深度解析NEAR的私密交易功能_OUT

就在不久前，NEAR宣布與ZeroPool建立合作關系，后者將在NEAR協議中增加對私密交易功能的支持。目前，在NEAR的平臺上，所有交易都和比特幣和以太坊一樣，全部公開可查。也就是說，對于每筆交易，發起方、接收方和交易金額等信息都是對外公開的。采用這種方式能夠保證每個人都有權利審計賬簿，確認交易的有效性，同時還可以有效杜絕雙花現象的發生。

在很多情況下，理想的交易方式是：只有交易的參與者才能看到交易的詳細內容。而要滿足這一要求，同時保證賬簿仍然是可被驗證的是一項復雜的工作，需要用到高深的密碼學技術。在這篇文章中，筆者將從技術的角度深度解析如何在NEAR系統中實現私密交易功能，即在保證驗證交易正確性的工作不受到任何損害的情況下，使交易的各個參與方與交易金額等信息處于隱藏狀態。下面我們切入主題：

未經花費的輸出

在NEAR生態里，我們一般使用賬戶模型作為記賬方式，私密交易使用的則是UTXO（未經花費的輸出）模型。每一個UTXO都是一個元組，包含數額，接收方，salt三個元素，其中數額指交易金額，接收方其實是通證接收方的公鑰，而“salt”只是一些隨機數。

所有的UTXO都儲存在一個默克爾樹上，該默克爾樹有一個預設高度，高度值的大小決定了在該默克爾樹存在的整個生命周期內，交易池可以處理的交易數量的上限/下限。

圖：UTXO默克爾根

默克爾樹上的每一個分支（樹葉）或是一個UTXO，或是null（空值）。每一個null代表一個空位，未來可以填充進一個新的UTXO。一旦一個空值被填滿后，便不可回歸到初始狀態。所有的分支最初都是空值狀態，即都為null。

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除了接收方，真正的UTXO不會透露給任何人。因此，默克爾樹上的分支實際上是UTXO的哈希值，這也是為什么“salt”需要存在的原因。如果沒有了它，一旦Alice知道了Bob的公鑰，就可以使用不同的數字，來驗證Bob的公鑰（哈希值）是否出現在了默克爾樹上，從而暴力破解交易金額。此時，Bob的交易也就不再匿名了。

圖： 默克爾根

交易

假設Alice想私下里給Bob轉一些通證。屬于Alice的通證存放在UTXO里，通證的接收者相當于Alice的公鑰。為了讓交易保持私密狀態，Alice用如下形式創建了一次交易：

這筆交易有2個輸入和2個輸出（輸入和輸出的確切數量不一定為2，但是必須要相同——所有交易都是如此），這里的輸入是一些既有的UTXO，對應默克爾樹上的分支；輸出則是全新的UTXO，未來將被添加至默克爾樹。

當Alice發起交易時，如果她發布的恰好是兩個正在被花費的UTXO，就會將該交易鏈接至生成這兩個UTXO的交易上。而建立交易池的目的恰恰是為了保證這樣的鏈接不能被建立，以確保輸入型UTXO不會被發布出去。那么問題來了，如何才能確保在交易的過程中，驗證節點可以確認一筆交易花費的是已有的UTXO，同時又不會對外公布正在被花費的真實的UTXO呢？

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與眾多隱私保護交易引擎一樣，ZeroPool使用了一種非交互性的零知識證明（zk-SNARK）來實現私密交易。針對某種特定計算的零知識證明能夠支持以下形式的密碼證明：

給定的公開輸入1，公開輸入2…

已知某種私密輸入1，私密輸入2…

可得到[某種結論]

