照合し不要データを除去する（ble_blockchain.pipeline.delete_excess_data）
  5. CSV bytes に ECDSA 署名する
  6. 同一 CSV bytes を AES-256-GCM で暗号化する
  7. JSON ペイロードにシリアライズする（ble_blockchain.ble.message_codec）
  8. runtime_profiles の steps に従い、discoverable / send / receive / sleep を実行する
  9. 受信ごとに復号・署名検証する（検証失敗はチェーン追加対象外）
  10. 検証済み受信が min_verified_receives 以上のとき、ユニーク報告者数が過半数以上かつ content_hash が一致した bt_addrs を、CSV 再突合後の gakuseki 多数決でブロックに追加し、チェーンを出力する

4 台 Pi の送受信タイミング

config/runtime_profiles.json により、同時に send しないよう時間分割しています（デフォルト sleep は 30 秒）。

flowchart LR
    subgraph d1["device1（settings1）"]
        D1S[send] --> D1R[receive ×3]
    end
    subgraph d2["device2"]
        D2R1[receive] --> D2S["sleep → send"] --> D2R2[receive ×2]
    end
    subgraph d3["device3"]
        D3R1[receive ×2] --> D3S["sleep → send"] --> D3R2[receive]
    end
    subgraph d4["device4"]
        D4R[receive ×3] --> D4S["sleep → send"]
    end
Loading

各 profile の先頭には discoverable ステップが含まれます（図では省略）。

ブロックチェーンへの反映

本システムのチェーンは 署名付き観測レジャー + 過半数採択 + 検証可能チェーン です（PoW は使用しません）。

  • ブロックは 他 Pi から受信したペイロード（receive_data_list）のみから構築します。
  • 受信 DataFrame は 事前登録 CSV と (gakuseki, bt_addrs) で再突合 されます（filter_registered_data）。
  • 過半数は 検証済み受信 Pi（報告者）のユニーク数 で数え、DataFrame の行数では水増しできません。
  • 同一 bt_addrs について報告者の payload_content_hash が一致しない場合はブロック化しません。
  • gakuseki は報告者ごとの票の最多決。同点の場合はブロック化しません。
  • 受信時は peer_public_keys に登録された公開鍵のみ信頼します。
  • 各ブロックには tran_meta（報告者 fingerprint・content_hash・count・gakuseki_votes）が付きます。
  • validate_chain() でハッシュ連鎖、load_chain / Docker 検証で tran_meta の整合も確認します。
  • dump() は標準出力、data/chains/{device_id}_{timestamp}.json へエクスポート可能です。

チェーン集約（Pi 間）

各 Pi のエクスポート JSON を 1 台に集め、最長合法チェーンを canonical として選びます（device_id が複数あることが推奨。--aggregate-strict で強制可能）。

# 各 Pi で実行（例）
uv run ble-blockchain --settings settings1.json

# 集約（エクスポート JSON を chain_export_dir に集めたうえで。省略時は config/paths.json のパスを使用）
uv run python -m ble_blockchain.blockchain.aggregator
# または明示指定:
# uv run python -m ble_blockchain.blockchain.aggregator --input-dir data/chains --output data/chains/canonical.json

# または main / ble-blockchain から
uv run ble-blockchain --settings settings1.json --aggregate

Docker によるチェーン検証

docker build -t ble-chain-validator -f docker/chain-validator/Dockerfile .
docker run --rm -v "$(pwd)/data:/data" ble-chain-validator /data/chains/canonical.json

終了コード 0 は validate_chain() 成功を意味します。詳細は docker/chain-validator/README.md を参照してください。

実行環境の注意

  • L2CAP（PyBlueZ）は Linux（Raspberry Pi） 向けです。macOS では送受信部分は動作しません。
  • 全 Pi で ble-blockchain（または main.py）を起動するタイミングの同期は、主に sleep 秒数に依存します。

セキュリティ

  • AES-256-GCM: ペイロード暗号化（共有鍵 BLE_AES_KEY）
  • ECDSA (SECP256k1): CSV 平文 bytes への署名・検証
  • L2CAP メッセージ形式: version, ciphertext_b64, nonce_b64, public_key_pem, signature_b64

限界（設計上の前提）

  • 過半数は 検証済み受信 Pi（報告者）のユニーク数 に対する相対過半数であり、4 台固定の BFT ではありません。
  • min_verified_receives 未満、または受信失敗が多いとブロックは生成されません。
  • 悪意 Pi が過半数の報告者を占めると虚偽観測を載せられる可能性があります（peer_public_keys で身元は限定）。
  • 共有 AES 鍵はペイロード機密性を守ります。チェーン整合性はハッシュ連鎖と tran_meta で補強します。
  • 真の分散合意（PBFT 等）はスコープ外です。集約は 検証可能な最長チェーン選択 です。

Breaking change: 過半数の定義・tran_meta 構造・受信フィルタを変更しました（chain_hash_version: 2）。旧エクスポート JSON は再生成が必要です。鍵は scripts/generate_device_keys.py で再生成してください。

テスト

uv sync --group dev
uv run pytest tests/
uv run pytest tests/integration/

pyproject.toml の pythonpath に src が含まれるため、リポジトリルートから uv run pytest で ble_blockchain を import できます。

API ドキュメント（Sphinx）

モジュール API の HTML リファレンスは docs/ でビルドします。手順は docs/README.md を参照してください。

uv sync --group docs
cd docs && make html
# ブラウザで docs/_build/index.html を開く

未実装（将来）

  • データを Web 上で確認
  • CSV データを LAN 内から取得
  • L2CAP 経由でのチェーン JSON 同期（現状はファイルベース集約）

参考

受信後の各要素: [df, public_key, signature, verified, public_key_pem, payload_content_hash]

About

Code for Bluetooth and Blockchain．

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