SCH:一文读懂Schnorr签名如何提升比特币

在阅读Blockstream撰写的MuSig论文时,我一直在想象,这对于我一个比特币用户来说,到底意味着什么。我发现Schnorr签名的一些特性实在是非常棒而且便利,但某一些特性则非常烦人。在这篇文章里,我希望能跟各位分享我的想法。不过,我们先快速回顾一下。椭圆曲线签名算法

当前比特币的所有权体系用的是ECDSA。在签名一条消息m时,我们先哈希这条消息,得出一个哈希值,即z=hash(m)。我们也需要一个随机数k。在这里,我们不希望信任随机数生成器,所以我们通常使用RFC6979,基于我们所知的一个秘密值和我们要签名的消息,计算出一个确定性的k。使用私钥pk,我们可以为消息m生成一个签名,签名由两个数组成:r和s=(z+r*pk)/k。然后,使用我们的公钥P=pk*G,任何人都可以验证我们的签名,也就是检查(z/s)×G+(r/s)×P的x坐标确为r。

-ECDSA算法图解。为便于说明,椭圆曲线作在实数域上-这种算法是很常见的,也非常好用。但还有提升空间。首先,签名的验证包含除法和两次点乘法,而这些操作的计算量都非常大。在比特币网络中,每个节点都要验证每一笔交易,所以当你在网络中发出一笔交易时,全网几千个节点都要验证你的签名。因此,即使签名的过程开销变得更大,让验证签名变得更简单也还是非常有好处的。其次,节点在验证签名时,每个签名都要单独验证。在一个m-n的多签交易中,节点必须多次验证同一个签名。比如一笔7-11的多签名交易,里面包含了7个签名,网络中的每个节点都要分别验证7个签名。另外,这种交易的体积也非常大,用户必须为此付出多得多的手续费。Schnorr签名

美联储主席鲍威尔:大多数委员会成员认为年底前还会有两次加息:金色财经报道,美联储主席鲍威尔表示,劳动力市场将逐渐降温,通胀将缓解;委员会的绝大多数成员认为今年年底前还会有两次加息;上周的暂停加息决定是为了今后更慢地前进;美联储目前已接近需要达到的目标。[2023/6/23 21:55:25]

Schnorr签名的生成方式有些许不同。它不是两个标量(r,s),而是一个点R和一个标量s。类似于ECDSA签名,R是一个椭圆曲线上的随机点R=k*G。而签名的第二部分s的计算过程也有一些不同:s=k+hash(P,R,m)?pk。这里pk就是你的私钥,而P=pk*G是你的公钥,m就是那条消息。验证过程是检查s*G=R+hash(P,R,m)*P。

-图解Schnorr签名和验证-这个等式是线性的,所以多个等式可以相加相减而等号仍然成立。这给我们带来了Schnorr签名的多种良好特性。1.批量验证

在验证区块链上的一个区块时,我们需要验证区块中所有交易的签名都是有效的。如果其中一个是无效的,无论是哪一个——我们都必须拒绝掉整个区块。ECDSA的每一个签名都必须专门验证,意味着如果一个区块中包含1000条签名,那我们就需要计算1000次除法和2000次点乘法,总计约3000次繁重的运算。但有了Schnorr签名,我们可以把所有的签名验证等式加起来并节省一些计算量。在一个包含1000笔交易的区块中,我们可以验证:(s1+s2+…+s1000)×G=(R1+…+R1000)+(hash(P1,R1,m1)×P1+hash(P2,R2,m2)×P2+…+hash(P1000,R1000,m1000)×P1000)这里就是一连串的点加法和1001次点乘法。已经是几乎3倍的性能提升了——验证时只需为每个签名付出一次重运算。

数据:近7日Deribit平台看涨期权交易量仅占总交易量约2%:4月19日消息,据加密期权交易平台 Deribit 交易数据,近 7 日 Deribit 期权大宗的交易量 65.5% 为购买看跌期权(Put Options),32.8% 为卖出看跌期权;而看涨期权的交易量仅占 2%。[2023/4/19 14:13:35]

-两个签名的批量验证。因为验证等式是线性可加的,所以只要所有的签名都是有效的,这几个等式的和等式也必成立。我们节约了一些运算量,因为标量和点加法比点乘法容易计算得多。-2.密钥生成

