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    打浦路(Taproot)比你想的寬

    摘要:Anderson Li 1小時前 打浦路(Taproot)比你想的寬 要想

      Anderson Li

      打浦路(Taproot)比你想的寬

      要想理解 Taproot 升級的內容和想象空間,我們得先了解一些比特幣。

      分析

      作者:阿劍

      文章題目來自 Bitcoiner 熊越。

      比特幣的 Taproot 軟分叉升級將於比特幣區塊高度 709632 處(預計是 2021 年 11 月 15 日)激活。此次升級包含了許多重要而精彩的內容,然而,在中文世界裏卻缺乏足夠的重視。本文將從技術角度簡要介紹 Taproot 的升級內容,並以此體現比特幣的發展方向。

      常見的說法是,Taproot 提升了比特幣的隱私性、智能合約功能性、同質性,雲雲。但是,要想理解 Taproot 升級的內容和想象空間,我們得先了解一些比特幣。

      比特幣上的智能合約

      許多人不了解的是,比特幣也支持編程智能合約 2,只不過其智能合約的類型與其他區塊鏈(比如以太坊)的不同。詳細解釋這種區別需要專門的一篇文章,這種區別在這篇文章裏也不重要。這裏僅僅介紹比特幣智能合約編程的幾個常見的模塊 3,方便大家理解其應用場景:

    •   多籤名合約。比特幣支持多籤名授權使用資金:在 N 個記錄好的公鑰中,必須有 M 個公鑰所對應的私鑰(對同一個操作的)籤名,該筆資金才可動用。比特幣支持最多 15 個公鑰的多籤名合約。

    •   時間鎖。用戶可以使用兩種類型的時間鎖來規定一筆資金的可用時段:(1)CLTV,絕對時間鎖,以具體的時間或具體的區塊高度來定義,過了這個時間才可動用;(2)CSV,相對時間鎖,比如生成該項資金的交易上鏈的 1000 個區塊後,該筆資金才可動用。

    •   多條件編程。即在腳本中使用 “IF ... ELSE ...” 式的語句,爲同一筆資金設定多個解鎖條件,任一條件滿足即可使用該資金。比如:“A 公鑰所對應的私鑰可解鎖,或者,在區塊高度 XXXX 以後,B 公鑰所對應的私鑰可以解鎖,或者,在該交易上鏈的 YYYY 個區塊以後,A、B、C 三個公鑰中任意兩個所對應的私鑰可以解鎖”

      如讀者可以想象的,這幾個模塊看起來非常簡單,組合起來可能性卻非常多:多籤名合約定義了不同主體的權限,可以適應極爲豐富的應用場景,從公司運營,到家庭金庫;時間鎖則規定了不同主體在不同時段的權限。而多條件則顯著放大了這些權限控制的組合效果。

      你甚至僅憑幾個條件,就可以做出一個支持社交恢復、帶遺產分配效果的合約:“我(A 公鑰)可以控制這筆資金;如三個月無人動用,我(B 公鑰)和四個朋友,五取其三可以一起控制這筆資金;如果一年無人動用,我的妻子可以控制這筆資金”。

      但是,這些合約要實際上派上用場,兩個因素就不能忽視:效率性和隱私性。

      效率性的意思是,比特幣交易的手續費是根據交易的體積來計算的,更多條件的腳本會佔用更大的空間(以字節數計),交易費也會更高。

      隱私性的考量是,腳本曝光會使其他人知道某些公鑰之間是有身份關聯的,更容易分析出公鑰主人的真實身份。

      在當前,比特幣的合約體現爲 P2SH “地址”(實際上就是一條哈希值)。其特點是,在生成合約時,腳本可以不公開,有需要的直接給腳本的哈希值支付;但是,這些資金在花費時,與這個哈希值對應的腳本就要完全公開出來放到交易中(否則無以驗證這個腳本的哈希值正是這個哈希值)。以多籤名合約爲例,其他人可以直接給這個多籤名合約腳本的哈希值支付,但是,當多籤名合約的參與者要使用這些資金時,就必須把整個腳本公開 3。

