OUT:深度解析NEAR的私密交易功能_ALI

就在不久前，NEAR宣布与ZeroPool建立合作关系，后者将在NEAR协议中增加对私密交易功能的支持。目前，在NEAR的平台上，所有交易都和比特币和以太坊一样，全部公开可查。也就是说，对于每笔交易，发起方、接收方和交易金额等信息都是对外公开的。采用这种方式能够保证每个人都有权利审计账簿，确认交易的有效性，同时还可以有效杜绝双花现象的发生。

在很多情况下，理想的交易方式是：只有交易的参与者才能看到交易的详细内容。而要满足这一要求，同时保证账簿仍然是可被验证的是一项复杂的工作，需要用到高深的密码学技术。在这篇文章中，笔者将从技术的角度深度解析如何在NEAR系统中实现私密交易功能，即在保证验证交易正确性的工作不受到任何损害的情况下，使交易的各个参与方与交易金额等信息处于隐藏状态。下面我们切入主题：

未经花费的输出

在NEAR生态里，我们一般使用账户模型作为记账方式，私密交易使用的则是UTXO（未经花费的输出）模型。每一个UTXO都是一个元组，包含数额，接收方，salt三个元素，其中数额指交易金额，接收方其实是通证接收方的公钥，而“salt”只是一些随机数。

所有的UTXO都储存在一个默克尔树上，该默克尔树有一个预设高度，高度值的大小决定了在该默克尔树存在的整个生命周期内，交易池可以处理的交易数量的上限/下限。

图：UTXO默克尔根

默克尔树上的每一个分支（树叶）或是一个UTXO，或是null（空值）。每一个null代表一个空位，未来可以填充进一个新的UTXO。一旦一个空值被填满后，便不可回归到初始状态。所有的分支最初都是空值状态，即都为null。

Vitalik：以太坊需要改进的不仅是协议的功能，需要对应用程序和钱包进行深度改变:金色财经报道，以太坊创始人Vitalik Buterin发布《The Three Transitions》文章。Vitalik称，当以太坊从一个年轻的实验性技术过渡到一个成熟的技术栈，能够真正为普通用户带来开放、全球和无需许可的体验，堆栈需要大致同时经历三个主要的技术过渡：向L2扩展过渡，每个人都转向Rollup；向钱包安全过渡，每个人都使用智能合约钱包；向隐私过渡，确保保护隐私的资金转移可行。

由于上述原因，这三个转变至关重要。但它们也具有挑战性，因为要妥善解决这些问题需要密切协调。需要改进的不仅是协议的功能；在某些情况下，我们与以太坊交互的方式需要从根本上改变，需要对应用程序和钱包进行深度的改变。[2023/6/9 21:27:01]

除了接收方，真正的UTXO不会透露给任何人。因此，默克尔树上的分支实际上是UTXO的哈希值，这也是为什么“salt”需要存在的原因。如果没有了它，一旦Alice知道了Bob的公钥，就可以使用不同的数字，来验证Bob的公钥（哈希值）是否出现在了默克尔树上，从而暴力破解交易金额。此时，Bob的交易也就不再匿名了。

图： 默克尔根

交易

假设Alice想私下里给Bob转一些通证。属于Alice的通证存放在UTXO里，通证的接收者相当于Alice的公钥。为了让交易保持私密状态，Alice用如下形式创建了一次交易：

江西省将推动区块链等与监测行业深度融合:“十四五”期间，江西省将大力推进智慧监测，推动物联网、区块链、人工智能、5G通信等新一代信息技术与监测行业的深度融合。（中国环境报）[2021/5/29 22:54:17]

这笔交易有2个输入和2个输出（输入和输出的确切数量不一定为2，但是必须要相同——所有交易都是如此），这里的输入是一些既有的UTXO，对应默克尔树上的分支；输出则是全新的UTXO，未来将被添加至默克尔树。