我们想要安全地保管自己的比特币,所以我们可能会希望使用至少两把不同的私钥来控制比特币。一个在笔记本电脑或者手机上使用,而另一个放在硬件钱包/冷钱包里面。即使其中一个泄露了,我们还是掌控着自己的比特币。当前,实现这种钱包的做法是通过2-2的多签名脚本。也就是一笔交易需要包含两个独立的签名。有了Schnorr签名,我们可以使用一对密钥(pk1,pk2),并使用一个共享公钥P=P1+P2=pk1*G+pk2*G生成一个共同签名。在生成签名时,我们需要在两个设备上分别生成一个随机数,并以此生成两个随机点Ri=ki*G,再分别加上hash(P,R1+R2,m),就可以获得s1和s2了。最后,把它们都加起来即可获得签名(R,s)=(R1+R2,s1+s2),这就是我们的共享签名,可用共享公钥来验证。其他人根本无法看出这是不是一个聚合签名,它跟一个普通的Schnorr签名看起来没有两样。不过,这种做法有三个问题。第一个问题是UI上的。要发起一笔交易,我们需要在两个设备上发起多轮交互——为了计算共同的R,为了签名。在两把私钥的情况下,只需访问一次冷钱包:我们可以在热钱包里准备好待签名的交易,选好k1并生成R1=k1*G,然后把待签名的交易和这些数据一同传入冷钱包并签名。因为已经有了R1,签名交易在冷钱包中只需一轮就可以完成。从冷钱包中我们得到R2和s2,传回给热钱包。热钱包使用前述的签名交易,把两个签名加总起来即可向外广播交易了。这在体验上跟我们现在能做到的没有什么区别,而且每当你加多一把私钥,问题就会变得更加复杂。假设你有一笔财富是用10把私钥共同控制的,而10把私钥分别存放在世界各地,这时候你要发送交易,该有多麻烦!在当前的ECDSA算法中,每个设备你都只需要访问一次,但如果你用上Schnorr的密钥聚合,则需要两次,以获得所有的Ri并签名。在这种情况下,可能不使用聚合,而使用各私钥单独签名的方式会好一些——这样就只需要一轮交互。文章完成后,我得到了ManuDrijvers的反馈:在一个可证明安全性的多签名方案中,你需要3轮交互:选择一个随机数ki以及相应的随机点Ri=ki\\G,然后告诉每一个设备Ri的哈希值ti=hash(Ri),然后每个设备都能确保你没有在知道其他人的随机数之后改变主意*收集所有的数字Ri并计算公共的R签名第二个问题是已知的Rogue密钥攻击。这篇论文讲解得非常好,所以我就不赘述了。大概意思是如果你的其中一个设备被黑,并假装自己的公钥是,那就可以仅凭私钥pk1便控制两个私钥共享的资金。一个简单的解决方案是,在设置设备时,要求使用私钥对相应的公钥签名。还有第三个重大问题。你没法使用确定性的k来签名。如果你使用了确定性的k,则只需一种简单的攻击,黑客即可获得你的私钥。攻击如下:某个黑客黑入你的笔记本电脑,完全控制了其中一把私钥。我们感觉资金仍是安全的,因为使用我们的比特币需要pk1和pk2的聚合签名。所以我们像往常一样发起交易,准备好一笔待签名的交易和R1,发送给我们的硬件钱包,硬件钱包签名后将发回给热钱包……然后,热钱包出错了,没法完成签名和广播。于是我们再试一次,但这一次被黑的电脑用了另一个随机数——R1'。我们在硬件钱包里签名了同一笔交易,又将发回给了被黑的电脑。这一次,没有下文了——我们所有的比特币都不翼而飞了。在这次攻击中,黑客获得了同一笔交易的两个有效的签名:和。这个R2是一样的,但是R=R1+R2和R'=R1'+R2是不同的。这就意味着黑客可以计算出我们的第二个私钥:s2-s2'=(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))?pk2或者说pk2=(s2-s2')/(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))。我发现这就是密钥聚合最不方便的地方——我们每次都要使用一个好的随机数生成器,这样才能安全地聚合。3.Musig

NFT周交易量创新低,连续13周低于15.3万枚ETH:8月18日消息,据Nansen数据,NFT周交易量(8月9日至15日)达76,637枚ETH,创历史新低,已连续13周低于15.3万枚ETH。目前,Bend DAO NFT抵押品总计价值31,244.99枚ETH(约5762万美元),有14枚BAYC健康因子低于1.1。[2022/8/18 12:33:45]