此類知識證明的工作原理不在本文討論范圍之內。有關此問題的更多信息，可以點擊該博客鏈接查詢。如果想以一種最簡單的方式達成私密交易，知識論證可以具有以下形式：

給定默克爾根以及兩個哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，

已知有四個這樣的UTXO：IN1，IN2，OUT1，OUT2，兩個默克爾證明P1和P2以及一個私鑰x，

OUT1和OUT2對應的哈希值分別為OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收者相當于與x對應的公鑰X；merkel證明P1和P2是在默克爾根已確定的默克爾樹中包含IN1和IN2的有效證明；IN1和IN2中的數量之和等于OUT1和OUT2中的數量之和。

交易則包含merkle_root，out_hash1，out_hash2，以及知識證明。交易中的任何內容都不會暴露輸出型UTXO的接收者，也不會將輸出型UTXO鏈接到特定的輸入型UTXO。并且，連交易金額這樣的信息也不會在交易過程中對外展示。

馬云：阿里巴巴將和安徽在區塊鏈等行業加強深度合作:安徽省委書記李錦斌與馬云公益基金會創始人馬云和阿里巴巴集團、螞蟻金服集團有關負責人舉行工作會談。馬云對安徽近年來經濟社會發展取得的巨大成績表示欽佩。他表示，阿里巴巴集團將和安徽建立定期協商聯席機制，在智能制造、工業互聯網、區塊鏈、電子商務、跨境貿易、智慧旅游等行業加強深度合作，更好助力數字江淮建設，為安徽高質量發展作出更大貢獻。(安徽日報)[2020/6/7]

舉例說明：如上圖所示，假設該默克爾樹的第一個和第三個UTXO以Alice為接收者，對應的金額分別為$100和$17，Alice知道這兩個UTXO，但是對樹上的其他任何UTXO都未知。如果她想向Bob發送$42，通常的做法是她會首先創建一筆交易，這筆交易會使用她的兩個UTXO作為輸入，同時創建兩個輸出：——一個向Bob發送$42，另一個將剩下的75$返給她自己。她將屬于Bob的UTXO告訴了對方，但是其余的UTXO只有她自己知道，旁人無從知曉。并且，甚至連輸入型的UTXO的哈希值也是保密的。

智能合約負責對交易池進行日常維護，一旦該合約收到了一筆這樣的交易，便會對知識證明進行驗證。驗證無誤后，就會將兩個新的UTXO添加至默克爾樹上。

Bob從Alice處收到UTXO后，會等待一段時間，直到UTXO的哈希值被默克爾樹收錄之后，他才從真正意義上獲得了這些通證。

這種方式雖看似簡單，但存在一個問題，即相同的UTXO可能會被重復使用。由于除了Alice沒有人知道輸入型UTXO的哈希值，交易池便無法將已消耗的UTXO從默克爾樹上移除，因為連它也不知道先從哪個開始移除。

公告 | 云南：促進區塊鏈等技術與林草事業高質量發展深度融合:1月13日，云南省林業和草原工作會議在昆明召開。會議指出，要搶抓數字經濟發展歷史性機遇，以中國林業雙中心為牽引，加快推進“數字林業”建設，促進互聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術與林草事業高質量發展深度融合，推進林草決策管理、社會服務、生態治理現代化。建立數據共享交換機制，大力推進林草數據資源協同共享，努力實現全國林草非涉密數據100%開放共享，全面提升林草面向政府、企業、公眾的開放與共享服務能力。（云南省林業和草原局）[2020/1/16]

如果Alice創建2個不同的零知識證明，但是消耗了同樣的2個輸入，每個人都能驗證兩筆交易消耗了一些原本存在于默克爾樹上的UTXO，但是卻無法得知兩筆交易中消耗的UTXO其實是一樣的。為了解決這個問題，我們引入了nullifier的概念。簡單來說，nullifier是UTXO的哈希值，同時也是UTXO接收者的私鑰。然后，我們將交易的知識證明更改為以下內容：

給定默克爾根，以及兩個哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，另外兩個哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2，

