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。这一趋势受到Layer2技术提供的更高可扩展性、更低交易费用和高吞吐量的推动。这些进步促进了更高效、更经济的交易，从而推动比特币在各种应用中的更广泛采用和集成。因此，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。

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、易于实现，但安全性完全依赖于中心化机构。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、无需信任第三方、具有较好隐私保护的技术，能实现高频跨链交易，在去中心化交易所中应用广泛。

本文重点介绍基于适配器签名的跨链原子交换技术。适配器签名是一种附加签名,与初始签名结合以显示秘密数据,使双方能够同时向对方透露两部分数据。与基于哈希时间锁(HTLC)的原子交换相比,适配器签名交换具有以下优势:

1. 取代了链上脚本,实现了"隐形脚本"。
2. 链上占用空间更小,费用更低。
3. 交易无法链接,实现更好的隐私保护。

适配器签名与跨链原子交换

Schnorr适配器签名与原子交换

Schnorr适配器签名过程如下:

1. Alice生成随机数r,计算R = r·G
2. Alice计算适配器点Y = y·G
3. Alice计算预签名s^ = r + hash(R,Y,m)·x
4. Alice将(R,s^,Y)发送给Bob
5. Bob验证适配器签名
6. Bob通过计算s = s^ + y获得完整签名

原子交换流程:

1. Alice创建TX1,将比特币发送给Bob
2. Bob创建TX2,将代币发送给Alice
3. Alice生成适配器签名,发送给Bob
4. Bob验证适配器签名,广播TX2
5. Alice获得代币后,公开y
6. Bob获得完整签名,广播TX1完成交换

ECDSA适配器签名与原子交换

ECDSA适配器签名过程类似,主要区别在于:

1. 使用随机数k而非r
2. 计算R = k^(-1)·G
3. 预签名s^ = k^(-1)(hash(m) + x·R_x)
4. 完整签名s = s^ + y

原子交换流程与Schnorr类似。

问题与解决方案

随机数安全问题

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

k = SHA256(私钥, 消息, 计数器)

这确保了随机数的唯一性和可重现性,同时避免了随机数生成器的安全风险。

跨链场景问题

1. UTXO与账户模型异构:比特币使用UTXO模型,Bitlayer使用账户模型,需要通过智能合约实现原子交换。

2. 相同曲线不同算法:使用相同曲线(如Secp256k1)但不同签名算法(如Schnorr和ECDSA)是安全的。

3. 不同曲线:如果使用不同的椭圆曲线(如Secp256k1和ed25519),适配器签名将不安全。

数字资产托管应用

适配器签名可用于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
2. 双方交换预签名和加密的适配器秘密
3. 发生争议时,托管方可解密秘密给予一方
4. 获得秘密的一方可完成签名并广播交易

这种方案无需托管方参与初始化,且不需公开合约内容,具有非交互优势。

可验证加密是该方案的关键技术,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,分析了相关安全问题及解决方案,探讨了跨链场景下的系统异构问题,并介绍了基于适配器签名的非交互式数字资产托管应用。适配器签名为跨链交易提供了一种去中心化、隐私保护的新选择,有望在未来的区块链互操作性中发挥重要作用。