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，比特币与其Layer2网络之间的跨链资产转移频率显著增加。这一趋势推动了更高效、更经济的交易，促进了比特币在各种应用中的更广泛采用和集成。比特币与Layer2网络之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。

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。这三种技术在信任假设、安全性、便捷性、交易额度等方面各有特点，能满足不同的应用需求。

中心化跨链交易速度快、撮合过程相对容易，但安全性完全依赖中心化机构，存在较高风险。BitVM跨链桥引入了乐观挑战机制，技术相对复杂，交易费较高，仅适用于超大额交易。跨链原子交换是去中心化的、不受审查、具有较好的隐私保护，能实现高频跨链交易，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哈希时间锁和适配器签名。基于哈希时间锁(HTLC)的原子交换是去中心化交换技术的重大突破，但存在隐私泄露问题。基于适配器签名的原子交换取代了链上脚本，更轻量、费用更低，且能实现隐私保护。

本文主要介绍适配器签名与跨链原子交换原理,分析其中存在的安全问题及解决方案,并探讨其在数字资产托管等领域的扩展应用。

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生成随机数r,计算R = r*G,向Bob发送R。

2. Bob选择随机数y,计算Y = y*G,向Alice发送Y。

3. Alice计算c = H(X,R+Y,m),s' = r + cx,将(R,s')发送给Bob。

4. Bob验证s'G ?= R + cX。若验证通过,Bob可以计算完整签名s = s' + y。

5. Bob广播交易(m,R+Y,s)。

6. Alice从广播的交易中获得s,计算y = s - s'。

通过这种方式,Alice和Bob可以实现跨链原子交换,保证交易的原子性。

ECDSA适配器签名与原子交换

ECDSA适配器签名的基本流程类似,主要区别在于签名的计算方式:

1. Alice生成随机数k,计算R = k*G,向Bob发送R。

2. Bob选择随机数y,计算Y = y*G,向Alice发送Y。

3. Alice计算r = R.x mod n, s' = k^(-1)(H(m) + rx) mod n,将(r,s')发送给Bob。

4. Bob验证R ?= (H(m)/s' + r*X/s') mod n。若验证通过,Bob可以计算完整签名s = s'/(1-s'y) mod n。

5. Bob广播交易(m,r,s)。

6. Alice从广播的交易中获得s,计算y = (s-s')/(s's) mod n。

ECDSA适配器签名还需要零知识证明来保证安全性。

问题与解决方案

随机数问题与解决方案

适配器签名中存在随机数泄露和重用的安全风险,可能导致私钥泄露。解决方案是使用RFC 6979规范,通过确定性方式生成随机数:

k = SHA256(sk, msg, counter)

这确保了使用相同私钥签署相同消息时,签名总是相同的,增强了可重现性和可预测性,同时避免了随机数重用的安全隐患。

跨链场景问题与解决方案

在UTXO模型和账户模型异构系统间进行跨链原子交换时,由于账户模型无法预先签名交易,需要使用智能合约来实现。这会牺牲一定的隐私性,但可以通过类似Tornado Cash的应用来提供隐私保护。

对于使用相同曲线但不同签名算法的系统,适配器签名仍然是安全的。但如果曲线不同,则不能直接使用适配器签名进行跨链交换。

数字资产托管应用

适配器签名可以用于实现非交互式的数字资产托管。主要流程如下:

1. Alice和Bob创建一个2-of-2 MuSig输出的funding交易。

2. Alice和Bob分别生成适配器签名,并用托管方公钥加密adaptor secret。

3. Alice和Bob验证对方的密文,然后签署并广播funding交易。

4. 发生争议时,托管方可以解密密文并提供adaptor secret给胜诉方。

这种方案不需要托管方参与初始化过程,且无需公开合约内容,具有较好的隐私性和灵活性。

可验证加密是实现这一方案的关键技术,目前主要有Purify和Juggling两种实现方式。Purify基于零知识证明,而Juggling采用分片加密的方式。两种方案各有优劣,可根据具体需求选择。

总结

适配器签名为跨链原子交换提供了一种隐私保护和高效的解决方案。通过合理设计和使用RFC 6979等技术,可以有效规避随机数相关的安全风险。在异构系统间应用时需要考虑模型差异和曲线兼容性。此外,适配器签名还可以扩展应用于数字资产托管等场景,为去中心化金融提供更多可能性。