适配器签名及其在跨链原子交换中的应用

随着比特币Layer2扩容方案的快速发展，比特币与Layer2网络之间的资产转移频率显著增加。这一趋势受到Layer2技术提供的更高可扩展性、更低交易费和高吞吐量的推动。比特币与Layer2网络间的互操作性正成为加密货币生态系统的关键组成部分，推动创新并为用户提供更多样化和强大的金融工具。

目前比特币与Layer2之间的跨链交易主要有三种方案:中心化跨链交易、BitVM跨链桥和跨链原子交换。这些技术在信任假设、安全性、便捷性、交易额度等方面各有不同，可满足不同的应用需求。

中心化跨链交易速度快、撮合容易，但安全性完全依赖中心化机构的可靠性。BitVM跨链桥引入了乐观挑战机制，技术相对复杂，适用于超大额交易。跨链原子交换是去中心化的、不受审查、具有较好隐私保护的技术，在去中心化交易所中广泛应用。

跨链原子交换技术主要包括基于哈希时间锁(HTLC)和适配器签名两种方案。HTLC方案存在隐私泄露问题，而基于适配器签名的方案可以很好地解决这一问题。

本文主要介绍了Schnorr/ECDSA适配器签名与跨链原子交换的原理，分析了其中存在的随机数安全问题以及跨链场景中的系统异构和算法异构问题，并给出相应的解决方案。最后，对适配器签名进行了扩展应用，实现非交互式数字资产托管。

适配器签名与跨链原子交换

Schnorr适配器签名与原子交换

Schnorr适配器签名的基本流程如下:

1. Alice选择随机数r和y，计算R=r·G和Y=y·G
2. Alice计算c = H(X,R,m)和s' = r + cx
3. Alice将(R,s',Y)发送给Bob
4. Bob验证s'·G = R + c·X
5. Bob计算s = s' + y
6. Bob广播(R,s)作为有效签名

在原子交换中,Alice和Bob可以利用适配器签名实现跨链资产交换:

1. Alice创建将BTC发送给Bob的交易Tx1,并生成预签名(R,s',Y)
2. Bob创建将资产发送给Alice的交易Tx2,并广播
3. Alice验证Tx2后,公开y
4. Bob获得y后可计算出完整签名(R,s),广播Tx1完成交换

ECDSA适配器签名与原子交换

ECDSA适配器签名的流程类似,主要区别在于:

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

原子交换流程与Schnorr方案基本相同。

问题与解决方案

随机数问题与解决方案

适配器签名存在随机数泄露和重用的安全隐患,可能导致私钥泄露。解决方案是使用RFC 6979规范,通过确定性方法生成随机数:

k = SHA256(sk, msg, counter)

这确保了随机数的唯一性和可重现性,有效降低了私钥暴露风险。

跨链场景问题与解决方案

1. UTXO与账户模型系统异构问题: 比特币采用UTXO模型,而以太坊采用账户模型,导致无法在以太坊上预先签名退款交易。解决方案是在以太坊端使用智能合约实现原子交换逻辑。

2. 相同曲线不同算法的安全性: 在使用相同曲线(如Secp256k1)但不同签名算法(如一方Schnorr,一方ECDSA)的情况下,适配器签名仍然是安全的。

3. 不同曲线的不兼容性: 如果两个系统使用不同的椭圆曲线(如Secp256k1和ed25519),则无法直接使用适配器签名进行跨链交换。

数字资产托管应用

基于适配器签名可以实现非交互式的数字资产托管:

1. Alice和Bob创建2-of-2 MuSig输出的funding交易
2. 双方交换适配器签名和加密的secret
3. 广播funding交易
4. 发生争议时,托管方可解密并提供secret给胜诉方
5. 胜诉方利用secret完成适配器签名,获得资产

该方案的关键在于可验证加密,主要有Purify和Juggling两种实现方式。

总结

本文详细介绍了Schnorr/ECDSA适配器签名在跨链原子交换中的应用,分析了其中的安全问题和解决方案,并探讨了在异构区块链系统间使用适配器签名的可行性。最后还介绍了基于适配器签名的非交互式数字资产托管应用。适配器签名为跨链资产交换提供了一种安全、高效且隐私保护的解决方案,有望在未来的区块链互操作性中发挥重要作用。