SCH:BitMEX研究院：Schnorr簽名和Taproot 軟分叉提案

概述

2019年5月6日，比特幣協議開發人員PieterWuille向比特幣開發者郵件群發名單發布了一個名為“Taproot”軟分叉提案。如果該提案被接受，它可能會補充2018年7月Pieter發布的Schnorrsignature軟分叉升級。這些提案的好處與可擴充性和私密性有關。可擴充性和私密性現在看起來有一定的相關性而且不可分割。在去除有關業務的細節，確保減少交易處理的同時，他們減少了披露的信息，因此可能無法與不同類型的交易區分，從而提高了私密性。

Schnorr簽名

Schnorr簽名算法由ClausSchnorr于1991年申請獲得專利，并且在2008年到期。雖然據稱Schnorr算法更強大，是它的變體，但數字簽名算法方案的采用更廣泛，因為這一算法的專利在全球范圍內免費使用。不過Schnorr博士本人一直認為DSA應該是在他的專利范圍內。

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因使用廣泛，所以當比特幣在2009年推出時，DSA的變體橢圓曲線數字簽名算法被用于其數字簽名算法。但最初的Schnorr簽名算法比DSA更簡單和有效，減少了繁重的保安假設。經過比特幣10年的使用，越發明顯的是這些效率的優勢會變得重要。因此，比特幣轉移至Schnorr簽名算法似乎是合理的。

Schnorr簽名的主要好處是，多重簽名交易在鏈上顯示為正常的單一簽名交易。使用Schnorr簽名，多個簽名者可以生成聯合公鑰，然后用一個簽名共同簽名，而不是在區塊鏈上分別發布所有公鑰和每個簽名。這是一項重要的可擴展性和私密性改進。這意味著Schnorr簽名會大量的節省空間和驗證時間，隨著傳統多重簽名交易的簽名者的增加，比較優勢將會越來越明顯。

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Schnorr簽名空間節省估計值

我們試圖計算這種Schnorr多重簽名的集合特性可以帶來的潛在比特幣網絡容量的增加。不過，由于涉及大量假設，下面13.1%的容量增加數值應視為非常近似的估計值。

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基于UTXO計算的節省估計值

來估計容量增加。通過假設UTXO使用比例是區塊鏈使用的典型值并對較大的多重簽名交易應用較高權重來估計網絡范圍容量增加。未使用的P2SH輸出根據未使用輸出的比例被分配到多重簽名類型。該數值應僅被視為非常近似的估計值。數據截至2019年5月7日）

上述估計的容量增加可以認為是很小，但應該考慮以下因素：

●多重簽名技術的經濟使用情況遠比僅考慮UTXO計數更為普遍。大約21.5%的比特幣存儲在多重簽名錢包中，遠遠高于UTXO計數采用的5.9%。

●如下圖所示，多重簽名采用率正在快速增長。與此同時，像閃電網絡這樣的新系統需要采用多重簽名，而Schnorr簽名使得多重簽名系統更加強大，采用率可能會增加

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按P2SH地址類型存儲的比特幣——圖表顯示了多重簽名技術的強勁增長

因此，根據我們的基本計算，雖然根據網絡的當前使用情況，即使100%采用Schnorr也只會帶來13.1%的網絡容量增長，但長期來看，潛在的空間節省和網絡容量增長可能是遠高于此。

默克爾抽象語法樹(MAST)

MAST是比特幣協議開發人員JohnsonLau博士2016年的一個想法。Lau博士過去曾在2002年2月為BitMEX研究團隊撰寫題為Theartofmakingsoftforks:Protectionbypolicyrule的文章。MAST的想法是，除了時間鎖定條件之外，交易還可能包含多個支出條件，例如2之2的多重簽名條件。為了避免將所有這些條件和腳本放入區塊鏈中，可以在默克爾樹內部構建支出腳本，這樣只有在使用它們時才需要顯示它們，以及必要的默克爾分支哈希。

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MAST支出條件的圖解說明

基于上述設計，可以假設只需要顯示一種支出條件。例如，要花費輸出，所有簽名者需要做的是提供一個Schnorr多重簽名和默克爾樹右側頂部的哈希）。因此，盡管存在默克爾樹，但在大多數情況下，一切都按計劃進行，只需要一個簽名和32字節哈希。更簡明地說，為了驗證腳本，您需要通過顯示其他分支哈希來證明這是默克爾樹的一部分。

不過，這種結構的缺點是即使在正常的最佳情況下，當提供默克爾樹左上角的單匙和腳本時，仍然需要用完32個字節的數據，向區塊鏈公布另一個哈希）。這一不足也會降低隱私，因為第三方總能確定是否存在更復雜的支出條件，因為默克爾樹的頂部分支始終是可見的。

Taproot

據我們所知，Taproot想法的起源來自于比特幣開發者GregoryMaxwell于2018年1月發出的一封電子郵件。Taproot的結構除在默克爾樹的頂部外，類似于MAST。就Taproot而言，在合作或正常情景中，可以選擇僅公布單個公鑰和單個簽名，而無需公布默克爾樹存在的證據。下面圖表說明了Taproot交易結構。

Taproot支出條件的圖解說明

左側上的調整后公鑰可以從原始公鑰和默克爾根哈希計算得出。在正常或合作支付的情況下，在贖回時，原始公鑰不需要在鏈上，并且不顯示默克爾樹的存在，需要公布的僅是單個簽名。在沒有合作或異常贖回的情況下，原始公匙將與關于默克爾樹的信息一同顯示。

Taproot與原始MAST結構相比的好處很明顯，在合作的情況下，區塊鏈或腳本本身不再需要包含額外的32字節哈希，從而提高效率。除此之外，交易看起來“正常”，只是一次擁有公鑰和簽名的付款，其他支出條件的存在不需要顯示。這對于對外部第三方觀察者來說是一個巨大的隱私好處，例如當打開閃電通道或者甚至進行合作閃電通道關閉時，交易看起來就像是常規的比特幣支出。該交易可以被構建成使得僅在不合作的閃電通道關閉時，才需要顯示默克爾樹的存在。越多不同類型的交易看起來一樣，隱私就越好，因為第三方可能不太能夠確定正在發生哪種類型的交易和產生資金流。一些比特幣開發者的長期目標可能是確保無論發生什么類型的交易，至少在所謂的合作情況下，所有交易看起來都一樣。

對簽名集合的困惑

減少區塊鏈所需簽名數量的潛在可擴展性好處巨大，因此這個概念往往會激動人心。Schnorr簽名確實能夠在多重簽名交易中集合簽名，這對比特幣來說應該是一個重大的好處。不過，包含這一點以及其他與簽名集合相關想法的存在，導致人們對潛在好處有一些不切實際的期望，至少在此升級提議方面是這樣。據我們所知，對于這個特定的升級提議，唯一的集合好處是以在多重簽名方案中加入簽名的形式，而不是多重輸入或多個交易。

簽名集合想法的匯總表

結論

我們認為，與此軟分叉相關的好處不太可能有爭議。此軟分叉似乎在功能、可擴展性和隱私方面取得三贏局面。最大的爭論方面可能是沒有包含其他想法或為什么要這樣做的爭論。

話雖如此，許多人可能對這些升級的潛在好處感到興奮，并希望盡快在網絡上看到這些升級啟動。不過，當談到比特幣，特別是對共識規則的變更時，極為需要耐心對待。

作者:BitMEX研究團隊

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