比特币的打浦路(Taproot)比你想的宽

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本文将从技术角度简要介绍 Taproot 的升级内容,并以此体现比特币的发展方向。

原文标题:《打浦路(Taproot)比你想的宽》

作者:阿剑

原文题目来自:Bitcoiner 熊越

比特币的 Taproot 软分叉升级将于比特币区块高度 709632 处(预计是 2021 年 11 月 15 日)激活。此次升级包含了许多重要而精彩的内容,然而,在中文世界里却缺乏足够的重视。本文将从技术角度简要介绍 Taproot 的升级内容,并以此体现比特币的发展方向。

常见的说法是,Taproot 提升了比特币的隐私性、智能合约功能性、同质性,云云。但是,要想理解 Taproot 升级的内容和想象空间,我们得先了解一些比特币。

比特币上的智能合约

许多人不了解的是,比特币也支持编程智能合约 2,只不过其智能合约的类型与其他区块链(比如以太坊)的不同。详细解释这种区别需要专门的一篇文章,这种区别在这篇文章里也不重要。这里仅仅介绍比特币智能合约编程的几个常见的模块 3,方便大家理解其应用场景:

  • 多签名合约。比特币支持多签名授权使用资金:在 N 个记录好的公钥中,必须有 M 个公钥所对应的私钥(对同一个操作的)签名,该笔资金才可动用。比特币支持最多 15 个公钥的多签名合约。
  • 时间锁。用户可以使用两种类型的时间锁来规定一笔资金的可用时段:(1)CLTV,绝对时间锁,以具体的时间或具体的区块高度来定义,过了这个时间才可动用;(2)CSV,相对时间锁,比如生成该项资金的交易上链的 1000 个区块后,该笔资金才可动用。
  • 多条件编程。即在脚本中使用 “IF ... ELSE ...” 式的语句,为同一笔资金设定多个解锁条件,任一条件满足即可使用该资金。比如:“A 公钥所对应的私钥可解锁,或者,在区块高度 XXXX 以后,B 公钥所对应的私钥可以解锁,或者,在该交易上链的 YYYY 个区块以后,A、B、C 三个公钥中任意两个所对应的私钥可以解锁”

如读者可以想象的,这几个模块看起来非常简单,组合起来可能性却非常多:多签名合约定义了不同主体的权限,可以适应极为丰富的应用场景,从公司运营,到家庭金库;时间锁则规定了不同主体在不同时段的权限。而多条件则显著放大了这些权限控制的组合效果。

你甚至仅凭几个条件,就可以做出一个支持社交恢复、带遗产分配效果的合约:“我(A 公钥)可以控制这笔资金;如三个月无人动用,我(B 公钥)和四个朋友,五取其三可以一起控制这笔资金;如果一年无人动用,我的妻子可以控制这笔资金”。

但是,这些合约要实际上派上用场,两个因素就不能忽视:效率性和隐私性。

效率性的意思是,比特币交易的手续费是根据交易的体积来计算的,更多条件的脚本会占用更大的空间(以字节数计),交易费也会更高。

隐私性的考量是,脚本曝光会使其他人知道某些公钥之间是有身份关联的,更容易分析出公钥主人的真实身份。

在当前,比特币的合约体现为 P2SH “地址”(实际上就是一条哈希值)。其特点是,在生成合约时,脚本可以不公开,有需要的直接给脚本的哈希值支付;但是,这些资金在花费时,与这个哈希值对应的脚本就要完全公开出来放到交易中(否则无以验证这个脚本的哈希值正是这个哈希值)。以多签名合约为例,其他人可以直接给这个多签名合约脚本的哈希值支付,但是,当多签名合约的参与者要使用这些资金时,就必须把整个脚本公开 3。

此外,在 SegWit 升级以前,单签名的个人钱包与合约钱包是泾渭分明的,前者是 P2PKH 地址,后者是 P2SH 地址,仅从地址上就可以看出来,这又是一个对隐私不利的因素。在 SegWit 升级之后,支持隔离见证的个人钱包也可采取 P2SH 的形式,但原生隔离见证地址(P2WPKH)和合约地址(P2WSH)仍然是泾渭分明的 4。

了解了这些以后,让我们来看看 Taproot 升级的三大部分(MAST、Schnorr 签名、Taproot)如何做得更好。

默克尔抽象语法树(MAST)

默克尔化抽象语法树(Merklized Abstract Syntax Trees, MAST)5 的含义是,在比特币的脚本验证中支持验证默克尔证据。

默克尔树是将多个数据元素哈希成一个哈希值的密码学方法。其结构和哈希函数的特点决定了,可以提供一些证据(哈希值)来证明,某个数据元素参与生成了这个哈希值。如下图所示:我们将(相邻的)数据元素两两不断哈希,最终生成一个默克尔根。

