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Layer2網路之間的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。比特幣與Layer2網路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。

目前比特幣與Layer2之間的跨鏈交易主要有三種方案:中心化跨鏈交易、BitVM跨鏈橋和跨鏈原子交換。這些技術在信任假設、安全性、便捷性、交易額度等方面各有不同，可滿足不同的應用需求。

中心化跨鏈交易速度快、撮合容易，但安全性完全依賴中心化機構的可靠性。BitVM跨鏈橋引入了樂觀挑戰機制，技術相對復雜，適用於超大額交易。跨鏈原子交換是去中心化的、不受審查、具有較好隱私保護的技術，在去中心化交易所中廣泛應用。

跨鏈原子交換技術主要包括基於哈希時間鎖(HTLC)和適配器籤名兩種方案。HTLC方案存在隱私泄露問題，而基於適配器籤名的方案可以很好地解決這一問題。

本文主要介紹了Schnorr/ECDSA適配器籤名與跨鏈原子交換的原理，分析了其中存在的隨機數安全問題以及跨鏈場景中的系統異構和算法異構問題，並給出相應的解決方案。最後，對適配器籤名進行了擴展應用，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適配器籤名的基本流程如下:

1. Alice選擇隨機數r和y，計算R=r·G和Y=y·G
2. Alice計算c = H(X,R,m)和s' = r + cx
3. Alice將(R,s',Y)發送給Bob
4. Bob驗證s'·G = R + c·X
5. Bob計算s = s' + y
6. Bob廣播(R,s)作爲有效籤名

在原子交換中,Alice和Bob可以利用適配器籤名實現跨鏈資產交換:

1. Alice創建將BTC發送給Bob的交易Tx1,並生成預籤名(R,s',Y)
2. Bob創建將資產發送給Alice的交易Tx2,並廣播
3. Alice驗證Tx2後,公開y
4. Bob獲得y後可計算出完整籤名(R,s),廣播Tx1完成交換

ECDSA適配器籤名與原子交換

ECDSA適配器籤名的流程類似,主要區別在於:

1. Alice計算s' = k^(-1)(H(m) + rx)
2. Bob驗證R = (H(m)·s'^(-1))·G + (r·s'^(-1))·X
3. Bob計算s = s' + y

原子交換流程與Schnorr方案基本相同。

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露和重用的安全隱患,可能導致私鑰泄露。解決方案是使用RFC 6979規範,通過確定性方法生成隨機數:

k = SHA256(sk, msg, counter)

這確保了隨機數的唯一性和可重現性,有效降低了私鑰暴露風險。

跨鏈場景問題與解決方案

1. UTXO與帳戶模型系統異構問題: 比特幣採用UTXO模型,而以太坊採用帳戶模型,導致無法在以太坊上預先籤名退款交易。解決方案是在以太坊端使用智能合約實現原子交換邏輯。

2. 相同曲線不同算法的安全性: 在使用相同曲線(如Secp256k1)但不同籤名算法(如一方Schnorr,一方ECDSA)的情況下,適配器籤名仍然是安全的。

3. 不同曲線的不兼容性: 如果兩個系統使用不同的橢圓曲線(如Secp256k1和ed25519),則無法直接使用適配器籤名進行跨鏈交換。

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:

1. Alice和Bob創建2-of-2 MuSig輸出的funding交易
2. 雙方交換適配器籤名和加密的secret
3. 廣播funding交易
4. 發生爭議時,托管方可解密並提供secret給勝訴方
5. 勝訴方利用secret完成適配器籤名,獲得資產

該方案的關鍵在於可驗證加密,主要有Purify和Juggling兩種實現方式。

總結

本文詳細介紹了Schnorr/ECDSA適配器籤名在跨鏈原子交換中的應用,分析了其中的安全問題和解決方案,並探討了在異構區塊鏈系統間使用適配器籤名的可行性。最後還介紹了基於適配器籤名的非交互式數字資產托管應用。適配器籤名爲跨鏈資產交換提供了一種安全、高效且隱私保護的解決方案,有望在未來的區塊鏈互操作性中發揮重要作用。