適配器籤名及其在跨鏈原子交換中的應用

隨着比特幣Layer2擴容方案的快速發展，比特幣與其Layer2網路之間的跨鏈資產轉移頻率顯著增加。這一趨勢受到Layer2技術提供的更高可擴展性、更低交易費和高吞吐量的推動。這些進步促進了更高效、更經濟的交易，從而推動比特幣在各種應用中的更廣泛採用和集成。因此，比特幣與Layer2網路之間的互操作性正成爲加密貨幣生態系統的關鍵組成部分，推動創新並爲用戶提供更多樣化和強大的金融工具。

比特幣與Layer2之間的跨鏈交易有三個典型方案:中心化跨鏈交易、BitVM跨鏈橋和跨鏈原子交換。這三種技術在信任假設、安全性、便捷性、交易額度等方面各不相同，能滿足不同的應用需求。

中心化跨鏈交易的優點在於速度快,撮合過程相對容易。然而,這種方法的安全性完全依賴於中心化機構的可靠性和信譽。如果中心化機構遭遇技術故障、惡意攻擊或違約,則用戶的資金面臨較高的風險。此外,中心化跨鏈交易也可能泄漏用戶隱私,需要用戶慎重考慮。

BitVM跨鏈橋技術相對復雜。它引入了樂觀挑戰機制,所以技術較復雜。此外,樂觀挑戰機制涉及大量的挑戰與響應交易,交易費較高。因此,BitVM跨鏈橋僅適用於超大額交易,使用頻率較低。

跨鏈原子交換是一種實現去中心化加密貨幣交易的合約。它不涉及任何第三方,是去中心化、不受審查、具有較好的隱私保護、能實現高頻跨鏈交易的技術,在去中心化交易所中廣泛應用。

跨鏈原子交換主要包括基於哈希時間鎖(HTLC)和基於適配器籤名兩種技術。基於HTLC的原子交換雖然是去中心化交換技術的重大突破,但存在用戶隱私泄漏問題。基於適配器籤名的原子交換相比HTLC有三個優勢:取代了鏈上腳本,鏈上佔用空間減少,費用更低;涉及的交易無法連結,實現隱私保護。

本文首先介紹Schnorr/ECDSA適配器籤名與跨鏈原子交換原理。然後,分析適配器籤名中存在的隨機數安全問題和跨鏈場景中的系統異構和算法異構問題,並給出解決方案。最後,對適配器籤名進行擴展應用,實現非交互式數字資產托管。

適配器籤名與跨鏈原子交換

Schnorr適配器籤名與原子交換

Schnorr適配器籤名的過程如下:

1. Alice生成隨機數r,計算R = rG
2. Alice計算c = H(X||R||m)
3. Alice計算s' = r + cx
4. Alice將(R,s')發送給Bob
5. Bob驗證s'G = R + cX
6. Bob計算s = s' + y
7. (R,s)即爲有效的Schnorr籤名

基於Schnorr適配器籤名的跨鏈原子交換過程如下:

1. Alice生成私鑰x和公鑰X = xG
2. Bob生成私鑰y和公鑰Y = yG
3. Alice創建交易TA,將資產鎖定到X
4. Bob創建交易TB,將資產鎖定到Y
5. Alice生成Schnorr適配器籤名(R,s')
6. Bob驗證適配器籤名的有效性
7. Bob廣播TB
8. Alice看到TB後,廣播TA和完整籤名(R,s)
9. Bob從完整籤名中提取y,完成交易

ECDSA適配器籤名與原子交換

ECDSA適配器籤名的過程如下:

1. Alice生成隨機數k,計算R = kG
2. Alice計算r = Rx mod n
3. Alice計算s' = k^(-1)(H(m) + rx) mod n
4. Alice將(R,s')發送給Bob
5. Bob驗證s'G = R + r^(-1)H(m)X
6. Bob計算s = s' + y mod n
7. (r,s)即爲有效的ECDSA籤名

基於ECDSA適配器籤名的跨鏈原子交換過程類似於Schnorr的過程。

問題與解決方案

隨機數問題與解決方案

適配器籤名存在隨機數泄漏和重用問題,可能導致私鑰泄漏。解決方案是使用RFC 6979,通過從私鑰和待籤名消息中確定性地導出隨機數k,消除了生成隨機數的需求。

跨鏈場景問題與解決方案

UTXO與帳戶模型系統異構問題:比特幣採用UTXO模型,Bitlayer採用帳戶模型,導致無法在Bitlayer上預籤退款交易。解決方案是在Bitlayer端使用智能合約實現原子交換。

相同曲線、不同算法的適配器籤名是可證明安全的。但如果曲線不同,則不能使用適配器籤名。

數字資產托管應用

基於適配器籤名可以實現非交互式的數字資產托管,主要過程如下:

1. 創建未籤名的funding交易
2. Alice和Bob分別生成適配器籤名
3. 驗證密文有效性並廣播funding交易
4. 有爭議時由托管方解密提供adaptor secret

可驗證加密是實現非交互式托管的關鍵技術,主要有Purify和Juggling兩種方案。

總結

本文詳細介紹了適配器籤名的原理、跨鏈應用中的問題與解決方案,以及在數字資產托管中的應用。適配器籤名爲跨鏈原子交換提供了一種高效、隱私保護的新方案,有望在去中心化交易等場景中發揮重要作用。