当Alice发起交易时，如果她发布的恰好是两个正在被花费的UTXO，就会将该交易链接至生成这两个UTXO的交易上。而建立交易池的目的恰恰是为了保证这样的链接不能被建立，以确保输入型UTXO不会被发布出去。那么问题来了，如何才能确保在交易的过程中，验证节点可以确认一笔交易花费的是已有的UTXO，同时又不会对外公布正在被花费的真实的UTXO呢？

与众多隐私保护交易引擎一样，ZeroPool使用了一种非交互性的零知识证明（zk-SNARK）来实现私密交易。针对某种特定计算的零知识证明能够支持以下形式的密码证明：

给定的公开输入1，公开输入2…

已知某种私密输入1，私密输入2…

可得到[某种结论]

此类知识证明的工作原理不在本文讨论范围之内。有关此问题的更多信息，可以点击该博客链接查询。如果想以一种最简单的方式达成私密交易，知识论证可以具有以下形式：

给定默克尔根以及两个哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，

已知有四个这样的UTXO：IN1，IN2，OUT1，OUT2，两个默克尔证明P1和P2以及一个私钥x，

OUT1和OUT2对应的哈希值分别为OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收者相当于与x对应的公钥X；merkel证明P1和P2是在默克尔根已确定的默克尔树中包含IN1和IN2的有效证明；IN1和IN2中的数量之和等于OUT1和OUT2中的数量之和。

声音 | 王新哲：区块链等技术正深度重构全球产业模式、企业形态和价值链分工:据人民网消息，今日，工业和信息化部总经济师王新哲表示，当前世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期，以人工智能、移动通信、工业互联网、量子信息、区块链等为代表的新一代信息技术加速突破应用，正在深度重构全球产业模式、企业形态和价值链分工。[2019/1/20]

交易则包含merkle_root，out_hash1，out_hash2，以及知识证明。交易中的任何内容都不会暴露输出型UTXO的接收者，也不会将输出型UTXO链接到特定的输入型UTXO。并且，连交易金额这样的信息也不会在交易过程中对外展示。

举例说明：如上图所示，假设该默克尔树的第一个和第三个UTXO以Alice为接收者，对应的金额分别为$100和$17，Alice知道这两个UTXO，但是对树上的其他任何UTXO都未知。如果她想向Bob发送$42，通常的做法是她会首先创建一笔交易，这笔交易会使用她的两个UTXO作为输入，同时创建两个输出：——一个向Bob发送$42，另一个将剩下的75$返给她自己。她将属于Bob的UTXO告诉了对方，但是其余的UTXO只有她自己知道，旁人无从知晓。并且，甚至连输入型的UTXO的哈希值也是保密的。

智能合约负责对交易池进行日常维护，一旦该合约收到了一笔这样的交易，便会对知识证明进行验证。验证无误后，就会将两个新的UTXO添加至默克尔树上。

Bob从Alice处收到UTXO后，会等待一段时间，直到UTXO的哈希值被默克尔树收录之后，他才从真正意义上获得了这些通证。

声音 | 人民法院报：区块链等固证存证手段在司法领域深度运用:今日，人民法院报刊文指出，智慧法院建设给司法带来深刻变化。如互联网诉讼平台建设，包括在线诉讼的当事人身份认证、在线立案、在线庭审、电子证据认证、电子送达、电子签名、电子笔录、电子档案等，其中运用可信时间戳、哈希值校验、区块链等固证存证手段都表明了前沿技术在司法领域的深度运用。[2018/11/1]

这种方式虽看似简单，但存在一个问题，即相同的UTXO可能会被重复使用。由于除了Alice没有人知道输入型UTXO的哈希值，交易池便无法将已消耗的UTXO从默克尔树上移除，因为连它也不知道先从哪个开始移除。

如果Alice创建2个不同的零知识证明，但是消耗了同样的2个输入，每个人都能验证两笔交易消耗了一些原本存在于默克尔树上的UTXO，但是却无法得知两笔交易中消耗的UTXO其实是一样的。为了解决这个问题，我们引入了nullifier的概念。简单来说，nullifier是UTXO的哈希值，同时也是UTXO接收者的私钥。然后，我们将交易的知识证明更改为以下内容：

