如何將Qtum量子鏈與現有的隱私技術相結合

近日，Qtum量子鏈發起2019全球線上隱私主題黑客馬拉松，我們收到了許多關于大賽的問題——如何將Qtum與現有的隱私技術結合？哪些技術適合移植到Qtum上？在哪些具體的結合點上可以開發？本文通過結合Qtum與Zether的思考，希望帶給你更多隱私方向的啟發。

眾所周知，區塊鏈上交易和合約都處于透明狀態，不適合部分商業應用場景。Zether通過智能合約賦予區塊鏈隱私交易的功能，幫助了鏈上資產、投票、拍賣等應用的隱私化?？墒悄壳癦ether面臨Gas過高的問題，那我們怎么通過Qtum降低Gas和增加預編譯合約呢？

1. 簡介

區塊鏈網絡中，盡管用戶的地址來自于隨機生成的私鑰，但地址和實體之間的對應關系還是有可能被交易所、商戶泄漏，甚至被區塊鏈數據的抓取和聚類算法所挖掘。這種程度的隱私性限制了商業場景的應用。

隱私幣的熱潮中，出現了包括Monero、ZCash、Grin和Beam在內具有隱私特性的公有鏈，而這些也已經被大多數用戶所認可。但是它們使用的方法都需要對區塊鏈系統進行較大的改動，想要在現有的區塊鏈上去實現有一定的難度。

斯坦福大學的博士生Benedikt Bunz（Bulletproofs防彈協議發明者之一）、斯坦福大學教授Dan Boneh以及Visa研究部門，提出了一種基于以太坊智能合約的隱私協議：Zether。

Zether的基本想法是通過智能合約實現隱私交易——即隱藏交易的金額和賬戶的余額，并最終應用于拍賣、投票等場景中。為了滿足智能合約基于Account的特性，它提出了ElGamal encryption、Pending transfer、Rolling over等機制。為了增加Zether和其他合約的交互性，它又增加了lock/unlock的功能。為了提升Bulletproofs的性能，它使用新的Σ-Bullets進行代替。

Zether提出之后，受到了廣泛的關注。JP Morgan不但將其用于自己Quorum區塊鏈系統中，而且還嘗試對其進行進一步的改進。

Zether的最初設計文檔位于［1］，作者公布了部分源碼［2］。JP Morgan對其的改進文檔位于［3］，源碼位于［4］。

2. 原理

已有的隱私交易方法，例如Confidential Transactions［5］與其衍生方法MimbleWimble［6］，都是基于UTXO實現的。Zether的主要想法是將這一類方法應用到智能合約中，實現基于Account的隱私交易。為此，它對已有的方法進行了如下修改。

UTXO到Account

如果在智能合約中實現UTXO，會占用大量的存儲空間。所以Zether的一大主要工作是將Confidential Transactions的UTXO模型改造為Account模型。

ElGamal encryption

Confidential Transactions使用了Pedersen commitments隱藏每個UTXO的金額。如果對方發送給你一個Pedersen commitments取值錯誤的UTXO，不會影響你其他UTXO的使用。

當改成Account模型的時候，需要對每個用戶接收的UTXO進行金額累加，得到最終余額，存儲于合約中。但如果直接對Pedersen commitments進行累加，其中一個的錯誤會導致最終余額的錯誤，影響所有金額的使用。

因此，Zether采用了ElGamal encryption的方式，用接收方的公鑰來加密交易金額。這樣，接收方就能驗證加密金額的正確性，然后合入到余額中。

解決Front-running問題

交易的過程中，需要對交易金額和交易后余額進行范圍證明。但在Account模型中，如果你發起交易的同時，另一用戶給你發送了一筆交易，并且在你的交易之前打包進行了區塊，這樣余額就發生了改變，你交易中的范圍證明就不再有效。

因此，Zether提出了Pending transfers和Rolling over的機制。即用戶收到的交易并不立即合入到余額中，而是周期地合入。每個周期中，當你第一次與自己賬戶交互的時候，進行接收交易合入余額的操作。即，只有賬戶的所有者可以改變賬戶的余額。這樣，Front-running就不會發生。

重放攻擊保護

假定用戶在某個特定的余額下發起了一筆交易。當用戶再次出現這個余額時，則這筆交易能夠再次生效。這種情況就稱作Relay Attack（重放攻擊）。為了防止Relay Attack，Zether參照了Ethereum的方式，在每個賬號上加上了一個nonce。用戶每發起一筆交易，nonce的取值就會增加。用戶的交易都需要對nonce進行簽名，這樣就保證了每筆交易都無法被relay。

范圍證明

Zether使用了Σ-Bullets替代Bulletproofs。Σ-Bullets是Bulletproofs和Σ-protocols的結合。它的特點是可以證明更為復雜的陳述，且證明和驗證的過程更加高效。

3. 思考

評價Zether

Zether的優點如下：

1.基于智能合約實現，對區塊鏈底層邏輯不需要進行改動

2.基于Confidential Transactions方案修改，不需要zkSNARK那樣需要信任的初始化過程

Zether的缺點如下：

1.Gas消耗太高。如圖，每次Transfer需要7188k的Gas，其中6455k消耗在橢圓曲線相關計算上。

2.沒有隱藏地址。相比MimbleWimble，Zether沒有隱藏用戶的地址。需要后續進一步的改進。

還有2點問題值得考慮：

1. Zether官方并未對論文中的實現進行完全開源，所以無法對其進行充分驗證。只能嘗試對［4］中JP Morgan的改進算法進行驗證。

2. 需要考慮是否可以對Zether進行簡化，減少橢圓曲線的計算次數，從而減輕對節點計算資源的消耗。

Zether & Qtum

Zether舉例了4個主要的應用場景，包括Sealed-bid Auctions（私密競標的拍賣）、 Payment Channels（支付通道）、Stake Voting（權益證明投票）、Privacy-preserving Proof-of-Stake（保護隱私的PoS）。其中，前兩個是和隱私相關的商業應用場景，是Qtum當前重點關注的方向之一；后兩者增加了PoS過程的隱私性，可適用于Qtum共識機制的改進。

Zether目前Gas消耗太高，無法有效應用于Ethereum。以太坊的一些EIP［7］［8］可以降低其Gas，但需要很長的一段時間來實現這些改進。另外，通過增加預編譯合約來實現隱私算法中一些常用的算法，也會對Zether的應用有很大幫助。這些改進都可以基于Qtum來實現。

未來計劃

首先，需要在Qtum運行Zether的智能合約，查看其Gas消耗以及對節點計算資源的真實消耗。其次，需要深入調研其他基于智能合約的隱私方案，例如AZTEC［9］等。最后，可以考慮如何基于Qtum即將推出的x86虛擬機上增加一些隱私解決方案。