OUT1和OUT2對應的哈希分別是OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收者相當于與x對應的公鑰X；默克爾證明P1和P2是在有確定的默克爾根的樹中包含IN1和IN2的有效證明；IN1和IN2中的總和等于OUT1和OUT2中的總和；并且hash（IN1，x）等于NULLIFIER1，hash（IN2，x）等于NULLIFIER2

請注意，任何花費特定UTXO的交易計算的都是相同的NULLIFIER值，因為NULLIFIER僅取決于UTXO的哈希值和UTXO中公鑰對應的私鑰。由于上述知識證明中的NULLIFIER是在公開的“給定”語句（Clause）中，因此如果曾經發布過使用相同UTXO的兩筆交易，每個人都可以得知它們具有相同的NULLIFIER，并舍棄后出現的那筆交易。同樣值得注意的是，只要用于計算它的哈希是抗原像攻擊的，NULLIFIER就不會顯示有關輸入型UTXO或接收方私鑰的任何信息。

新華書店深度關注和應用區塊鏈技術，解決行業痛點:《中國新聞出版廣電報》報道，以浙江新華書店集團為代表的傳統發行渠道，逐漸重視開發和運營數字資源平臺，并深度關注和應用區塊鏈技術，為解決行業痛點提出了技術和服務的全面解決方案。比如，浙江新華的蕓臺購館配中盤服務云平臺，便被業界認為采用的模式和技術完全符合實際需求。[2018/4/20]

通證充提

上述類型的交易可用于池內資產的轉移，但對于一個功能完善的交易池來說，必須同時支持池內外的資金轉移。因此，我們在私密交易的格式中加入了一個額外的字段，稱為delta，如此一來，輸入型UTXO的總量就等于輸出型UTXO數量+delta。

給定默克爾樹，兩個哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，另外兩個哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2，以及一個delta值。

已知對于IN1，IN2，OUT1，OUT2計4個UTXO，兩個默克爾證明P1和Ｐ2，還有一個私鑰x，

則OUT1與OUT2對應的哈希值分別為OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的交易接收方相當于與私鑰x對應的公鑰X；默克爾證明Ｐ1和P2是有給定哈希根的包含IN1和IN2的merkel樹的有效證明；IN1和IN2數量等于OUT1，OUT2數量總和再加上delta值；hash（IN1，x）等于NULLIFIER1；hash（IN2，x）等于NULLIFIE2R。

需要注意的是，delta在給定語句中，因此是公開的。NEAR在處理上述類型的交易時，若delta值為負（即一筆私密交易中輸入通證比輸出通證少），多出來的通證會存入交易發起方的賬戶中；若delta值為正（即一筆私密交易中輸入通證比輸出通證多），則只有在剩余通證被補足時交易才有效。

交易手續費

私密交易禁止在新創建的UTXO和曾被用作交易輸入的UTXO之間建立聯系。不過對于任何將被記錄在NEAR鏈上的交易而言，交易的發出者都必須支付gas費。也正是因為這個原因，該發出者的賬戶中必須有一定數量的NEAR通證。該賬戶可能不知通過什么手段獲得了一些NEAR通證，從而在上文提到的兩種UTXO之間創建了某種聯系，私密交易的目的會因此大為受挫。

為了解決這個問題，我們在系統中引入了中繼者（Relayer）的概念。假設Alice想給Bob發送一筆交易，并打算讓Ryan充當中繼者。這筆交易的gas費用小于?1，而Alice愿意支付給Ryan?1，讓Ryan幫他把交易上鏈。

Alice甚至可能都沒有NEAR賬戶，此時的她創建了一筆私密交易。在這筆交易中，作為交易輸入的兩個UTXO的資金總額比作為交易輸出的UTXO的資金總額正好少?1。剩余的?1被提取至交易提交方的賬戶中。Ryan從Alice處收集到這筆交易信息，驗證其有效性，并用自己的賬戶提交交易。整個過程消耗的gas費小于?1，但是他最后卻得到了?1的酬勞 。