      此外,在 SegWit 升級以前,單籤名的個人錢包與合約錢包是涇渭分明的,前者是 P2PKH 地址,後者是 P2SH 地址,僅從地址上就可以看出來,這又是一個對隱私不利的因素。在 SegWit 升級之後,支持隔離見證的個人錢包也可採取 P2SH 的形式,但原生隔離見證地址(P2WPKH)和合約地址(P2WSH)仍然是涇渭分明的 4。

      了解了這些以後,讓我們來看看 Taproot 升級的三大部分(MAST、Schnorr 籤名、Taproot)如何做得更好。

      默克爾抽象語法樹(MAST)

      默克爾化抽象語法樹(Merklized Abstract Syntax Trees, MAST)5 的含義是,在比特幣的腳本驗證中支持驗證默克爾證據。

      默克爾樹是將多個數據元素哈希成一個哈希值的密碼學方法。其結構和哈希函數的特點決定了,可以提供一些證據(哈希值)來證明,某個數據元素參與生成了這個哈希值。如下圖所示:我們將(相鄰的)數據元素兩兩不斷哈希,最終生成一個默克爾根。

      同理,如下圖,當我要證明紅色數據 “Banana” 參與生成了紫色的哈希值(默克爾根)時,我只需提供紅色數據和三個綠色的哈希值就可以了,無需曝光實際上共同生成了默克爾根的其餘 7 個元素。這就是默克爾樹和默克爾證據的作用。

      Individual Merkle proofs for Banana, Peach and Kumquat

      聰明的讀者一定想到了,有了這個功能,合約的編寫者就可以把多個條件劃爲不同的數據元素,哈希出一個默克爾根值來;在需要以某個條件來解鎖比特幣時,只需證明這個條件在這棵默克爾樹上即可,無需公開所有其他條件。

      沒錯,這正是 MAST 的妙用。如下圖所示,這筆資金的解鎖條件有兩個,而編寫者把它們分割了開來,用默克爾樹抽象成了一個哈希值,在以任一個條件解鎖使用時,都不需要公開另一個。

      MAST 在 P2SH 的基礎上邁出了一大步,其提升效果首先體現在隱私性上:原本在 P2SH 中,合約在使用時就一定要公開全部的腳本內容,不論那些內容用到沒用到,都必須公開;現在,有了 MAST,用戶就只需要公開需要用到的解鎖條件,無需公開全部內容了;同時,別人也根本不知道你還有多少個條件。

      其次,它還在效率上有所提升:用戶只需提供需要用到的部分腳本,及其默克爾證據,在整個腳本比較龐大時,這種體積節約的效果會非常明顯。

      由此,未來的比特幣用戶可以編寫條件非常多的合約,獲得更好的控制效果而只需支付更少的手續費;甚至,可以有意包含一些垃圾條件來充實默克爾樹,獲得隱私提升的效果。

      這也是本篇副標題 “哈希即銀行” 的由來:比特幣的腳本實際上全部圍繞着資金的控制,實現這種控制的關鍵一環正是多條件,而有了 MAST,即使是極多條件的資產管理腳本,也可以壓縮成一個哈希值,在使用時僅需暴露一部分。成本的降低可以打開非常多的可能性,等待錢包開發者去一探究竟。

      Schnorr 籤名

      Taproot 升級之後,比特幣將不僅支持基於橢圓曲線的密碼學籤名,還支持 Schnorr 數字籤名方案 6。

      Schnorr 籤名的構造方法在此不提,我們僅介紹其重要屬性:籤名/密鑰 聚合 —— 多個私鑰的籤名,可以聚合成一個籤名,看起來仿佛是一把私鑰籤出的。籤名時,仍然是各私鑰持有者各自籤名的;驗籤時,卻仿佛這些籤名是一把對應於已知公鑰(當然就是這些參與者的公鑰聚合而成的公鑰)的私鑰籤出的。

