區(qū)塊鏈知識(shí):Schnorr 簽名如何提升比特幣
在閱讀 Blockstream 撰寫(xiě)的 MuSig 論文時(shí)，我一直在想象，這對(duì)于我一個(gè)比特幣用戶來(lái)說(shuō)，到底意味著什么。我發(fā)現(xiàn) Schnorr 簽名的一些特性實(shí)在是非常棒而且便利，但某一些特性則非常煩人。在這篇文章里，我希望能跟各位分享我的想法。不過(guò)，我們先快速回顧一下。
橢圓曲線簽名算法
當(dāng)前比特幣的所有權(quán)體系用的是 ECDSA（橢圓曲線簽名算法）。在簽名一條消息 $m$ 時(shí)，我們先哈希這條消息，得出一個(gè)哈希值，即 $z = hash(m)$ 。我們也需要一個(gè)隨機(jī)數(shù)（或者至少看似隨機(jī)的數(shù)）$k$ 。在這里，我們不希望信任隨機(jī)數(shù)生成器（有太多的錯(cuò)誤和漏洞都與不合格的隨機(jī)數(shù)生成器有關(guān)），所以我們通常使用 RFC6979，基于我們所知的一個(gè)秘密值和我們要簽名的消息，計(jì)算出一個(gè)確定性的 k。
使用私鑰 $pk$ ，我們可以為消息 $m$ 生成一個(gè)簽名，簽名由兩個(gè)數(shù)組成：$r$（隨機(jī)點(diǎn) $R = k * G$ 的 x 坐標(biāo)）和 $s = (z + r*pk)/k$。
然后，使用我們的公鑰 $P = pk * G$ ，任何人都可以驗(yàn)證我們的簽名，也就是檢查 $(z/s)×G+(r/s)×P$ 的 x 坐標(biāo)確為 $r$。
- ECDSA 算法圖解。為便于說(shuō)明，橢圓曲線作在實(shí)數(shù)域上 -
這種算法是很常見(jiàn)的，也非常好用。但還有提升空間。首先，簽名的驗(yàn)證包含除法（$1/s$）和兩次點(diǎn)乘法，而這些操作的計(jì)算量都非常大。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要驗(yàn)證每一筆交易，所以當(dāng)你在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出一筆交易時(shí)，全網(wǎng)幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)都要驗(yàn)證你的簽名。因此，即使簽名的過(guò)程開(kāi)銷變得更大，讓驗(yàn)證簽名變得更簡(jiǎn)單也還是非常有好處的。
其次，節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證簽名時(shí)，每個(gè)簽名都要單獨(dú)驗(yàn)證。在一個(gè) m-n 的多簽交易中，節(jié)點(diǎn)必須多次驗(yàn)證同一個(gè)簽名。比如一筆 7-11 的多簽名交易，里面包含了 7 個(gè)簽名，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要分別驗(yàn)證 7 個(gè)簽名。另外，這種交易的體積也非常大，用戶必須為此付出多得多的手續(xù)費(fèi)。
Schnorr 簽名
Schnorr 簽名的生成方式有些許不同。它不是兩個(gè)標(biāo)量 $(r, s)$，而是一個(gè)點(diǎn) $R$ 和一個(gè)標(biāo)量 $s$ 。類似于 ECDSA 簽名，R 是一個(gè)橢圓曲線上的隨機(jī)點(diǎn) $R = k * G$。而簽名的第二部分 s 的計(jì)算過(guò)程也有一些不同： $s = k + hash(P,R,m) ⋅ pk$ 。這里 pk 就是你的私鑰，而 $P = pk * G$ 是你的公鑰，m 就是那條消息。驗(yàn)證過(guò)程是檢查 $s * G = R + hash(P,R,m) * P$。
- 圖解 Schnorr 簽名和驗(yàn)證 -
這個(gè)等式是線性的，所以多個(gè)等式可以相加相減而等號(hào)仍然成立。這給我們帶來(lái)了 Schnorr 簽名的多種良好特性。
1. 批量驗(yàn)證
在驗(yàn)證區(qū)塊鏈上的一個(gè)區(qū)塊時(shí)，我們需要驗(yàn)證區(qū)塊中所有交易的簽名都是有效的。如果其中一個(gè)是無(wú)效的，無(wú)論是哪一個(gè) —— 我們都必須拒絕掉整個(gè)區(qū)塊。
