解析Bitcoin與Layer2資產(chǎn)跨鏈技術(shù)

2024年8月06日 11:41

原文標(biāo)題：AdaptorSignaturesandItsApplicationtoCross-ChainAtomicSwaps

原文鏈接：https://blog.bitlayer.org/Adaptor_Signatures_and_Its_Application_to_Cross-Chain_Atomic_Swaps/

作者：mutourend,lynndell1.引言

隨著BitcoinLayer2擴(kuò)容方案的快速發(fā)展，Bitcoin與其Layer2對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)之間的跨鏈資產(chǎn)轉(zhuǎn)移頻率顯著增加。這一趨勢(shì)受到Layer2技術(shù)（如Bitlayer）所提供的更高可擴(kuò)展性、更低的交易費(fèi)和高吞吐量的推動(dòng)。這些進(jìn)步促進(jìn)了更高效、更經(jīng)濟(jì)的交易，從而促進(jìn)Bitcoin在各種應(yīng)用中的更廣泛采用和集成。因此，Bitcoin與Layer2網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性正成為Crypto生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，推動(dòng)創(chuàng)新，并為用戶提供更多多樣化和強(qiáng)大的金融工具。

如表1所示，Bitcoin與Layer2之間的跨鏈交易有三個(gè)典型方案，分別為中心化跨鏈交易、BitVM跨鏈橋和跨鏈原子交換。這三個(gè)技術(shù)在信任假設(shè)、安全性、便捷性、交易額度等方面各不相同，能滿足不同的應(yīng)用需求。

表1.跨鏈交易技術(shù)對(duì)比

2.2ECDSA適配器簽名與原子交換

3.安全問題與解決方案3.1隨機(jī)數(shù)問題與解決方案3.1.1隨機(jī)數(shù)泄漏問題

Schnorr/ECDSA適配器簽名的預(yù)簽名均對(duì)隨機(jī)數(shù)$r$進(jìn)行承諾=rG。此外，零知識(shí)證明中對(duì)隨機(jī)數(shù)$v$進(jìn)行承諾$=vG,V=vY$。如果隨機(jī)數(shù)泄漏，則會(huì)導(dǎo)致私鑰泄漏。

具體而言，在Schnorr協(xié)議中，如果隨機(jī)數(shù)$r$泄漏，則能夠根據(jù)等式

$ =r+cx.$

計(jì)算出私鑰$x$。

同理，在ECDSA協(xié)議中，如果隨機(jī)數(shù)$r$泄漏，則能夠根據(jù)等式

$=r^{-1}(hash(m)+R_xx).$

計(jì)算私鑰出$x$。

最后，在零知識(shí)證明協(xié)議中，如果隨機(jī)數(shù)$v$泄漏，則能夠根據(jù)等式

$z:=v+cr.$

計(jì)算出隨機(jī)數(shù)$r$，從而進(jìn)一步根據(jù)隨機(jī)數(shù)$r$計(jì)算出私鑰$x$。因此，隨機(jī)數(shù)使用完后需立刻刪除。3.1.2隨機(jī)數(shù)重用問題

對(duì)任意兩個(gè)跨鏈交易，如果適配器簽名協(xié)議使用相同的隨機(jī)數(shù)，則會(huì)導(dǎo)致私鑰泄漏。具體而言，在Schnorr協(xié)議中，如果使用了相同的隨機(jī)數(shù)$r$，則以下方程組中僅$r$和$x$是未知的

$_1=r+c_1x,$

$_2=r+c_2x.$

因此，可以求解方程組，獲得私鑰$x$。

同理，在ECDSA適配器簽名協(xié)議中，如果使用相同的隨機(jī)數(shù)$r$，則以下方程組中僅$r$和$x$是未知的

$_1=r^{-1}(hash(m_1)+R_xx),$

$_2=r^{-1}(hash(m_2)+R_xx).$

因此，可以求解方程組，獲得私鑰$x$。

最后，在零知識(shí)證明協(xié)議中，如果使用相同的隨機(jī)數(shù)$v$，則以下方程組中僅$v$和$r$是未知的

$z_1=v+c_1r,$

$z_2=v+c_2r.$

因此，可以求解方程組，獲得隨機(jī)數(shù)$r$，從而進(jìn)一步解方程組獲得私鑰$x$。

以此類推，不同用戶使用相同的隨機(jī)數(shù)，也會(huì)泄漏私鑰。換言之，使用相同隨機(jī)數(shù)的兩個(gè)用戶，能夠求解方程組，獲得對(duì)方的私鑰。因此，應(yīng)使用RFC6979解決隨機(jī)數(shù)重用問題。3.1.3解決方案：RFC6979

