先までは、"愛記"についての記載で、どのようにブロックチェーンSNSに組み込んで実装していけばよいのか、概念的なところからアプローチ方法を記載していった。概念設計としてはひとまず終えた。次は、フェデレーションモデル全体の基本設計といえるところまで、基本設計書に着手できるようなところまで、概念を具体化していきたい。
フェデレーションモデルのブロックチェーンの基本設計を進めるには、以下の手順に従って詳細に設計していくことが重要である。これにはシステムの機能、アーキテクチャ、データフロー、技術スタック、および具体的な実装方法の設計が含まれる。
基本設計のステップ
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要求分析
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システムアーキテクチャの設計
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データフローの設計
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技術スタックの選定
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データモデルの設計
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API設計
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セキュリティ設計
-
エラーハンドリングとログ設計
基本設計の各ステップを順番に進めることで、フェデレーションモデルのブロックチェーンの詳細な設計が可能になる。各ステップでは、関係者との協議やレビューを通じて設計内容を確定していくことが重要である。
1．要求分析
まず、基本設計の最初のステップである要求分析をしていきたい。どのような機能が必要か、どのような問題を解決するのかを洗い出したい。要求分析はシステム設計の最初の重要なステップであり、システムが解決するべき問題と、必要な機能を明確に定義するプロセスである。以下に、メインチェーンとフェデレーションモデルでつながる市町村のブロックチェーンのプログラムに必要な機能と解決すべき問題を列挙してみよう。
解決すべき問題
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データの一貫性と整合性
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トランザクションの信頼性とセキュリティ
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スケーラビリティとパフォーマンス
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ガバナンスとコンセンサス
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システムの拡張性
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トランザクションのトレーサビリティ
必要な機能
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トランザクション生成
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トランザクションの検証
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トランザクション承認と統合
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ブロック生成
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自治体の登録と管理
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履歴証明（Proof of History）
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APIゲートウェイ
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ガバナンス機能
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セキュリティ機能
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スケーラビリティとパフォーマンス最適化
解決すべき問題 1.データの一貫性と整合性
Rustは、安全性とパフォーマンスを重視したシステムプログラミング言語であり、ブロックチェーンのような低レベルのシステム開発に適している。以下に、データの一貫性と整合性を考慮して、基本設計を進めていく。
-
データの一貫性と整合性:
- トランザクションの検証と署名
- データの検証
- トランザクションの同期
- データベース設計
- インフラストラクチャーの設計
1. トランザクションの生成と検証
まず、トランザクションデータの構造を定義し、生成および署名検証のロジックを設計する。
#[derive(Debug, Clone)]
struct Transaction {
sender: String,
receiver: String,
amount: f64,
timestamp: DateTime<Utc>,
signature: String,
}
impl Transaction {
fn new(sender: String, receiver: String, amount: f64, private_key: &str) -> Self {
let timestamp = Utc::now();
let message = format!("{}{}{}{}", sender, receiver, amount, timestamp);
let signature = sign_message(&message, private_key);
Transaction {
sender,
receiver,
amount,
timestamp,
signature,
}
}
fn verify_signature(&self, public_key: &str) -> bool {
let message = format!("{}{}{}{}", self.sender, self.receiver, self.amount, self.timestamp);
verify_message(&message, &self.signature, public_key)
}
}
// サンプルの署名関数（実際には適切なライブラリを使用する）
fn sign_message(message: &str, private_key: &str) -> String {
// 署名ロジックを実装
format!("signed({})", message)
}
fn verify_message(message: &str, signature: &str, public_key: &str) -> bool {
// 署名検証ロジックを実装
signature == format!("signed({})", message)
}
2. ブロックの生成と検証
ブロックのデータ構造を定義し、トランザクションを含むブロック生成および検証ロジックを設計する。
#[derive(Debug, Clone)]
struct Block {
index: u32,
timestamp: DateTime<Utc>,
previous_hash: String,
hash: String,
transactions: Vec<Transaction>,
}
impl Block {
fn new(index: u32, previous_hash: String, transactions: Vec<Transaction>) -> Self {
let timestamp = Utc::now();
let hash = Block::calculate_hash(index, ×tamp, &previous_hash, &transactions);
Block {
index,
timestamp,
previous_hash,
hash,
transactions,
}
}
fn calculate_hash(index: u32, timestamp: &DateTime<Utc>, previous_hash: &str, transactions: &Vec<Transaction>) -> String {
let transactions_data: String = transactions.iter().map(|tx| format!("{:?}", tx)).collect();
let input = format!("{}{}{}{}", index, timestamp, previous_hash, transactions_data);
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(input.as_bytes());
hex::encode(hasher.finalize())
}
fn is_valid(&self, previous_block: &Block) -> bool {
if self.previous_hash != previous_block.hash {
return false;
}
if self.hash != Block::calculate_hash(self.index, &self.timestamp, &self.previous_hash, &self.transactions) {
return false;
}
true
}
}