ECDSA 的每一個(gè)簽名都必須專門驗(yàn)證，意味著如果一個(gè)區(qū)塊中包含 1000 條簽名，那我們就需要計(jì)算 1000 次除法和 2000 次點(diǎn)乘法，總計(jì)約 3000 次繁重的運(yùn)算。
但有了 Schnorr 簽名，我們可以把所有的簽名驗(yàn)證等式加起來(lái)并節(jié)省一些計(jì)算量。在一個(gè)包含 1000 筆交易的區(qū)塊中，我們可以驗(yàn)證：
$(s1+s2+…+s1000) × G=(R1+…+R1000)+(hash(P1,R1,m1)×P1+ hash(P2,R2,m2)×P2+…+hash(P1000,R1000,m1000)×P1000)$
這里就是一連串的點(diǎn)加法（從計(jì)算機(jī)運(yùn)算的角度看，簡(jiǎn)直是免費(fèi)的）和 1001 次點(diǎn)乘法。已經(jīng)是幾乎 3 倍的性能提升了 —— 驗(yàn)證時(shí)只需為每個(gè)簽名付出一次重運(yùn)算。
- 兩個(gè)簽名的批量驗(yàn)證。因?yàn)轵?yàn)證等式是線性可加的，所以只要所有的簽名都是有效的，這幾個(gè)等式的和等式也必成立。我們節(jié)約了一些運(yùn)算量，因?yàn)闃?biāo)量和點(diǎn)加法比點(diǎn)乘法容易計(jì)算得多。 -
2. 密鑰生成
我們想要安全地保管自己的比特幣，所以我們可能會(huì)希望使用至少兩把不同的私鑰來(lái)控制比特幣。一個(gè)在筆記本電腦或者手機(jī)（在線錢包，熱錢包）上使用，而另一個(gè)放在 硬件錢包/冷錢包 里面。即使其中一個(gè)泄露了，我們還是掌控著自己的比特幣。
當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)這種錢包的所發(fā)是通過(guò) 2-2 的多簽名腳本。也就是一筆交易需要包含兩個(gè)獨(dú)立的簽名。
有了 Schnorr 簽名，我們可以使用一對(duì)密鑰 (pk1,pk2)，并使用一個(gè)共享公鑰 $P = P1 + P2 = pk1 * G + pk2 * G $ 生成一個(gè)共同簽名。在生成簽名時(shí)，我們需要在兩個(gè)設(shè)備上分別生成一個(gè)隨機(jī)數(shù) （k1, k2），并以此生成兩個(gè)隨機(jī)點(diǎn) $Ri = ki * G$，再分別加上 $hash(P, R1 + R2, m)$，就可以獲得 s1 和 s2 了（因?yàn)?$si = ki + hash(P, R, m)* pki $ ）。最后，把它們都加起來(lái)即可獲得簽名 $ (R, s) = (R1+R2, s1+s2) $，這就是我們的共享簽名，可用共享公鑰來(lái)驗(yàn)證。其他人根本無(wú)法看出這是不是一個(gè)聚合簽名，它跟一個(gè)普通的 Schnorr 簽名看起來(lái)沒(méi)有兩樣。
不過(guò)，這種做法有三個(gè)問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題是 UI 上的。要發(fā)起一筆交易，我們需要在兩個(gè)設(shè)備上發(fā)起多輪交互 —— 為了計(jì)算共同的 R，為了簽名。在兩把私鑰的情況下，只需訪問(wèn)一次冷錢包：我們可以在熱錢包里準(zhǔn)備好待簽名的交易，選好 k1 并生成 $R1 = k1 * G$，然后把待簽名的交易和這些數(shù)據(jù)一同傳入冷錢包并簽名。因?yàn)橐呀?jīng)有了 R1，簽名交易在冷錢包中只需一輪就可以完成。從冷錢包中我們得到 R2 和 s2，傳回給熱錢包。熱錢包使用前述的 （k1，R1） 簽名交易，把兩個(gè)簽名加總起來(lái)即可向外廣播交易了。
這在體驗(yàn)上跟我們現(xiàn)在能做到的沒(méi)有什么區(qū)別，而且每當(dāng)你加多一把私鑰，問(wèn)題就會(huì)變得更加復(fù)雜。假設(shè)你有一筆財(cái)富是用 10 把私鑰共同控制的，而 10 把私鑰分別存放在世界各地，這時(shí)候你要發(fā)送交易，該有多麻煩！在當(dāng)前的 ECDSA 算法中，每個(gè)設(shè)備你都只需要訪問(wèn)一次，但如果你用上 Schnorr 的密鑰聚合，則需要兩次，以獲得所有的 Ri 并簽名。在這種情況下，可能不使用聚合，而使用各私鑰單獨(dú)簽名的方式會(huì)好一些 —— 這樣就只需要一輪交互。