给定默克尔根，以及两个哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，另外两个哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2，

OUT1和OUT2对应的哈希分别是OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收者相当于与x对应的公钥X；默克尔证明P1和P2是在有确定的默克尔根的树中包含IN1和IN2的有效证明；IN1和IN2中的总和等于OUT1和OUT2中的总和；并且hash（IN1，x）等于NULLIFIER1，hash（IN2，x）等于NULLIFIER2

请注意，任何花费特定UTXO的交易计算的都是相同的NULLIFIER值，因为NULLIFIER仅取决于UTXO的哈希值和UTXO中公钥对应的私钥。由于上述知识证明中的NULLIFIER是在公开的“给定”语句（Clause）中，因此如果曾经发布过使用相同UTXO的两笔交易，每个人都可以得知它们具有相同的NULLIFIER，并舍弃后出现的那笔交易。同样值得注意的是，只要用于计算它的哈希是抗原像攻击的，NULLIFIER就不会显示有关输入型UTXO或接收方私钥的任何信息。

数字钱包Dbank将与360继续深度合作:360上周首次发布针对区块链领域的安全解决方案，今日又发现了EOS史诗级安全漏洞。作为360在数字钱包领域的首家战略合作方，Dbank表示将和360就安全和DAPP实现场景等领域继续展开深度合作。双方将结合360安全大脑，深度挖掘用户在数字钱包领域的需求，加固核心代码，同时拓展EOS超级节点安全解决方案和区块链应用落地场景。

Dbank核心安全技术由360支持，具备包括包括“手机病检测”、“数字证书安全”、“虚假合约地址识别”等10层安全防护。同时有便捷的“EOS一键映射”功能。[2018/5/29]

通证充提

上述类型的交易可用于池内资产的转移，但对于一个功能完善的交易池来说，必须同时支持池内外的资金转移。因此，我们在私密交易的格式中加入了一个额外的字段，称为delta，如此一来，输入型UTXO的总量就等于输出型UTXO数量+delta。

给定默克尔树，两个哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，另外两个哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2，以及一个delta值。

已知对于IN1，IN2，OUT1，OUT2计4个UTXO，两个默克尔证明P1和Ｐ2，还有一个私钥x，

则OUT1与OUT2对应的哈希值分别为OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的交易接收方相当于与私钥x对应的公钥X；默克尔证明Ｐ1和P2是有给定哈希根的包含IN1和IN2的merkel树的有效证明；IN1和IN2数量等于OUT1，OUT2数量总和再加上delta值；hash（IN1，x）等于NULLIFIER1；hash（IN2，x）等于NULLIFIE2R。

需要注意的是，delta在给定语句中，因此是公开的。NEAR在处理上述类型的交易时，若delta值为负（即一笔私密交易中输入通证比输出通证少），多出来的通证会存入交易发起方的账户中；若delta值为正（即一笔私密交易中输入通证比输出通证多），则只有在剩余通证被补足时交易才有效。

交易手续费

私密交易禁止在新创建的UTXO和曾被用作交易输入的UTXO之间建立联系。不过对于任何将被记录在NEAR链上的交易而言，交易的发出者都必须支付gas费。也正是因为这个原因，该发出者的账户中必须有一定数量的NEAR通证。该账户可能不知通过什么手段获得了一些NEAR通证，从而在上文提到的两种UTXO之间创建了某种联系，私密交易的目的会因此大为受挫。

为了解决这个问题，我们在系统中引入了中继者（Relayer）的概念。假设Alice想给Bob发送一笔交易，并打算让Ryan充当中继者。这笔交易的gas费用小于?1，而Alice愿意支付给Ryan?1，让Ryan帮他把交易上链。

