一文讀懂Schnorr簽名如何提升比特幣_HASH:SCH

原文標題：《干貨 | Schnorr 簽名如何提升比特幣》，作者Stepan

在閱讀 Blockstream 撰寫的?MuSig?論文時，我一直在想象，這對于我一個比特幣用戶來說，到底意味著什么。我發現 Schnorr 簽名的一些特性實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，我們先快速回顧一下。

當前比特幣的所有權體系用的是?ECDSA（橢圓曲線簽名算法）。在簽名一條消息?m?時，我們先哈希這條消息，得出一個哈希值，即?z = hash(m)?。我們也需要一個隨機數（或者至少看似隨機的數）k?。在這里，我們不希望信任隨機數生成器（有太多的錯誤和漏洞都與不合格的隨機數生成器有關），所以我們通常使用?RFC6979，基于我們所知的一個秘密值和我們要簽名的消息，計算出一個確定性的 k。

使用私鑰?pk?，我們可以為消息?m?生成一個簽名，簽名由兩個數組成：r（隨機點?R = k * G?的 x 坐標）和?s = (z + r*pk)/k。

然后，使用我們的公鑰?P = pk * G?，任何人都可以驗證我們的簽名，也就是檢查?(z/s)×G+(r/s)×P?的 x 坐標確為?r。

ECDSA 算法圖解。為便于說明，橢圓曲線作在實數域上?

這種算法是很常見的，也非常好用。但還有提升空間。首先，簽名的驗證包含除法（1/s）和兩次點乘法，而這些操作的計算量都非常大。在比特幣網絡中，每個節點都要驗證每一筆交易，所以當你在網絡中發出一筆交易時，全網幾千個節點都要驗證你的簽名。因此，即使簽名的過程開銷變得更大，讓驗證簽名變得更簡單也還是非常有好處的。

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其次，節點在驗證簽名時，每個簽名都要單獨驗證。在一個 m-n 的多簽交易中，節點必須多次驗證同一個簽名。比如一筆 7-11 的多簽名交易，里面包含了 7 個簽名，網絡中的每個節點都要分別驗證 7 個簽名。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費。

Schnorr 簽名的生成方式有些許不同。它不是兩個標量?(r, s)，而是一個點?R?和一個標量?s?。類似于 ECDSA 簽名，R 是一個橢圓曲線上的隨機點?R = k * G。而簽名的第二部分 s 的計算過程也有一些不同：?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。驗證過程是檢查?s * G = R + hash(P,R,m) * P。

圖解 Schnorr 簽名和驗證?

這個等式是線性的，所以多個等式可以相加相減而等號仍然成立。這給我們帶來了 Schnorr 簽名的多種良好特性。

在驗證區塊鏈上的一個區塊時，我們需要驗證區塊中所有交易的簽名都是有效的。如果其中一個是無效的，無論是哪一個 —— 我們都必須拒絕掉整個區塊。

ECDSA 的每一個簽名都必須專門驗證，意味著如果一個區塊中包含 1000 條簽名，那我們就需要計算 1000 次除法和 2000 次點乘法，總計約 3000 次繁重的運算。

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但有了 Schnorr 簽名，我們可以把所有的簽名驗證等式加起來并節省一些計算量。在一個包含 1000 筆交易的區塊中，我們可以驗證：

(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加法（從計算機運算的角度看，簡直是免費的）和 1001 次點乘法。已經是幾乎 3 倍的性能提升了 —— 驗證時只需為每個簽名付出一次重運算。

兩個簽名的批量驗證。因為驗證等式是線性可加的，所以只要所有的簽名都是有效的，這幾個等式的和等式也必成立。我們節約了一些運算量，因為標量和點加法比點乘法容易計算得多。

我們想要安全地保管自己的比特幣，所以我們可能會希望使用至少兩把不同的私鑰來控制比特幣。一個在筆記本電腦或者手機（在線錢包，熱錢包）上使用，而另一個放在 硬件錢包/冷錢包 里面。即使其中一個泄露了，我們還是掌控著自己的比特幣。

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當前，實現這種錢包的做法是通過 2-2 的多簽名腳本。也就是一筆交易需要包含兩個獨立的簽名。

有了 Schnorr 簽名，我們可以使用一對密鑰 (pk1,pk2)，并使用一個共享公鑰?P = P1 + P2 = pk1 * G + pk2 * G?生成一個共同簽名。在生成簽名時，我們需要在兩個設備上分別生成一個隨機數 （k1, k2），并以此生成兩個隨機點?Ri = ki * G，再分別加上?hash(P, R1 + R2, m)，就可以獲得 s1 和 s2 了（因為?si = ki + hash(P, R, m)* pki?）。最后，把它們都加起來即可獲得簽名?(R, s) = (R1+R2, s1+s2)，這就是我們的共享簽名，可用共享公鑰來驗證。其他人根本無法看出這是不是一個聚合簽名，它跟一個普通的 Schnorr 簽名看起來沒有兩樣。

不過，這種做法有三個問題。

第一個問題是 UI 上的。要發起一筆交易，我們需要在兩個設備上發起多輪交互 —— 為了計算共同的 R，為了簽名。在兩把私鑰的情況下，只需訪問一次冷錢包：我們可以在熱錢包里準備好待簽名的交易，選好 k1 并生成?R1 = k1 * G，然后把待簽名的交易和這些數據一同傳入冷錢包并簽名。因為已經有了 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，把兩個簽名加總起來即可向外廣播交易了。