3. コンセンサスアルゴリズム
○DPoSのようなコンセンサスアルゴリズムを設計する。
struct DPoS {
municipalities: Vec<String>,
approved_representative: Option<String>,
}
impl DPoS {
fn new(municipalities: Vec<String>) -> Self {
Self {
municipalities,
approved_representative: None,
}
}
fn elect_representative(&mut self) -> String {
let representative = self.municipalities.choose(&mut rand::thread_rng()).unwrap().clone();
self.approved_representative = Some(representative.clone());
representative
}
fn approve_transaction(&self, transaction: &mut Transaction) -> Result<&str, &str> {
if let Some(representative) = &self.approved_representative {
transaction.signature = format!("approved_by_{}", representative);
Ok("Transaction approved")
} else {
Err("No representative elected")
}
}
}
○位置情報取得（Proof of Place）
location: (f64, f64),
timestamp: DateTime<Utc>,
}
impl ProofOfPlace {
fn new(location: (f64, f64)) -> Self {
ProofOfPlace {
location,
timestamp: Utc::now(),
}
}
fn generate_proof(&self) -> String {
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(format!("{:?}{:?}", self.location, self.timestamp).as_bytes());
hex::encode(hasher.finalize())
}
fn verify_proof(proof: &str, location: (f64, f64), timestamp: DateTime<Utc>) -> bool {
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(format!("{:?}{:?}", location, timestamp).as_bytes());
let computed_proof = hex::encode(hasher.finalize());
computed_proof == proof
}
}
トランザクション履歴の証明を生成し、信頼性を確保する。
struct ProofOfHistory {
sequence: Vec<String>,
}
impl ProofOfHistory {
fn new() -> Self {
ProofOfHistory { sequence: Vec::new() }
}
fn add_event(&mut self, event: &str) {
self.sequence.push(event.to_string());
}
fn generate_hash(&self) -> String {
let mut hasher = Sha256::new();
for event in &self.sequence {
hasher.update(event.as_bytes());
}
hex::encode(hasher.finalize())
}
}
○統合したコンセンサスアルゴリズムの設計
struct Consensus {
dpos: DPoS,
poh: ProofOfHistory,
transactions: Vec<Transaction>,
}
impl Consensus {
fn new(municipalities: Vec<String>) -> Self {
Consensus {
dpos: DPoS::new(municipalities),
poh: ProofOfHistory::new(),
transactions: Vec::new(),
}
}
fn add_transaction(&mut self, transaction: Transaction) {
self.transactions.push(transaction);
}
fn process_transactions(&mut self) {
for transaction in &mut self.transactions {
if self.dpos.approve_transaction(transaction).is_ok() {
self.poh.add_event(&transaction.generate_proof_of_history());
println!("Transaction processed: {:?}", transaction);
} else {
println!("Transaction failed: {:?}", transaction);
}
}
}
fn generate_poh_hash(&self) -> String {
self.poh.generate_hash()
}
}
struct Transaction {
transaction_id: String,
municipality: String,
timestamp: DateTime<Utc>,
location: (f64, f64),
love_action_level: i32,
amount: f64,
action_content: String,
is_local: bool,
close_flag: bool,
approval_target: Option<String>,
sender_public_key: String,
receiver_public_key: String,
signature: String,
location_hash: Vec<u8>,
received_timestamp: Option<DateTime<Utc>>,
recipient_location: Option<(f64, f64)>,
fee: f64,
}
impl Transaction {
fn new(
transaction_id: String,
municipality: String,
location: (f64, f64),
love_action_level: i32,
amount: f64,
action_content: String,
sender_public_key: String,
receiver_public_key: String,
) -> Self {
let mut transaction = Transaction {
transaction_id,
municipality,
timestamp: Utc::now(),
location,
love_action_level,
amount,
action_content,
is_local: true,
close_flag: false,
approval_target: None,
sender_public_key,
receiver_public_key,
signature: String::new(),
location_hash: Vec::new(),
received_timestamp: None,
recipient_location: None,
fee: 0.0,
};
transaction.calculate_location_hash();
transaction.generate_signature();
transaction
}
fn calculate_location_hash(&mut self) {
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(format!("{:?}", self.location).as_bytes());
self.location_hash = hasher.finalize().to_vec();
}
fn generate_proof_of_history(&self) -> String {
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(format!("{:?}{:?}", self.transaction_id, self.timestamp).as_bytes());
hex::encode(hasher.finalize())
}
fn generate_signature(&mut self) {
let message = format!(
"{}{}{}{}{}{}{}{}{}{}",
self.transaction_id,
self.municipality,
self.timestamp.to_rfc3339(),
format!("{:?}", self.location),
self.love_action_level,
self.amount,
self.action_content,
hex::encode(&self.location_hash),
self.sender_public_key,
self.receiver_public_key
);
self.signature = hex::encode(Sha256::digest(message.as_bytes()));
}