Alice甚至可能都没有NEAR账户，此时的她创建了一笔私密交易。在这笔交易中，作为交易输入的两个UTXO的资金总额比作为交易输出的UTXO的资金总额正好少?1。剩余的?1被提取至交易提交方的账户中。Ryan从Alice处收集到这笔交易信息，验证其有效性，并用自己的账户提交交易。整个过程消耗的gas费小于?1，但是他最后却得到了?1的酬劳 。

Alice最终在没有暴露自己身份的情况下提交了一笔交易，Ryan则获得了一笔小额的回报。请注意在交互中，任何一方都无需取得他人的信任：Ryan不能以任何形式篡改交易，留给他的只有两个选择：要么提交，要么放弃。因此，对于Alice来说最大的风险就是她的交易可能没有被提交（这种情况下她可以请另一个中继人）。由于Ryan在交易提交之前就验证了交易，因此除非另一个中继人捷足先登，否则Ryan便不会有花费了gas却得不到回报的风险。

未来发展

上文描述的这种模型已经是一个可以完全满足私密交易的交易池了。接下来，笔者会从几个方面简要描述一下如何提高交易池的安全性或使用性。

在我们描述如上交易的过程中，笔者曾提到当Alice悄悄将通证发给Bob的同时，也将新创建的UTXO分享给了对方。这一过程的实现需要Alice与Bob在链下交流，而这是我们不希望看到的。为了解决这一问题，我们可以对交易池进行扩展，使其可以存储所有的用交易接收方的公钥加密的UTXO。当Alice将资产转给Bob并创建2个新的UTXO后，Bob作为接收方，其公钥会被Alice用来对UTXO加密。

再来看Bob，他监控着所有新创建的UTXO，并试着用自己的私钥对其逐个解密。一旦他试到Alice创建的UTXO，则解密成功——这样，Bob就完全通过NEAR特有的链上沟通的方式发现了他们的UTXO。

解耦签名与证明

当Alice创建一笔交易后，她需要使用自己的私钥信息，设计一个复杂的证明。因此，计算该证明的机器需要获取她的私钥，而这是我们不愿意看到的。总的来说，私钥最好用某些外部的硬件设备加以存储，这类硬件的功能通常会比较单一，比如有些产品只有消息签名这一个功能。对于这种硬件来说，运算知识证明通常在他们的功能之外。

为了适配这些硬件，我们生成3个密钥，而不是传统的公私钥对：私钥，解译钥和公钥。在这种情况下，用公钥加密的某条信息可以使用解译钥来解密。同理，私钥签名可以通过解译钥来验证。只有公钥是大家都能看到的。解译钥被储存在一个运算交易证明的设备上，而私钥被储存在外接设备中，该设备只能对信息进行签名。

我们可以使用以下方式对知识证明做一些修改：

给定默克尔根，两个哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，以及另外两个哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2

已知有IN1，IN2，OUT1，OUT2四个UTXO，两个默克尔证明P1和P2，一个解译钥d和一个签名s。

OUT1，OUT2对应的哈希值为OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收方相当于和d对应的公钥X；默克尔证明P1和P2是给定哈希根的默克尔树包含IN1，IN2的有效证明；IN1与IN2数量之和等于OUT1与OUT2的数量之和；hash（IN1，d）等于NULLIFIER1；hash（IN2，d）等于NULLIFIER2，s是message（IN1，IN2，OUT1，OUT2）的签名、并对于d有效。

当Alice想要创建一笔交易时，她会使用硬件设备签名（IN1，IN2，OUT1，OUT2），然后使用签名s在只能获取解译钥的机器上生成证明。需要注意的是，如果无法使用硬件设备，Alice就无法生成签名s，也就不能花出这笔钱——即使获取了用于生成证明的机器的使用权限也不行。

支持更多通证

私密交易并不仅仅局限于NEAR通证。开发人员只需作轻微调整，便可让交易池可以支持任何发行在NEAR平台上的通证。具体的实现方式本文不再赘述。

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