      也就是說,有了 Schnorr 籤名,其他人就無法分辨一個籤名到底是單人籤出的,還是多人共同籤出的了;多籤名的解鎖條件,可以用一個聚合公鑰來替代。所有 n-n 的多籤名合約,都可以享受到 Schnorr 籤名提供的隱私保護。其最顯然的應用就是閃電網絡通道,因爲閃電網絡通道是一個 2-2 的多籤名合約;此後,其他人就無法憑借籤名的數量來分辨支付通道和個人用戶了。

      至於 m-n 的多籤名合約,也不用擔心,別忘了我們有 MAST:我們可以把所有可能解鎖的情形都化成一個分支,在使用某個分支時,所提供的籤名也只需是聚合籤名。例如,假設我們要做一個 2-3 的多籤名合約,在公鑰 A、B、C 中三取其二,這個多籤名合約效果等同於 “要麼(A、B)解鎖、要麼(B、C)解鎖、要麼(A、C)解鎖”,這可以理解爲一個多條件的腳本,每個條件都是一個 2-2 多籤名,因此也都可以用相應的聚合公鑰來定義解鎖條件(而無需以多籤名來定義)。所以,當我們需要以某種組合解鎖資金時,只需用 MAST 暴露一個分支、提供一個籤名,他人依然不知道這到底是一個人,還是兩個人,還是多個人。

      還沒完呢。

      Taproot

      按我們這種理解的路徑,Taproot 升級的最後一個部分就是 Taproot,是其名字的由來。在提出這個概念時,Gregory Maxwell 寫道 7:

      在討論默克爾化腳本時,一個大家常常提起的問題是,我們能否實現一種精巧的合約,使其與最常見、最無聊的支付沒有分別。不然的話,使用這些時髦技術的輸出的匿名集,也就是另一個小衆集合而已,在實踐中沒有多大的意義。

      在這裏,Maxwell 敏銳地抓住了問題的要點:比特幣的隱私保障來自於 “大隱隱於市”,最好所有的資金單元(UTXO)看起來都一個樣,這樣用戶的真實身份、真實構成才最難把握。但是,在引入新的功能時,總免不了要提出新的 “地址” 類型,如果使用這種功能的用戶很少,則每一個用戶暴露真實身份的可能性都會大大增加,而這一點可能導致這些新功能根本不會被使用,從而失去意義。

      而且,盡管 MAST 在合約的隱私性上有重大作用,但如果還像過去那樣,個人錢包是個人錢包,合約錢包是合約錢包,一目了然的話,就不能不說,這樣的隱私性仍然是有瑕疵的。

      人們亟需一種辦法,來終結這種 個人錢包/合約錢包 的區分,爲比特幣的隱私性補上點睛之筆。爲此,最起碼要實現的一點是,這種帶有合約的錢包,在用戶個人日常使用中,其代價與普通的個人錢包沒有區別(經濟性)。

      Taproot 就是這樣的一種辦法,它利用了密鑰聚合的特點,提出了自帶兩種使用路徑的腳本模式:一種是 n-n 的多籤名合約;另一種是用戶自定義的合約腳本。

      沿用 Maxwell 原文中的例子:假設兩個用戶各有公鑰 A、B,兩人聚合公鑰 A + B = C,再生成最終公鑰 P = C + H(C||S)*G,其中 S 爲自定義的腳本。就以這個最終公鑰 P 來定義資金的解鎖條件。假設兩個用戶都在線,他們很容易可以共同使用這筆資金,只要其中一方在籤名時在自己的私鑰裏加上 H(C||S) 即可;如果只有其中一方在線,比如 S 定義了 B 可以花費資金的條件,Taproot 的規則使得公鑰 B 用戶可通過揭示聚合公鑰 P 以及 H(C||S) 並提供可以滿足 S 的條件來使用資金。