fn verify_signature(&self) -> bool {
let message = format!(
"{}{}{}{}{}{}{}{}{}{}",
self.transaction_id,
self.municipality,
self.timestamp.to_rfc3339(),
format!("{:?}", self.location),
self.love_action_level,
self.amount,
self.action_content,
hex::encode(&self.location_hash),
self.sender_public_key,
self.receiver_public_key
);
let computed_signature = hex::encode(Sha256::digest(message.as_bytes()));
self.signature == computed_signature
}
}
4. スケーラビリティとパフォーマンス最適化
スケーラビリティとパフォーマンスを最適化するための設計である。例えば、PipeliningやProof of History、Gulf Streamのような技術を使用する。
fn fetch_transactions(pending_transactions: Arc<Mutex<Vec<Transaction>>>) -> Vec<Transaction> {
let mut fetched_transactions = Vec::new();
{
let mut pending = pending_transactions.lock().unwrap();
while let Some(tx) = pending.pop() {
fetched_transactions.push(tx);
}
}
fetched_transactions
}
fn verify_transactions(transactions: Vec<Transaction>) -> Vec<Transaction> {
transactions.into_iter()
.filter(|tx| tx.verify(&tx.sender))
.collect()
}
fn execute_transactions(transactions: Vec<Transaction>) -> Vec<Transaction> {
transactions.into_iter()
.map(|mut tx| {
tx.receive_love_currency();
tx
})
.collect()
}
fn store_transactions(blockchain: &mut Blockchain, transactions: Vec<Transaction>) {
for tx in transactions {
blockchain.add_block(tx);
}
}
fn run_pipeline(blockchain: Arc<Mutex<Blockchain>>) {
loop {
let fetched_transactions;
{
let blockchain = blockchain.lock().unwrap();
fetched_transactions = fetch_transactions(blockchain.pending_transactions.clone());
}
if !fetched_transactions.is_empty() {
let verified_transactions = verify_transactions(fetched_transactions);
let executed_transactions = execute_transactions(verified_transactions);
{
let mut blockchain = blockchain.lock().unwrap();
store_transactions(&mut blockchain, executed_transactions);
}
}
thread::sleep(std::time::Duration::from_millis(500));
}
}
5. フェデレーションモデルの設計
自治体チェーンとメインチェーンの連携を設計する。
struct MunicipalityChain {
blockchain: Blockchain,
name: String,
}
impl MunicipalityChain {
fn new(name: String) -> Self {
MunicipalityChain {
blockchain: Blockchain::new(),
name,
}
}
fn create_transaction(&mut self, sender: String, receiver: String, amount: f64) {
self.blockchain.create_transaction(sender, receiver, amount);
}
fn mine_pending_transactions(&mut self) {
self.blockchain.mine_pending_transactions();
}
}
struct MainChain {
municipalities: Vec<MunicipalityChain>,
}
impl MainChain {
fn new() -> Self {
MainChain {
municipalities: vec![],
}
}
fn register_municipality(&mut self, name: String) {
let municipality_chain = MunicipalityChain::new(name);
self.municipalities.push(municipality_chain);
}
fn transfer_data_to_main_chain(&self) {
for municipality in &self.municipalities {
println!("Transferring data from {} to main chain", municipality.name);
// ここで、自治体のブロックチェーンデータをメインチェーンに転送する処理を実装します
}
}
}
6．自治体の登録と管理
新しい自治体をメインチェーンに登録し、その情報を管理する。
struct MainChain {
municipalities: Vec<MunicipalityChain>,
}
impl MainChain {
fn register_municipality(&mut self, name: String) {
let municipality_chain = MunicipalityChain::new(name);
self.municipalities.push(municipality_chain);
}
fn transfer_data_to_main_chain(&self) {
for municipality in &self.municipalities {
println!("Transferring data from {} to main chain", municipality.name);
// ここで、自治体のブロックチェーンデータをメインチェーンに転送する処理を実装します
}
}
}
7．APIゲートウェイ
APIゲートウェイを設計して、外部アプリケーションがブロックチェーンにアクセスできるようにする。
use warp::Filter;
#[tokio::main]
async fn main() {
let hello = warp::path::end()
.map(|| warp::reply::html("Hello, Blockchain"));
warp::serve(hello)
.run(([127, 0, 0, 1], 3030))
.await;
}
8．ガバナンス機能
ガバナンス機能を設計し、ブロックチェーンの運営を行う。例えば、代表者の選出やトランザクションの承認など。
struct DPoS {
municipalities: Vec<String>,
approved_representative: Option<String>,
}
impl DPoS {
fn new(municipalities: Vec<String>) -> Self {
Self {
municipalities,
approved_representative: None,
}
}
fn elect_representative(&mut self) -> String {
let representative = self.municipalities.choose(&mut rand::thread_rng()).unwrap().clone();
self.approved_representative = Some(representative.clone());
representative
}
fn approve_transaction(&self, transaction: &mut Transaction) -> Result<&str, &str> {
if let Some(representative) = &self.approved_representative {
transaction.approval_target = Some(representative.clone());
Ok("Transaction approved")
} else {
Err("No representative elected")
}
}
}
9．セキュリティ機能
セキュリティ機能を強化し、不正なトランザクションや攻撃からシステムを守る。例えば、署名検証やデータ暗号化である。
fn encrypt_data(data: &str, key: &str) -> String {
// データ暗号化処理
// ...