公钥

3

同理,如下图,当我要证明红色数据 “Banana” 参与生成了紫色的哈希值(默克尔根)时,我只需提供红色数据和三个绿色的哈希值就可以了,无需曝光实际上共同生成了默克尔根的其余 7 个元素。这就是默克尔树和默克尔证据的作用。

公钥

Individual Merkle proofs for Banana, Peach and Kumquat

聪明的读者一定想到了,有了这个功能,合约的编写者就可以把多个条件划为不同的数据元素,哈希出一个默克尔根值来;在需要以某个条件来解锁比特币时,只需证明这个条件在这棵默克尔树上即可,无需公开所有其他条件。

没错,这正是 MAST 的妙用。如下图所示,这笔资金的解锁条件有两个,而编写者把它们分割了开来,用默克尔树抽象成了一个哈希值,在以任一个条件解锁使用时,都不需要公开另一个。

公钥

005.png

MAST 在 P2SH 的基础上迈出了一大步,其提升效果首先体现在隐私性上:原本在 P2SH 中,合约在使用时就一定要公开全部的脚本内容,不论那些内容用到没用到,都必须公开;现在,有了 MAST,用户就只需要公开需要用到的解锁条件,无需公开全部内容了;同时,别人也根本不知道你还有多少个条件。

其次,它还在效率上有所提升:用户只需提供需要用到的部分脚本,及其默克尔证据,在整个脚本比较庞大时,这种体积节约的效果会非常明显。

由此,未来的比特币用户可以编写条件非常多的合约,获得更好的控制效果而只需支付更少的手续费;甚至,可以有意包含一些垃圾条件来充实默克尔树,获得隐私提升的效果。

这也是本篇副标题 “哈希即银行” 的由来:比特币的脚本实际上全部围绕着资金的控制,实现这种控制的关键一环正是多条件,而有了 MAST,即使是极多条件的资产管理脚本,也可以压缩成一个哈希值,在使用时仅需暴露一部分。成本的降低可以打开非常多的可能性,等待钱包开发者去一探究竟。

Schnorr 签名

Taproot 升级之后,比特币将不仅支持基于椭圆曲线的密码学签名,还支持 Schnorr 数字签名方案 6。

Schnorr 签名的构造方法在此不提,我们仅介绍其重要属性:签名/密钥 聚合 —— 多个私钥的签名,可以聚合成一个签名,看起来仿佛是一把私钥签出的。签名时,仍然是各私钥持有者各自签名的;验签时,却仿佛这些签名是一把对应于已知公钥(当然就是这些参与者的公钥聚合而成的公钥)的私钥签出的。

也就是说,有了 Schnorr 签名,其他人就无法分辨一个签名到底是单人签出的,还是多人共同签出的了;多签名的解锁条件,可以用一个聚合公钥来替代。所有 n-n 的多签名合约,都可以享受到 Schnorr 签名提供的隐私保护。其最显然的应用就是闪电网络通道,因为闪电网络通道是一个 2-2 的多签名合约;此后,其他人就无法凭借签名的数量来分辨支付通道和个人用户了。

至于 m-n 的多签名合约,也不用担心,别忘了我们有 MAST:我们可以把所有可能解锁的情形都化成一个分支,在使用某个分支时,所提供的签名也只需是聚合签名。例如,假设我们要做一个 2-3 的多签名合约,在公钥 A、B、C 中三取其二,这个多签名合约效果等同于 “要么(A、B)解锁、要么(B、C)解锁、要么(A、C)解锁”,这可以理解为一个多条件的脚本,每个条件都是一个 2-2 多签名,因此也都可以用相应的聚合公钥来定义解锁条件(而无需以多签名来定义)。所以,当我们需要以某种组合解锁资金时,只需用 MAST 暴露一个分支、提供一个签名,他人依然不知道这到底是一个人,还是两个人,还是多个人。

还没完呢。

Taproot

按我们这种理解的路径,Taproot 升级的最后一个部分就是 Taproot,是其名字的由来。在提出这个概念时,Gregory Maxwell 写道 7

在讨论默克尔化脚本时,一个大家常常提起的问题是,我们能否实现一种精巧的合约,使其与最常见、最无聊的支付没有分别。不然的话,使用这些时髦技术的输出的匿名集,也就是另一个小众集合而已,在实践中没有多大的意义。

在这里,Maxwell 敏锐地抓住了问题的要点:比特币的隐私保障来自于 “大隐隐于市”,最好所有的资金单元(UTXO)看起来都一个样,这样用户的真实身份、真实构成才最难把握。但是,在引入新的功能时,总免不了要提出新的 “地址” 类型,如果使用这种功能的用户很少,则每一个用户暴露真实身份的可能性都会大大增加,而这一点可能导致这些新功能根本不会被使用,从而失去意义。