RFC6979指定了一種使用DSA和ECDSA生成確定性數(shù)字簽名的方法，解決了與生成隨機(jī)值k相關(guān)的安全問題。傳統(tǒng)的DSA和ECDSA簽名依賴于每次簽名操作隨機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)k。如果此隨機(jī)數(shù)被重用或生成不當(dāng)，會(huì)危及私鑰的安全性。RFC6979通過從私鑰和待簽名消息中確定性地導(dǎo)出$k$，消除了生成隨機(jī)數(shù)的需求。這確保了使用相同私鑰簽署相同消息時(shí)，簽名總是相同的，從而增強(qiáng)了可重現(xiàn)性和可預(yù)測(cè)性。具體而言，確定性的$k$是由HMAC生成的。該過程涉及哈希函數(shù)（例如SHA256）對(duì)私鑰、消息和計(jì)數(shù)器計(jì)算哈希值，

$k=SHA256(sk,msg,counter).$

上述等式中，為表達(dá)簡(jiǎn)潔，僅對(duì)私鑰sk，消息msg和計(jì)數(shù)器counter計(jì)算哈希值，實(shí)際RFC6979中計(jì)算過程涉及更多的哈希計(jì)算。該等式確保k對(duì)每條消息都是唯一的，同時(shí)對(duì)于相同的輸入具有可重現(xiàn)性，并且減少了與弱或受損的隨機(jī)數(shù)生成器相關(guān)的私鑰暴露風(fēng)險(xiǎn)。因此，RFC6979為使用DSA和ECDSA的確定性數(shù)字簽名提供了一個(gè)強(qiáng)大的框架，解決了與隨機(jī)數(shù)生成相關(guān)的重大安全問題，并增強(qiáng)了數(shù)字簽名的可靠性和可預(yù)測(cè)性。這使其成為需要高安全性和符合嚴(yán)格操作要求的應(yīng)用程序的寶貴標(biāo)準(zhǔn)。Schnorr/ECDSA簽名存在隨機(jī)數(shù)缺陷，需要使用RFC6979進(jìn)行防范。因此，基于Schnorr/ECDSA的適配器簽名也存在這些問題，也需要使用RFC6979規(guī)范以解決這些問題。3.2跨鏈場(chǎng)景問題與解決方案3.2.1UTXO與賬戶模型系統(tǒng)異構(gòu)問題與解決方案

如圖1所示，Bitcoin采用UTXO模型，基于Secp256k1曲線實(shí)現(xiàn)原生的ECDSA簽名。Bitlayer為EVM兼容BitcoinL2鏈，采用Secp256k1曲線，支持原生的ECDSA簽名。適配器簽名實(shí)現(xiàn)了BTC交換所需的邏輯，而Bitlayer交換對(duì)應(yīng)方則由Ethereum智能合約的強(qiáng)大功能支撐。

基于適配器簽名的跨鏈原子交換，或至少是設(shè)計(jì)用于ECDSA曲線的semi-scriptless適配器簽名方案，與Ethereum不兼容。原因在于Ethereum是賬戶模型的，而不是UTXO模型。具體而言，基于適配器簽名的原子交換中要求退款交易必須預(yù)先簽名。但是，在Ethereum系統(tǒng)中，如果不知道nonce，則無(wú)法預(yù)先簽名交易。因此，一方可以在預(yù)先簽名完成和交易執(zhí)行之間發(fā)送交易——這將使預(yù)先簽名的交易無(wú)效（因?yàn)閚once已被使用，不能重復(fù)使用）。