文章完成后，我得到了 Manu Drijvers 的反饋：在一個(gè)可證明安全性的多簽名方案中，你需要 3 輪交互：
選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù) ki 以及相應(yīng)的隨機(jī)點(diǎn) Ri = ki * G，然后告訴每一個(gè)設(shè)備 Ri 的哈希值 ti=hash(Ri)，然后每個(gè)設(shè)備都能確保你沒(méi)有在知道其他人的隨機(jī)數(shù)之后改變主意收集所有的數(shù)字 Ri 并計(jì)算公共的 R簽名
第二個(gè)問(wèn)題是已知的 Rogue 密鑰攻擊。這篇論文講解得非常好，所以我就不贅述了。大概意思是如果你的其中一個(gè)設(shè)備被黑（比如你的熱錢包被劫持），并假裝自己的公鑰是 $（P1 - P2）$，那就可以僅憑私鑰 pk1 便控制兩個(gè)私鑰共享的資金。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是，在設(shè)置設(shè)備時(shí)，要求使用私鑰給相應(yīng)的公鑰簽名。
還有第三個(gè)重大問(wèn)題。你沒(méi)法使用確定性的 k 來(lái)簽名。如果你使用了確定性的 k，則只需一種簡(jiǎn)單的攻擊，黑客即可獲得你的私鑰。攻擊如下：某個(gè)黑客黑入你的筆記本電腦，完全控制了其中一把私鑰（比如 pk1）。我們感覺(jué)資金仍是安全的，因?yàn)槭褂梦覀兊谋忍貛判枰?pk1 和 pk2 的聚合簽名。所以我們像往常一樣發(fā)起交易，準(zhǔn)備好一筆待簽名的交易和 R1，發(fā)送給我們的硬件錢包，硬件錢包簽名后將 （R2, s2）發(fā)回給熱錢包 …… 然后，熱錢包出錯(cuò)了，沒(méi)法完成簽名和廣播。于是我們?cè)僭囈淮?，但這一次被黑的電腦用了另一個(gè)隨機(jī)數(shù) —— R1' 。我們?cè)谟布X包里簽名了同一筆交易，又將 （R2, s2'）發(fā)回給了被黑的電腦。這一次，沒(méi)有下文了 —— 我們所有的比特幣都不翼而飛了。
在這次攻擊中，黑客獲得了同一筆交易的兩個(gè)有效的簽名：（R1, s1, R2, s2） 和 （R1', s1'，R2，s2'）。這個(gè) R2 是一樣的，但是 $ R = R1 + R2 $ 和 $ R' = R1' + R2 $ 是不同的。這就意味著黑客可以計(jì)算出我們的第二個(gè)私鑰：$s2-s2'=(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))⋅pk2$ 或者說(shuō) $pk2=(s2-s2')/(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))$。我發(fā)現(xiàn)這就是密鑰聚合最不方便的地方 —— 我們每次都要使用一個(gè)好的隨機(jī)數(shù)生成器，這樣才能安全地聚合。
3. Musig
MuSig 解決了其中一個(gè)問(wèn)題 —— rogue key 攻擊將不能再奏效。這里的目標(biāo)是把 多方/多個(gè)設(shè)置的簽名和公鑰聚合在一起，但又無(wú)需你證明自己具有與這些公鑰相對(duì)應(yīng)的私鑰。
聚合簽名對(duì)應(yīng)著聚合公鑰。但在 MuSig 中，我們不是把所有聯(lián)合簽名者的公鑰直接相加，而是都乘以一些參數(shù)，使得聚合公鑰 $ P = hash(L,P1)×P1 + … + hash(L,Pn)×Pn$ 。在這里，$ L = hash(P1,…,Pn) $ —— 這個(gè)公共數(shù)基于所有的公鑰。L 的非線性特性阻止了攻擊者構(gòu)造特殊的公鑰來(lái)發(fā)動(dòng)攻擊。即使攻擊者知道他的 $ hash(L,Patk)×Patk $ 應(yīng)該是什么，他也無(wú)法從中推導(dǎo)出 Patk 來(lái) —— 這就跟你想從公鑰中推導(dǎo)出私鑰是一樣的。