而且,尽管 MAST 在合约的隐私性上有重大作用,但如果还像过去那样,个人钱包是个人钱包,合约钱包是合约钱包,一目了然的话,就不能不说,这样的隐私性仍然是有瑕疵的。

人们亟需一种办法,来终结这种 个人钱包/合约钱包 的区分,为比特币的隐私性补上点睛之笔。为此,最起码要实现的一点是,这种带有合约的钱包,在用户个人日常使用中,其代价与普通的个人钱包没有区别(经济性)。

Taproot 就是这样的一种办法,它利用了密钥聚合的特点,提出了自带两种使用路径的脚本模式:一种是 n-n 的多签名合约;另一种是用户自定义的合约脚本。

沿用 Maxwell 原文中的例子:
假设两个用户各有公钥 A、B,两人聚合公钥 A + B = C,再生成最终公钥 P = C + H(C||S)*G,其中 S 为自定义的脚本。就以这个最终公钥 P 来定义资金的解锁条件。
假设两个用户都在线,他们很容易可以共同使用这笔资金,只要其中一方在签名时在自己的私钥里加上 H(C||S) 即可;
如果只有其中一方在线,比如 S 定义了 B 可以花费资金的条件,Taproot 的规则使得公钥 B 用户可通过揭示聚合公钥 P 以及 H(C||S) 并提供可以满足 S 的条件来使用资金。

这里用的是 2-2 多签名合约,但用户可以想到,只要密钥聚合的技术可用,1-1 也就是单签名同样可以利用这种编写脚本的办法。重要的是:(1)尽管这是一个带有自定义合约的资金,但在不动用合约、仅使用 n-n 多签名时,其手续费成本与单签名解锁的资金没有区别!(2)在 n-n 多签名使用时,他人完全不知道这笔资金还可以用其他方式来解锁使用!

这样一来,个人用户和合约用户都可以统一在一种脚本模式(P2TR “地址”)下,个人用户放心给自己的资金加上合约,无需担心日常会付出更高的手续费代价;合约用户与个人用户因为使用同一种 “地址” 而享受到更大的匿名集,甚至于在大部分情况下都无需暴露自己使用了合约。皆大欢喜。

总而言之,在 Taproot 之后,他人将无法从地址形式上分辨一个 P2TR 地址到底是个人用户还是合约用户;由于 Schnorr 签名的效果,当这个地址里的资金使用单签名来解锁时,他人将无法分辨这到底是一个人在使用,还是 n 个人一起使用,也无法知道这个地址是否还有自定义的脚本;由于 MAST 的效果,当用户使用自定义的脚本来花费资金时,只需暴露需要用到的部分脚本;他人虽然知道了这个地址有自定义的脚本,但整个脚本到底包括哪些条件,仍然是不可知的。

因此,尽管有人质疑 Taproot 可能反过来给比特币的隐私性带来损害 7,但我完全不这么担心。因为 Taproot “地址” 在便利性、隐私性、经济性上,都已毫无疑问是比特币史上最佳,它完全有希望可以统一比特币的 “地址” 类型,形成比特币有史以来最大的匿名集。

结语

对于了解一些密码学技术的人来说,学习比特币的开发和升级是很愉快,乃至令人眼界大开的事。在其升级中,你可以看到人们孜孜不倦地使用密码学来不断优化这个系统 —— 得益于这个系统本身的模块化特性,这些优化都真实可感。Taproot 正是其中的代表。

我相信,学习比特币(尤其是 Taproot)的过程会告诉读者,什么才是真正的 “密码学货币”。

Taproot 可能是比特币历史上最重要的一次升级,将造就有史以来最纯粹的密码学货币 —— 将密码学利用到极致、最轻量、生命力最顽强的货币。

致谢

感谢 @hou123,@曾汨 对本文的富有教益的反馈。

脚注:

  1. 比特币升级提案 Taproot 技术解读,https://www.btcstudy.org/2021/09/29/bitcoin-taproot-a-technical-explanation/
  2. Bitcoin Wiki·智能合约,https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_contract
  3. 精通比特币中译本·第七章:高级交易和脚本,https://github.com/tianmingyun/MasterBitcoin2CN/blob/master/ch07.md
  4. Types of Bitcoin transactions - Part II Segwit,https://blog.susanka.eu/types-of-bitcoin-transactions-part-ii-segwit/
  5. 什么是比特币默克尔化抽象语法树,https://www.btcstudy.org/2021/09/07/what-is-a-bitcoin-merklized-abstract-syntax-tree-mast/
  6. Schnorr 签名如何提升比特币,https://www.btcstudy.org/2021/09/09/how-schnorr-signatures-may-improve-bitcoin/
  7. Taproot: Privacy preserving switchable scripting,https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/bitcoin-dev/2018-January/015614.html
  8. 用大白话解释 Taproot 对隐私性的影响,https://www.btcstudy.org/2021/09/23/explain-like-im-not-a-developer-taproot-privacy/

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