此外，從隱私角度來(lái)看，這意味著Bitlayerswap的匿名性比HTLC更優(yōu)（swap的雙方都可找到合約）。但是，由于需要一方有公開合約，使得Bitlayerswap的匿名性低于適配器簽名的匿名性。在沒有合約的一方，swap交易看起來(lái)與任何其他交易都一樣。但是，在有EVM合約的一方，交易明顯是為了資產(chǎn)swap。雖然一方有公開合約，但是即使使用復(fù)雜的鏈分析工具，也不可能將其追溯到另一條鏈。

3.2.3不同曲線，適配器簽名不安全

假設(shè)Bitcoin使用Secp256k1曲線和ECDSA簽名，而Bitlayer使用ed25519曲線和Schnorr簽名。該情況下，不能使用適配器簽名。由于曲線不同，導(dǎo)致橢圓曲線群的階不同，即模系數(shù)不同。Bob在Bitcoin系統(tǒng)中將$y$適配到ECDSA簽名中時(shí)，即計(jì)算$s:=+y$。此時(shí)，$y$的取值空間為Secp256k1橢圓曲線群的標(biāo)量空間。隨后，Alice需要使用$y$在ed25519橢圓曲線群上進(jìn)行Schnorr簽名。但是，ed25519曲線余因子為8，且模系數(shù)不等于Secp256k1橢圓曲線群的模系數(shù)。因此，使用$y$在ed25519曲線上進(jìn)行Schnorr簽名是不安全的。4.數(shù)字資產(chǎn)托管應(yīng)用

數(shù)字資產(chǎn)托管有三個(gè)參與方，分別為：買方Alice、賣方Bob和托管方。使用適配器簽名能夠?qū)崿F(xiàn)非交互式門限數(shù)字資產(chǎn)托管，且在無(wú)需交互的情況下實(shí)例化門限支出策略的子集。該子集由2種參與者組成：參與初始化的參與者、不參與初始化的參與者，后者稱為托管方。托管方不能簽署任意交易，而只向支持的其中一方發(fā)送秘密。

一方面，托管人只能在幾個(gè)固定的結(jié)算交易中進(jìn)行選擇，而無(wú)法與其他參與方之一簽署新的交易。因此，這種秘密釋放機(jī)制使得非交互式門限托管的靈活性不如門限Schnorr簽名。另一方面，可以使用門限Schnorr簽名設(shè)置2-of-3花費(fèi)策略。但是，門限Schnorr簽名協(xié)議需要三方運(yùn)行進(jìn)行Decentralization密鑰生成協(xié)議。因此，基于適配器簽名的資產(chǎn)托管協(xié)議具有非交互優(yōu)勢(shì)。4.1基于適配器簽名的非交互式資產(chǎn)托管

圖3.基于適配器簽名的非交互式資產(chǎn)托管

如圖3所示，Alice和Bob想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)具有隱形策略的2-of-3交易輸出，其中包含一個(gè)托管方。取決于條件$c$，Alice或Bob可花費(fèi)該交易輸出。如果Alice和Bob之間存在爭(zhēng)議，則托管方（公鑰為$E$，私鑰為$e$）決定由Alice或Bob獲得該資產(chǎn)。

創(chuàng)建一個(gè)未簽名funding交易，將BTC發(fā)送給Alice和Bob之間的某2-of-2MuSigoutput。

Alice選擇一個(gè)隨機(jī)值$t_A$，將某交易的adapator為$t_A G$的Schnorr預(yù)簽名$(\hat{R}_A,\hat{s}_A)$發(fā)送給Bob，該交易為將fundingoutput發(fā)送給Bob。Alice同時(shí)給Bob發(fā)送一個(gè)密文，該密文包含對(duì)秘密$t_A$并將托管公鑰$E$調(diào)整為$E_c=E+hash(E,c)G$的\textbf{可驗(yàn)證加密}$C=Enc(E_c,t_A)$。該過程中，Bob收到Alice的預(yù)簽名后，加上自己的簽名，不滿足2-of-2MuSig，從而無(wú)法花費(fèi)fundingoutput。僅當(dāng)Bob知道$t_A$（由托管方可提供），或Alice另外簽署完整簽名發(fā)送給Bob，才能花費(fèi)fundingoutput。

與之相對(duì)應(yīng)，Bob基于其adaptorsecret$t_B$，重復(fù)步驟（2）。此時(shí)Bob所簽的交易為將fundingoutput發(fā)送給Alice。