}
fn decrypt_data(encrypted_data: &str, key: &str) -> String {
// データ復号化処理
// ...
}
データの一貫性と整合性を保証するための追加項目
-
トランザクションとブロックの署名と検証
- 各トランザクションおよびブロックは署名され、検証されることを保証する。
- トランザクションの署名と検証機能を実装する。
- ブロックのハッシュ計算と検証機能を実装する。
-
一貫性チェック
- チェーン全体を通じて一貫性をチェックする機能を実装する。
- 各ブロックの前のブロックのハッシュと一致しているかを確認する。
- 各ブロックのハッシュが正しいかを確認する。
-
トランザクションの重複検出
- トランザクションが重複して処理されないようにする機能を実装する。
- トランザクションIDを使用して、重複を防ぐ。
-
フェデレーション間のデータ整合性
- 各フェデレーション間でデータの整合性を保つためのメカニズムを実装する。
- 各自治体チェーンからメインチェーンへのデータ転送時にデータの整合性を検証する。
まとめ
独自のブロックチェーンをRustで設計する際には、要求分析を通じて必要な機能を明確にし、それぞれの機能に対して詳細な設計を行うことが重要である。データの一貫性と整合性を保証するためには、署名と検証、一貫性チェック、重複検出、フェデレーション間のデータ整合性などの機能を実装し、システム全体で整合性を保つことが求められる。
データベースの設計
ブロックチェーンシステムでは、データベースを使ってトランザクションデータやブロックデータを永続化することが一般的である。データベースの選択はシステムの要求に応じて行う必要がある。以下に、データベースの選択と設計についての詳細な説明を行う。ブロックチェーンシステムで使用される一般的なデータベースには以下のものがある：
-
LevelDB/RocksDB
- キー-バリューストア型のデータベースで、高速な読み書き性能を持つ。
- 多くのブロックチェーンプロジェクト（例：Bitcoin、Ethereum）はLevelDBやRocksDBを使用している。
-
MongoDB
- ドキュメント指向データベースで、柔軟なスキーマを持ち、大量のデータを扱うのに適している。
- 分散アーキテクチャと高可用性をサポートする。
-
PostgreSQL
- リレーショナルデータベースで、高い一貫性とACIDトランザクションを提供する。
- 複雑なクエリや分析が必要な場合に適している。
-
Redis
- インメモリデータベースで、高速な読み書き性能を持つ。
- キャッシュやセッション管理に適していますが、データの永続化には注意が必要である。
以下に、MongoDBを使用したブロックチェーンのデータベース設計について詳しく説明する。MongoDBは、柔軟なスキーマを持ち、大量のデータを効率的に扱うことができるドキュメント指向データベースであるため、こちらを採用することを前提とする。
・MongoDBの基本設定
まず、MongoDBをRustプロジェクトに統合するために必要なクレートを追加する。Cargo.tomlに以下を追加していく。
[dependencies]
mongodb = "2.0" # 最新バージョンを確認する
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
serde = { version = "1.0", features = ["derive"] }
serde_json = "1.0"
bson = "2.0"
・MongoDBクライアントの設定
次に、MongoDBに接続するためのクライアントを設定する。
use mongodb::{Client, options::ClientOptions};
use mongodb::bson::{doc, Bson};
use serde::{Serialize, Deserialize};
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
struct Transaction {
transaction_id: String,
sender: String,
receiver: String,
amount: f64,
timestamp: String,
signature: String,
data: String,
}
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
struct Block {
index: u32,
timestamp: String,
previous_hash: String,
hash: String,
transactions: Vec<Transaction>,
}
struct BlockchainDB {
client: Client,
db_name: String,
}
impl BlockchainDB {
async fn new(uri: &str, db_name: &str) -> Self {
let client_options = ClientOptions::parse(uri).await.unwrap();
let client = Client::with_options(client_options).unwrap();
BlockchainDB {
client,
db_name: db_name.to_string(),
}
}
async fn get_collection(&self, collection_name: &str) -> mongodb::Collection {
self.client.database(&self.db_name).collection(collection_name)
}
async fn insert_transaction(&self, transaction: &Transaction) {
let collection = self.get_collection("transactions").await;
let doc = bson::to_document(transaction).unwrap();
collection.insert_one(doc, None).await.unwrap();
}
async fn insert_block(&self, block: &Block) {