      這裏用的是 2-2 多籤名合約,但用戶可以想到,只要密鑰聚合的技術可用,1-1 也就是單籤名同樣可以利用這種編寫腳本的辦法。重要的是:(1)盡管這是一個帶有自定義合約的資金,但在不動用合約、僅使用 n-n 多籤名時,其手續費成本與單籤名解鎖的資金沒有區別!(2)在 n-n 多籤名使用時,他人完全不知道這筆資金還可以用其他方式來解鎖使用!

      這樣一來,個人用戶和合約用戶都可以統一在一種腳本模式(P2TR “地址”)下,個人用戶放心給自己的資金加上合約,無需擔心日常會付出更高的手續費代價;合約用戶與個人用戶因爲使用同一種 “地址” 而享受到更大的匿名集,甚至於在大部分情況下都無需暴露自己使用了合約。皆大歡喜。

      總而言之,在 Taproot 之後,他人將無法從地址形式上分辨一個 P2TR 地址到底是個人用戶還是合約用戶;由於 Schnorr 籤名的效果,當這個地址裏的資金使用單籤名來解鎖時,他人將無法分辨這到底是一個人在使用,還是 n 個人一起使用,也無法知道這個地址是否還有自定義的腳本;由於 MAST 的效果,當用戶使用自定義的腳本來花費資金時,只需暴露需要用到的部分腳本;他人雖然知道了這個地址有自定義的腳本,但整個腳本到底包括哪些條件,仍然是不可知的。

      因此,盡管有人質疑 Taproot 可能反過來給比特幣的隱私性帶來損害 7,但我完全不這麼擔心。因爲 Taproot “地址” 在便利性、隱私性、經濟性上,都已毫無疑問是比特幣史上最佳,它完全有希望可以統一比特幣的 “地址” 類型,形成比特幣有史以來最大的匿名集。

      結語

      對於了解一些密碼學技術的人來說,學習比特幣的開發和升級是很愉快,乃至令人眼界大開的事。在其升級中,你可以看到人們孜孜不倦地使用密碼學來不斷優化這個系統 —— 得益於這個系統本身的模塊化特性,這些優化都真實可感。Taproot 正是其中的代表。

      我相信,學習比特幣(尤其是 Taproot)的過程會告訴讀者,什麼才是真正的 “密碼學貨幣”。

      Taproot 可能是比特幣歷史上最重要的一次升級,將造就有史以來最純粹的密碼學貨幣 —— 將密碼學利用到極致、最輕量、生命力最頑強的貨幣。

      腳注:

    •   比特幣升級提案 Taproot 技術解讀,https://www.btcstudy.org/2021/09/29/bitcoin-taproot-a-technical-explanation/

    •   Bitcoin Wiki·智能合約,https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_contract

    •   精通比特幣中譯本·第七章:高級交易和腳本,https://github.com/tianmingyun/MasterBitcoin2CN/blob/master/ch07.md

    •   Types of Bitcoin transactions - Part II Segwit,https://blog.susanka.eu/types-of-bitcoin-transactions-part-ii-segwit/

    •   什麼是比特幣默克爾化抽象語法樹,https://www.btcstudy.org/2021/09/07/what-is-a-bitcoin-merklized-abstract-syntax-tree-mast/

    •   Schnorr 籤名如何提升比特幣,https://www.btcstudy.org/2021/09/09/how-schnorr-signatures-may-improve-bitcoin/

    •   Taproot: Privacy preserving switchable scripting,https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/bitcoin-dev/2018-January/015614.html

    •   用大白話解釋 Taproot 對隱私性的影響,https://www.btcstudy.org/2021/09/23/explain-like-im-not-a-developer-taproot-privacy/

    •   來源:橙皮書

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