硬核:一文读懂比特币下一个重要技术 Taproot

巴比特 2019-01-25

原文标题:《Taproot:比特币下一阶段的重要技术》

不久之后,比特币用户们可能会从一种名为「Taproot」的技术中获益。该技术首先是由 Bitcoin Core 贡献者兼 Blockstream 前 CTO Gregory Maxwell 所提出的,它将扩展比特币智能合约的灵活性,同时提供更多的隐私性。

虽然这是一项非常大的工程,但它不仅仅是理论。几位最多产的比特币代码贡献者,包括 Pieter Wuille、Anthony Towns、Johnson Lau、Jonas Nick、Andrew Poelstra、Tim Ruffing、Rusty Russell 以及 Gregory Maxwell,他们正在研究一种称为 Schnorr 签名的方案,该方案将纳入 Taproot,据悉,这些升级内容都会在下一次协议更新中展现。

本文会简单介绍一下 Taproot 是什么,以及它的工作原理。

MAST

所有比特币基本上都是「锁定」在脚本当中的:其定义了币在下一笔交易中的使用方式。花费条件通常提供一个签名,以证明币的所有权。而其他众所周知的条件,包括时间锁(币只能在特定的区块高度或日期后使用)或多重签名(币只能在一组私钥中的一些私钥提供签名时才能使用)。

不同的条件可以进行混合和匹配,以创建复杂类型的智能合约。这种合约的一个例子是,如果艾丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)都签了字,或者艾丽丝一周后单独签了字,或者鲍勃单独签了字,同时还提供了一个秘密号码,那么币就可以被使用。这三个条件中的哪一个先得到满足,其使用的方式就会是相对应的那种。

自 2012 年以来,脚本(条件)一开始是不公开的,只有币的新 owner 知道如何使用。这是通过一个称为 P2SH (支付到脚本哈希)的技巧来完成的,最初只有脚本哈希包含在区块链当中。这个看似随机的数字负责保管币。当拥有者花费这些币时,它会同时展示整个脚本以及脚本的「解决方案」。然后,任何人都可以使用初始哈希来检查所提供的脚本,是否确实是锁定币的原始脚本,并可以立即得出满足脚本要求的结论。

尽管如此,当币用完时,目前有必要揭示所有可能的条件,包括不满足的条件。这有两个主要缺点。第一,它的数据量很大,特别是在有很多条件的情况下。第二,这不利于隐私。每个人都会学习各种不同的资金使用方法,例如,这些方法可以揭示使用了什么样的钱包,甚至更多的内容。

MAST (默克尔化抽象语法树)是一种提议解决方案,其使用了默克尔树(一种由密码学家拉尔夫·默克尔发明的紧凑数据结构)来解决这些缺点。简言之,所有可让资金可使用的不同条件,都单独进行了哈希(而不是组合成单个哈希),并包含在一棵默克尔树当中,最终生成单个哈希:Merkle 根,这个 Merkle 根「锁定」了币。

唯一的好处是,如果显示了默克尔树中的任何数据,则可使用 Merkle 根和一些附加数据(称为 Merkle 路径)来验证特定数据是否包含在默克尔树中。其余的默克尔树仍然是经哈希和隐藏的。

有了 MAST,这意味着只有满足的条件才需要被揭示。如果在上面的第一个例子中,爱丽丝在一周之后花费了这些资金,她只是揭示了这个条件(和默克尔路径)。没人知道这笔钱具体是怎样花的,它可能是爱丽丝和鲍勃一起花的,如果鲍勃加上一个秘密号码,在也可能是他一个人花的。这使得 MAST 比复杂的 P2SH 智能合约在数据处理上更具效率,同时增加了隐私性。

然而,使用 Schnorr 签名方案的情况下,Taproot 能够做得更好:因为交易可以隐藏 MAST 结构。

Schnorr 签名方案

Schnorr 签名方案一直是比特币开发者的关注焦点,目前他们正在开发这一方案,根据计划,该方案将通过软分叉的方式进行部署。在很多密码学家看来,Schnorr 签名方案在这一领域是最好的,因为它提供了很强的数学正确性,其不具交易延展性,它的验证速度也相对较快。