let collection = self.get_collection("blocks").await;
let doc = bson::to_document(block).unwrap();
collection.insert_one(doc, None).await.unwrap();
}
async fn get_block(&self, index: u32) -> Option<Block> {
let collection = self.get_collection("blocks").await;
let filter = doc! { "index": index };
let result = collection.find_one(filter, None).await.unwrap();
result.map(|doc| bson::from_document(doc).unwrap())
}
}
・トランザクション生成と保存
トランザクションを生成し、MongoDBに保存する関数を作成する。
impl Transaction {
fn new(sender: String, receiver: String, amount: f64, data: String, private_key: &str) -> Self {
let timestamp = Utc::now().to_string();
let transaction_id = format!("{}-{}", sender, Utc::now().timestamp());
let mut transaction = Transaction {
transaction_id,
sender,
receiver,
amount,
timestamp,
signature: String::new(),
data,
};
transaction.sign(private_key);
transaction
}
fn sign(&mut self, private_key: &str) {
let message = format!("{}{}{}{}", self.transaction_id, self.sender, self.receiver, self.amount);
self.signature = sign_message(&message, private_key);
}
}
async fn create_and_save_transaction(db: &BlockchainDB, sender: String, receiver: String, amount: f64, data: String, private_key: &str) {
let transaction = Transaction::new(sender, receiver, amount, data, private_key);
db.insert_transaction(&transaction).await;
}
・ブロック生成と保存
ブロックを生成し、MongoDBに保存する関数を作成する。
impl Block {
fn new(index: u32, previous_hash: String, transactions: Vec<Transaction>) -> Self {
let timestamp = Utc::now().to_string();
let hash = Block::calculate_hash(index, ×tamp, &previous_hash, &transactions);
Block {
index,
timestamp,
previous_hash,
hash,
transactions,
}
}
fn calculate_hash(index: u32, timestamp: &str, previous_hash: &str, transactions: &Vec<Transaction>) -> String {
let transactions_data: String = transactions.iter().map(|tx| format!("{:?}", tx)).collect();
let input = format!("{}{}{}{}", index, timestamp, previous_hash, transactions_data);
let mut hasher = Sha256::new();
hasher.update(input.as_bytes());
hex::encode(hasher.finalize())
}
}
async fn mine_block(db: &BlockchainDB, transactions: Vec<Transaction>) {
let latest_block = db.get_block(0).await.unwrap(); // ブロックのインデックスを取得する適切な方法を追加してください
let new_block = Block::new(latest_block.index + 1, latest_block.hash, transactions);
db.insert_block(&new_block).await;
}
ブロックチェーンシステムにおいてデータベースを使用することは、データの永続化、整合性、スケーラビリティを確保するために非常に重要である。Rustで独自のブロックチェーンを設計する際には、以下のポイントに注意してデータベースを統合する：
- データベースの選定：システムの要件に応じて適切なデータベースを選定する。
- データベースの設計：ブロック、トランザクションなどのデータモデルに基づいてデータベースを設計する。
- データベースの統合：ブロックチェーンの各機能（ブロック生成、トランザクション処理など）にデータベース操作を統合する。
- データの永続化と取得：ブロックやトランザクションデータをデータベースに保存し、必要に応じて取得する機能を実装する。
これにより、データの整合性と永続性を確保しつつ、高パフォーマンスなブロックチェーンシステムを構築できる。
いかがであろうか、まずは基本設計の最初である全体像を示し、最初のステップである要求分析から入っていきたい。最初の項目であるデータの一貫性と整合性について、決めていく項目が多すぎるので、一つずつ整理していきたい。