Alice最終在沒有暴露自己身份的情況下提交了一筆交易，Ryan則獲得了一筆小額的回報。請注意在交互中，任何一方都無需取得他人的信任：Ryan不能以任何形式篡改交易，留給他的只有兩個選擇：要么提交，要么放棄。因此，對于Alice來說最大的風險就是她的交易可能沒有被提交（這種情況下她可以請另一個中繼人）。由于Ryan在交易提交之前就驗證了交易，因此除非另一個中繼人捷足先登，否則Ryan便不會有花費了gas卻得不到回報的風險。

未來發展

上文描述的這種模型已經是一個可以完全滿足私密交易的交易池了。接下來，筆者會從幾個方面簡要描述一下如何提高交易池的安全性或使用性。

在我們描述如上交易的過程中，筆者曾提到當Alice悄悄將通證發給Bob的同時，也將新創建的UTXO分享給了對方。這一過程的實現需要Alice與Bob在鏈下交流，而這是我們不希望看到的。為了解決這一問題，我們可以對交易池進行擴展，使其可以存儲所有的用交易接收方的公鑰加密的UTXO。當Alice將資產轉給Bob并創建2個新的UTXO后，Bob作為接收方，其公鑰會被Alice用來對UTXO加密。

再來看Bob，他監控著所有新創建的UTXO，并試著用自己的私鑰對其逐個解密。一旦他試到Alice創建的UTXO，則解密成功——這樣，Bob就完全通過NEAR特有的鏈上溝通的方式發現了他們的UTXO。

解耦簽名與證明

當Alice創建一筆交易后，她需要使用自己的私鑰信息，設計一個復雜的證明。因此，計算該證明的機器需要獲取她的私鑰，而這是我們不愿意看到的。總的來說，私鑰最好用某些外部的硬件設備加以存儲，這類硬件的功能通常會比較單一，比如有些產品只有消息簽名這一個功能。對于這種硬件來說，運算知識證明通常在他們的功能之外。

為了適配這些硬件，我們生成3個密鑰，而不是傳統的公私鑰對：私鑰，解譯鑰和公鑰。在這種情況下，用公鑰加密的某條信息可以使用解譯鑰來解密。同理，私鑰簽名可以通過解譯鑰來驗證。只有公鑰是大家都能看到的。解譯鑰被儲存在一個運算交易證明的設備上，而私鑰被儲存在外接設備中，該設備只能對信息進行簽名。

我們可以使用以下方式對知識證明做一些修改：

給定默克爾根，兩個哈希值OUT_HASH1和OUT_HASH2，以及另外兩個哈希值NULLIFIER1和NULLIFIER2

已知有IN1，IN2，OUT1，OUT2四個UTXO，兩個默克爾證明P1和P2，一個解譯鑰d和一個簽名s。

OUT1，OUT2對應的哈希值為OUT_HASH1和OUT_HASH2；IN1和IN2中的接收方相當于和d對應的公鑰X；默克爾證明P1和P2是給定哈希根的默克爾樹包含IN1，IN2的有效證明；IN1與IN2數量之和等于OUT1與OUT2的數量之和；hash（IN1，d）等于NULLIFIER1；hash（IN2，d）等于NULLIFIER2，s是message（IN1，IN2，OUT1，OUT2）的簽名、并對于d有效。

當Alice想要創建一筆交易時，她會使用硬件設備簽名（IN1，IN2，OUT1，OUT2），然后使用簽名s在只能獲取解譯鑰的機器上生成證明。需要注意的是，如果無法使用硬件設備，Alice就無法生成簽名s，也就不能花出這筆錢——即使獲取了用于生成證明的機器的使用權限也不行。

支持更多通證

私密交易并不僅僅局限于NEAR通證。開發人員只需作輕微調整，便可讓交易池可以支持任何發行在NEAR平臺上的通證。具體的實現方式本文不再贅述。

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