Alice和Bob均驗(yàn)證接收密文的有效性，確認(rèn)密文是對(duì)$E_c$對(duì)秘密的加密，從而對(duì)funding交易簽署并廣播�？沈�(yàn)證加密使得在setup階段無(wú)需托管方參與，且不需要公開合約$c$。

當(dāng)有爭(zhēng)議時(shí)，Alice和Bob可將密文以及條件c發(fā)送給托管方，則托管方可實(shí)際情況判決，從而使用調(diào)整私鑰$e+hash(E,c)$進(jìn)行解密發(fā)送$t_A/t_B$給Bob/Alice。

如果無(wú)爭(zhēng)議，則Alice和Bob可按其所想來(lái)花費(fèi)2-of-2MuSigoutput。如果存在爭(zhēng)議，則任何一方均可聯(lián)系托管方，并請(qǐng)求其adaptorsecret$t_A$或$t_B$。因此，其中一方在托管方的幫助下，可完成該適配器簽名，并廣播該結(jié)算交易。4.2可驗(yàn)證加密

基于離散對(duì)數(shù)的經(jīng)典可驗(yàn)證加密方案（PracticalVerifiableEncryptionandDecryptionofDiscreteLogarithms）不能用于Secp256k1adaptors，因其僅支持驗(yàn)證特殊結(jié)構(gòu)化的groups。

目前，有2種有前景的方式來(lái)基于Secp256k1離散對(duì)數(shù)做可驗(yàn)證加密，分別為Purify和Juggling。

Purify最初是為了創(chuàng)建具有確定性nonce（DN）的MuSig協(xié)議而提出的，要求每個(gè)簽名者使用零知識(shí)證明其nonce是將偽隨機(jī)函數(shù)（PRF）正確應(yīng)用于公鑰和消息的結(jié)果。PurifyPRF可在Bulletproofs零知識(shí)協(xié)議的算術(shù)電路中高效實(shí)現(xiàn)，用于在Secp256k1上的離散對(duì)數(shù)創(chuàng)建可驗(yàn)證加密方案。換言之，使用zkSnark實(shí)現(xiàn)可驗(yàn)證加密。

Juggling加密包括四個(gè)步驟：（1）將離散對(duì)數(shù)$x$切分為多個(gè)長(zhǎng)為$l$的片段$x_k$，使得$x=\sum_k2^{(k-1)l}x_k$；（2）使用公鑰$Y$對(duì)片段$x_k G$進(jìn)行ElGamal加密$\{D_k,E_k\}=\{x_k G+r_k Y,r_k G\}$；（3）對(duì)每個(gè)$x_k G$創(chuàng)建范圍證明，證明$D_k$為一個(gè)Pedersen承諾$x_k G+r_k Y$，且其值小于$2^l$；（4）使用sigma協(xié)議，證明$\{sumD_k,sumE_k\}$是對(duì)$x_k G$的正確加密。

在解密過程中，對(duì)$\{D_k,E_k\}$解密出每個(gè)$x_k G$，然后窮舉搜索出$x_k$（取值范圍為$[0,2^l)$）。

Purify需在Bulletproofs內(nèi)執(zhí)行一個(gè)PRF，相對(duì)復(fù)雜，而Juggling理論上更簡(jiǎn)單。此外，二者在proofsize、證明時(shí)長(zhǎng)和驗(yàn)證時(shí)長(zhǎng)的差距很小。5.總結(jié)

本文對(duì)Schnorr/ECDSA適配器簽名與跨鏈原子交換的原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。深入分析了適配器簽名存在隨機(jī)數(shù)泄漏問題、重復(fù)問題，并提出使用RFC6979以解決這些問題。此外，詳細(xì)分析了跨鏈應(yīng)用場(chǎng)景下，不但應(yīng)考慮Blockchain的UTXO模型與賬戶模型之間的區(qū)別，還應(yīng)考慮適配器簽名是否支持不同算法、不同曲線等問題。最后，對(duì)適配器簽名進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)非交互式數(shù)字資產(chǎn)托管，并簡(jiǎn)單介紹了涉及的密碼學(xué)原語(yǔ)--可驗(yàn)證加密。

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