在比特币的背景下,Schnorr 签名方案的最显著优点是允许签名聚合:即同一笔交易中的几个签名可以组合成一个。类似的技巧也可以用于多签交易。将公钥和签名组合成「阈值公钥」和「阈值签名」,这就可使多签交易和任何常规交易变得无法区分。

这种签名方案也可以有更多有趣的使用方式。例如,可以使用数据来「调整」私钥和公钥。作为一个简化的例子,一个私钥及其对应的公钥可通过将两者相乘来进行调整。「私钥 x 2」和「公钥 x 2」仍然对应,「私钥 x 2」仍然可签署可用「公钥 x 2」验证的消息。任何对密钥对发生调整不知情的人,都不会看出异常。而被调整过的密钥,看起来和任何其他密钥对没有区别。

这就是启用 TapRoot 的原因。

Taproot

TapRoot 基于一个有趣的认识:无论多么复杂,几乎所有的 MAST 结构都可以(或应该)包含一个条件,其允许所有参与者就结果达成一致,并简单地一起签署一笔结算交易。在前面的例子中,如果鲍勃知道艾丽丝下周可以自己拿走所有的资金,他最好现在就与她一起签字。(在很多典型的智能合约设置中,如果他不这样做,他甚至会受到惩罚。这种复杂性,目的就是让每个人保持诚实。)

Tabroot 类似于 MAST,它总是会包含一个条件,这使得所有参与者都可以合作来花费资金。

而通过使用 Schnorr 签名,它会变得非常有趣。

首先,合作结算将利用 Schnorr 方案的阈值技巧,使它看起来像一笔正常的交易。因此,所有参与者的公钥被叠加到一起,从而导致「阈值公钥」。与这种阈值公钥相对应的是,所有参与者签名的组合(他们的「阈值签名」)允许他们花费资金。

到目前为止还不错,但把这些资金当作正常交易来花掉,是它们唯一能做的事(在没有 MAST 结构的情况下)。这就是 Schnorr 签名方案的另一个把戏。

所有可供选择的资金使用方式(非合作输出)被合并到不同的脚本。然后,这个脚本经哈希并用于调整阈值公钥。与前面示例中使用的「公钥 x 2」不同,这将导致「阈值公钥 x 脚本」(我们仍在简化)。此「阈值公钥 x 脚本」当然与「阈值签名 x 脚本」对应。

现在,如果资金是合作使用的,所有参与者都将他们的签名组合成「阈值签名」,并用脚本对其进行调整。产生的「阈值签名 x 脚本」允许他们花费资金。然而,重要的是,对于外部世界而言,所有的这些,看起来仍然像一个普通的公钥和一个常规的签名,即一笔常规的交易。

只有在合作结束(cooperative close)证明是不可能的情况下,才可以显示阈值公钥的实际情况:调整。

在这种情况下,将显示原始阈值公钥和脚本。这证明「阈值公钥 X 脚本」是用这个特定脚本进行调整的。因此,就像 P2SH 中的哈希值一样,这种调整向全世界证明了,如果满足脚本中指定的其他条件,资金就应该是可花费的。

或者,可使用默克尔树的 Merkle 根来调整阈值公钥,而不是使用脚本来调整阈值公钥,该 Merkle 根包含了可以使用资金的所有不同条件:即 MAST 结构。那么,要花掉这些资金,只需要揭示已满足的支出条件。

因此,Taproot 提供了 MAST 的所有好处,而在正常情况下,没有人会知道一笔常规交易隐藏了如此复杂的智能合约。

以上就是 Taproot 概念的简单介绍,其实施细节可能会有所不同。有关这种技术的更多详细信息,请阅读 GregoryMaxwell 的原始 Tabroot 提案,或者观看 Pieter Wuille 的 视频讲解

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