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這在體驗上跟我們現在能做到的沒有什么區別，而且每當你加多一把私鑰，問題就會變得更加復雜。假設你有一筆財富是用 10 把私鑰共同控制的，而 10 把私鑰分別存放在世界各地，這時候你要發送交易，該有多麻煩！在當前的 ECDSA 算法中，每個設備你都只需要訪問一次，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，而使用各私鑰單獨簽名的方式會好一些 —— 這樣就只需要一輪交互。

文章完成后，我得到了 Manu Drijvers 的反饋：在一個可證明安全性的多簽名方案中，你需要 3 輪交互：

選擇一個隨機數 ki 以及相應的隨機點 Ri = ki \?G，然后告訴每一個設備 Ri 的哈希值 ti=hash(Ri)，然后每個設備都能確保你沒有在知道其他人的隨機數之后改變主意*

收集所有的數字 Ri 并計算公共的 R

第二個問題是已知的 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設備被黑（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 便控制兩個私鑰共享的資金。一個簡單的解決方案是，在設置設備時，要求使用私鑰對相應的公鑰簽名。

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還有第三個重大問題。你沒法使用確定性的 k 來簽名。如果你使用了確定性的 k，則只需一種簡單的攻擊，黑客即可獲得你的私鑰。攻擊如下：某個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）。我們感覺資金仍是安全的，因為使用我們的比特幣需要 pk1 和 pk2 的聚合簽名。所以我們像往常一樣發起交易，準備好一筆待簽名的交易和 R1，發送給我們的硬件錢包，硬件錢包簽名后將 （R2, s2）發回給熱錢包 …… 然后，熱錢包出錯了，沒法完成簽名和廣播。于是我們再試一次，但這一次被黑的電腦用了另一個隨機數 —— R1' 。我們在硬件錢包里簽名了同一筆交易，又將 （R2, s2'）發回給了被黑的電腦。這一次，沒有下文了 —— 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有效的簽名：（R1, s1, R2, s2） 和 （R1', s1'，R2，s2'）。這個 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算出我們的第二個私鑰：s2-s2'=(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))?pk2?或者說?pk2=(s2-s2')/(hash(P,R1+R2,m)-hash(P,R1'+R2,m))。我發現這就是密鑰聚合最不方便的地方 —— 我們每次都要使用一個好的隨機數生成器，這樣才能安全地聚合。

MuSig?解決了其中一個問題 —— rogue key 攻擊將不能再奏效。這里的目標是把 多方/多個設置的簽名和公鑰聚合在一起，但又無需你證明自己具有與這些公鑰相對應的私鑰。

聚合簽名對應著聚合公鑰。但在 MuSig 中，我們不是把所有聯合簽名者的公鑰直接相加，而是都乘以一些參數，使得聚合公鑰?P = hash(L,P1)×P1 + … + hash(L,Pn)×Pn?。在這里，L = hash(P1,…,Pn)?—— 這個公共數基于所有的公鑰。L 的非線性特性阻止了攻擊者構造特殊的公鑰來發動攻擊。即使攻擊者知道他的?hash(L,Patk)×Patk?應該是什么，他也無法從中推導出 Patk 來 —— 這就跟你想從公鑰中推導出私鑰是一樣的。

簽名構造的其它過程跟上面介紹的很像。在生成簽名時，每個聯合簽名者都選擇一個隨機數 ki 并與他人分享?Ri = ki * G。然后他們把所有的隨機點加起來獲得?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)?，而驗證簽名的方法與以前一樣：s×G = R + hash(P,R,m)×P?。

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交易*。但如果你想做的是 2-3 的多簽名腳本呢？這時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 是比特幣驗證橢圓曲線多簽名腳本的操作碼）

先說答案，是可以的，但是協議上將有些許的不同。我們可以開發一個類似于 OP_CHECKMULTISIG 的操作碼，只不過是檢查聚合簽名是否對應于公鑰默克爾樹上的一個元素。

舉個例子，如果我們想用公鑰 P1、P2 和 P3 組成一個 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） 來構建一棵默克爾樹，并把默克爾樹根公布在鎖定腳本中。

在花費比特幣時，我們需要提交一個簽名和一個證據，證明這個簽名所對應的公鑰位于由這個樹根標記的默克爾樹上。對于 2-3 多簽名合約來說，樹上只有 3 個元素，證據只需 2 條哈希值 —— 那個我們想用的公鑰組合的哈希值，還有一個鄰居的。對于 7-11 多簽名腳本來說，公鑰組合有 11!/7!/4!=330 種，證據需要 8 條哈希值。通常來說，證據所包含的元素數量與多簽名的密鑰數量大體成正比 ，為?log2(n!/m!/(n-m))?。

但有了默克爾公鑰樹，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。舉個例子，如果我們有一個筆記本電腦，一個手機，一個硬件錢包和一個助記詞，我們可以構建一棵默克爾樹，允許我們使用 筆記本電腦 + 硬件錢包、手機 + 硬件錢包 或者單獨的助記詞來使用比特幣。這是當前的 OP_CHECKMULTISIG 做不到的 —— 除非你使用 “IF - Else” 式的流程控制來構造更復雜的腳本。

聚合公鑰的默克爾樹。不僅僅是多簽名?

Schnorr 簽名很棒，它解決了區塊驗證中的一些計算開銷問題，也給了我們密鑰聚合的能力。后者在使用時有些不便利，但我們不是在強迫大家使用它 —— 無論如何，我們都可以仍舊使用普通的多簽名方案，使用單獨的、不聚合的簽名。

我迫不及待想使用 Schnorr 簽名，希望比特幣協議能盡快納入這種簽名方案。

另外，我也真心喜歡?MuSig，它是個優雅的方案，論文也淺顯易懂。我強烈建議各位有閑之時通讀全文。

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