适配器签名及其在跨链原子交换中的应用

随着比特币Layer2扩容方案的快速发展，比特币与其Layer2网络之间的跨链资产转移频率显著增加。这一趋势受到Layer2技术提供的更高可扩展性、更低交易费和高吞吐量的推动。这些进步促进了更高效、更经济的交易，从而推动比特币在各种应用中的更广泛采用和集成。因此，比特币与Layer2网络之间的互操作性正成为加密货币生态系统的关键组成部分，推动创新并为用户提供更多样化和强大的金融工具。

比特币与Layer2之间的跨链交易有三个典型方案:中心化跨链交易、BitVM跨链桥和跨链原子交换。这三种技术在信任假设、安全性、便捷性、交易额度等方面各不相同，能满足不同的应用需求。

中心化跨链交易的优点在于速度快,撮合过程相对容易。然而,这种方法的安全性完全依赖于中心化机构的可靠性和信誉。如果中心化机构遭遇技术故障、恶意攻击或违约,则用户的资金面临较高的风险。此外,中心化跨链交易也可能泄漏用户隐私,需要用户慎重考虑。

BitVM跨链桥技术相对复杂。它引入了乐观挑战机制,所以技术较复杂。此外,乐观挑战机制涉及大量的挑战与响应交易,交易费较高。因此,BitVM跨链桥仅适用于超大额交易,使用频率较低。

跨链原子交换是一种实现去中心化加密货币交易的合约。它不涉及任何第三方,是去中心化、不受审查、具有较好的隐私保护、能实现高频跨链交易的技术,在去中心化交易所中广泛应用。

跨链原子交换主要包括基于哈希时间锁(HTLC)和基于适配器签名两种技术。基于HTLC的原子交换虽然是去中心化交换技术的重大突破,但存在用户隐私泄漏问题。基于适配器签名的原子交换相比HTLC有三个优势:取代了链上脚本,链上占用空间减少,费用更低;涉及的交易无法链接,实现隐私保护。

本文首先介绍Schnorr/ECDSA适配器签名与跨链原子交换原理。然后,分析适配器签名中存在的随机数安全问题和跨链场景中的系统异构和算法异构问题,并给出解决方案。最后,对适配器签名进行扩展应用,实现非交互式数字资产托管。

适配器签名与跨链原子交换

Schnorr适配器签名与原子交换

Schnorr适配器签名的过程如下:

1. Alice生成随机数r,计算R = rG
2. Alice计算c = H(X||R||m)
3. Alice计算s' = r + cx
4. Alice将(R,s')发送给Bob
5. Bob验证s'G = R + cX
6. Bob计算s = s' + y
7. (R,s)即为有效的Schnorr签名

基于Schnorr适配器签名的跨链原子交换过程如下:

1. Alice生成私钥x和公钥X = xG
2. Bob生成私钥y和公钥Y = yG
3. Alice创建交易TA,将资产锁定到X
4. Bob创建交易TB,将资产锁定到Y
5. Alice生成Schnorr适配器签名(R,s')
6. Bob验证适配器签名的有效性
7. Bob广播TB
8. Alice看到TB后,广播TA和完整签名(R,s)
9. Bob从完整签名中提取y,完成交易

ECDSA适配器签名与原子交换

ECDSA适配器签名的过程如下:

1. Alice生成随机数k,计算R = kG
2. Alice计算r = Rx mod n
3. Alice计算s' = k^(-1)(H(m) + rx) mod n
4. Alice将(R,s')发送给Bob
5. Bob验证s'G = R + r^(-1)H(m)X
6. Bob计算s = s' + y mod n
7. (r,s)即为有效的ECDSA签名

基于ECDSA适配器签名的跨链原子交换过程类似于Schnorr的过程。

问题与解决方案

随机数问题与解决方案

适配器签名存在随机数泄漏和重用问题,可能导致私钥泄漏。解决方案是使用RFC 6979,通过从私钥和待签名消息中确定性地导出随机数k,消除了生成随机数的需求。

跨链场景问题与解决方案

UTXO与账户模型系统异构问题:比特币采用UTXO模型,Bitlayer采用账户模型,导致无法在Bitlayer上预签退款交易。解决方案是在Bitlayer端使用智能合约实现原子交换。

相同曲线、不同算法的适配器签名是可证明安全的。但如果曲线不同,则不能使用适配器签名。

数字资产托管应用

基于适配器签名可以实现非交互式的数字资产托管,主要过程如下:

1. 创建未签名的funding交易
2. Alice和Bob分别生成适配器签名
3. 验证密文有效性并广播funding交易
4. 有争议时由托管方解密提供adaptor secret

可验证加密是实现非交互式托管的关键技术,主要有Purify和Juggling两种方案。

总结

本文详细介绍了适配器签名的原理、跨链应用中的问题与解决方案,以及在数字资产托管中的应用。适配器签名为跨链原子交换提供了一种高效、隐私保护的新方案,有望在去中心化交易等场景中发挥重要作用。