簽名構(gòu)造的其它過(guò)程跟上面介紹的很像。在生成簽名時(shí)，每個(gè)聯(lián)合簽名者都選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù) ki 并與他人分享 $Ri = ki * G$。然后他們把所有的隨機(jī)點(diǎn)加起來(lái)獲得 $ R=R1+…+Rn$ ，然后生成簽名 $si = ki + hash(P,R,m) ⋅ hash(L,Pi) ⋅ pki$ 。因此，聚合簽名是 $(R, s)=(R1+…+Rn, s1+…+sn)$ ，而驗(yàn)證簽名的方法與以前一樣：$ s×G = R + hash(P,R,m)×P$ 。
4. 默克爾樹(shù)多簽名
你可能也注意到了，MuSig 和密鑰聚合需要 所有簽名者簽名一個(gè)交易。但如果你想做的是 2-3 的多簽名腳本呢？這時(shí)候我們能夠使用簽名聚合嗎，還是不得不使用通常的 OP_CHECKMULTISIG 和分別簽名？（譯者注：OP_CHECKMULTISIG 是比特幣驗(yàn)證橢圓曲線多簽名腳本的操作碼）
先說(shuō)答案，是可以的，但是協(xié)議上將有些許的不同。我們可以開(kāi)發(fā)一個(gè)類似于 OP_CHECKMULTISIG 的操作碼，只不過(guò)是檢查聚合簽名是否對(duì)應(yīng)于公鑰默克爾樹(shù)上的一個(gè)元素。
舉個(gè)例子，如果我們想用公鑰 P1、P2 和 P3 組成一個(gè) 2-3 的多簽名腳本，我們需要用這幾把公鑰的所有兩兩組合 （P1, P2）、（P2, P3）、（P1, P3） 來(lái)構(gòu)建一棵默克爾樹(shù)，并把默克爾樹(shù)根公布在鎖定腳本中。
在花費(fèi)比特幣時(shí)，我們需要提交一個(gè)簽名和一個(gè)證據(jù)，證明這個(gè)簽名所對(duì)應(yīng)的公鑰位于由這個(gè)樹(shù)根標(biāo)記的默克爾樹(shù)上。對(duì)于 2-3 多簽名合約來(lái)說(shuō)，樹(shù)上只有 3 個(gè)元素，證據(jù)只需 2 條哈希值 —— 那個(gè)我們想用的公鑰組合的哈希值，還有一個(gè)鄰居的。對(duì)于 7-11 多簽名腳本來(lái)說(shuō)，公鑰組合有 11!/7!/4!=330 種，證據(jù)需要 8 條哈希值。通常來(lái)說(shuō)，證據(jù)所包含的元素?cái)?shù)量與多簽名的密鑰數(shù)量大體成正比 ，為 $log2(n!/m!/(n-m))$ 。
但有了默克爾公鑰樹(shù)，我們就不必局限于 m-n 多簽名腳本了。我們可以做一棵使用任意公鑰組合的樹(shù)。舉個(gè)例子，如果我們有一個(gè)筆記本電腦，一個(gè)手機(jī)，一個(gè)硬件錢包和一個(gè)助記詞，我們可以構(gòu)建一棵默克爾樹(shù)，允許我們使用 筆記本電腦 + 硬件錢包、手機(jī) + 硬件錢包 或者單獨(dú)的助記詞來(lái)使用比特幣。這是當(dāng)前的 OP_CHECKMULTISIG 做不到的 —— 除非你使用 “IF - Else” 式的流程控制來(lái)構(gòu)造更復(fù)雜的腳本。
- 聚合公鑰的默克爾樹(shù)。不僅僅是多簽名 -
結(jié)論
Schnorr 簽名很棒，它解決了區(qū)塊驗(yàn)證中的一些計(jì)算開(kāi)銷問(wèn)題，也給了我們密鑰聚合的能力。后者在使用時(shí)有些不便利，但我們不是在強(qiáng)迫大家使用它 —— 無(wú)論如何，我們都可以仍舊使用普通的多簽名方案，使用單獨(dú)的、不聚合的簽名。
我迫不及待想使用 Schnorr 簽名，希望比特幣協(xié)議能盡快納入這種簽名方案。
另外，我也真心喜歡 MuSig，它是個(gè)優(yōu)雅的方案，論文也淺顯易懂。我強(qiáng)烈建議各位有閑之時(shí)通讀全文。
以上就是區(qū)塊鏈知識(shí):Schnorr 簽名如何提升比特幣的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Schnorr 簽名如何提升比特幣的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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