MuSig解决了其中一个问题——roguekey攻击将不能再奏效。这里的目标是把多方/多个设置的签名和公钥聚合在一起,但又无需你证明自己具有与这些公钥相对应的私钥。聚合签名对应着聚合公钥。但在MuSig中,我们不是把所有联合签名者的公钥直接相加,而是都乘以一些参数,使得聚合公钥P=hash(L,P1)×P1+…+hash(L,Pn)×Pn。在这里,L=hash(P1,…,Pn)——这个公共数基于所有的公钥。L的非线性特性阻止了攻击者构造特殊的公钥来发动攻击。即使攻击者知道他的hash(L,Patk)×Patk应该是什么,他也无法从中推导出Patk来——这就跟你想从公钥中推导出私钥是一样的。签名构造的其它过程跟上面介绍的很像。在生成签名时,每个联合签名者都选择一个随机数ki并与他人分享Ri=ki*G。然后他们把所有的随机点加起来获得R=R1+…+Rn,然后生成签名si=ki+hash(P,R,m)?hash(L,Pi)?pki。因此,聚合签名是(R,s)=(R1+…+Rn,s1+…+sn),而验证签名的方法与以前一样:s×G=R+hash(P,R,m)×P。4.默克尔树多签名

Ledger Live集成Alkemi Earn,允许用户赚取收益:6月28日消息,硬件钱包制造商Ledger宣布Ledger Live已与Alkemi Earn集成,首次为其用户带来了赚取收益的能力。Alkemi Earn是一种借贷协议,利用由ETH、wBTC和稳定币组成的数字资产许可流动性池。

通过此举,Ledger旨在为用户提供一种购买和使用数字资产的方式,而无需将它们交给交易所或其他协议。(CoinDesk)[2022/6/28 1:37:21]

你可能也注意到了,MuSig和密钥聚合需要*所有签名者签名一个交易*。但如果你想做的是2-3的多签名脚本呢?这时候我们能够使用签名聚合吗,还是不得不使用通常的OP_CHECKMULTISIG和分别签名?先说答案,是可以的,但是协议上将有些许的不同。我们可以开发一个类似于OP_CHECKMULTISIG的操作码,只不过是检查聚合签名是否对应于公钥默克尔树上的一个元素。举个例子,如果我们想用公钥P1、P2和P3组成一个2-3的多签名脚本,我们需要用这几把公钥的所有两两组合、、来构建一棵默克尔树,并把默克尔树根公布在锁定脚本中。在花费比特币时,我们需要提交一个签名和一个证据,证明这个签名所对应的公钥位于由这个树根标记的默克尔树上。对于2-3多签名合约来说,树上只有3个元素,证据只需2条哈希值——那个我们想用的公钥组合的哈希值,还有一个邻居的。对于7-11多签名脚本来说,公钥组合有11!/7!/4!=330种,证据需要8条哈希值。通常来说,证据所包含的元素数量与多签名的密钥数量大体成正比,为log2(n!/m!/(n-m))。但有了默克尔公钥树,我们就不必局限于m-n多签名脚本了。我们可以做一棵使用任意公钥组合的树。举个例子,如果我们有一个笔记本电脑,一个手机,一个硬件钱包和一个助记词,我们可以构建一棵默克尔树,允许我们使用笔记本电脑+硬件钱包、手机+硬件钱包或者单独的助记词来使用比特币。这是当前的OP_CHECKMULTISIG做不到的——除非你使用“IF-Else”式的流程控制来构造更复杂的脚本。

工行浙江省金华分行开启数字人民币缴税业务:6月2日消息,近日,工行浙江省金华分行联合金华市税务局、金华市税务局婺城分局,通过工行手机银行App生活缴费功能模块,成功实现了金华市首笔使用数字人民币的缴税业务,标志着数字人民币在金华地区应用场景的进一步丰富。(城市金融报)[2022/6/2 3:58:55]

-聚合公钥的默克尔树。不仅仅是多签名-结论

Schnorr签名很棒,它解决了区块验证中的一些计算开销问题,也给了我们密钥聚合的能力。后者在使用时有些不便利,但我们不是在强迫大家使用它——无论如何,我们都可以仍旧使用普通的多签名方案,使用单独的、不聚合的签名。我迫不及待想使用Schnorr签名,希望比特币协议能尽快纳入这种签名方案。另外,我也真心喜欢MuSig,它是个优雅的方案,论文也浅显易懂。我强烈建议各位有闲之时通读全文。

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