Несмотря на то, что Биткойн существует уже более десяти лет, первоочередная сеть испытывает сложности в поддержке более инновационных аналогов. Каждое обновление в сети требует значительного консенсуса и координации со стороны валидаторов и майнеров, что замедляет способность Биткойна адаптироваться к изменяющейся отрасли блокчейна.

После 2017 года и введенияSegreGate.iod Свидетель (SegWit), Биткойн ждал 4 целых года для нового обновления.Обновление TaprootЗатем было введено в 2021 году после 90% консенсуса. Обновление Taproot включает три предложения по улучшению биткойна (BIP), которые работают над повышением гибкости, масштабируемости и безопасности сети. Первое из этих BIP заменяет схему цифровой подписи Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) на более быстрый и безопасный механизм, подписи Schnorr.

Эта статья исследует эту выгодную альтернативу и то, как она влияет на сеть Биткойн.

Что такое подписи Шнорра?

Подписи Шнорра - схема цифровой подписи, которая выделяется своей простотой. Подписи Шнорра слегка напоминают ранее реализованную схему, ECDSA, однако первая имеет несколько преимуществ, включая мультиподписные транзакции.

Подписи Schnorr были созданы немецким криптографом еще в 1980 году, но не смогли примениться в основном криптопространстве из-за патента, который истек в 2008 году.

Что такое цифровая подпись?

Все криптовалюты вращаются вокруг так называемых цифровых подписей. Это потому, что на блокчейне собственность не представлена традиционными понятиями, такими как юридические документы и физические подписи. Цифровая природа криптовалют требует, чтобы собственность доказывалась с помощью цифровых данных. Криптографический метод доказательства этой собственности известен какцифровая подпись.

Цифровая подпись создается путем сложных математических вычислений, известных как криптография с закрытым и открытым ключом. Все транзакции Bitcoin включают два типа ключей: открытый и закрытый ключи. Закрытые ключи по сути являются набором случайных чисел, которые крайне сложно угадать. Они генерируются случайным образом компьютером и могут быть доступны только владельцу учетной записи или исполнителю транзакции. Вы можете представить их как пароли, которые хранятся в частном порядке пользователем и держатся в секрете.

Публичные ключи математически связаны с приватными ключами. Но в отличие от последних, они являются общедоступными и привязаны к каждой транзакции, которую пользователь совершает с одного и того же адреса кошелька. Сутью пары приватного и публичного ключа является то, что владелец приватного ключа может сгенерировать соответствующий публичный ключ, но то же самое сделать в обратном порядке невозможно.

Цифровые подписи создаются путем доказательства владения закрытым ключом без его раскрытия. Этот процесс включает в себя сложные математические процессы, такие как хеширование и структура сценария. Перед завершением любой транзакции в сети Bitcoin должна быть создана и проверена цифровая подпись.

Метод создания и проверки этих подписей известен как схема. Ранее Bitcoin использовал схему ECDSA, которая опиралась на эллиптические кривые и конечные поля. Однако с появлением Taproot валидаторы и майнеры сети проголосовали за изменение цифровой схемы подписи на Сигнатуры Шнорра, альтернативный механизм, предлагающий больше преимуществ.

Что такое ECDSA?

ECDSA - это бывшая схема цифровой подписи, используемая Bitcoin, и метод был выбран в основном из-за его доступности. На момент запуска Bitcoin существовал патент на подписи Шнорра, что делало схему эксклюзивной для ее создателей. Кроме того, схема ECDSA, основанная на эллиптических кривых и конечных полях, была лучше протестированной версией.

Как работают подписи Шнорра?

Как и ECDSA, подписи Schnorr зависят от криптографической техники пары закрытого-открытого ключа. Однако в этой схеме математические вычисления для предоставления цифровой подписи немного отличаются.

Подписи Шнорра, в некотором смысле, являются улучшенной версией схемы ECDSA. Вычисления Шнорра все еще включают в себя криптографию на эллиптических кривых (ECC); однако проблемы немного упрощены, что позволяет каждой транзакции занимать меньше места (памяти) в блоке. У подписей ECDSA нет стандартного размера хранения, но они находятся между 72 и 71 байтами. С другой стороны, подписи Шнорра более компактны, с максимальным размером подписи 64 байта.

Вычисления цифровой подписи в Schnorr также называются линейными. Это относится к простоте вычислений, которая позволяет вносить изменения для создания альтернативных криптографических результатов. Одним из таких результатов является протокол MuSig, который объединяет несколько подписей на сложной транзакции для создания всего одной подписи, независимо от того, сколько открытых ключей участвует.

Преимущества подписей Шнорра

Цифровая схема подписи ECDSA служила цифровым алгоритмом подписи биткойна более десятилетия, поскольку она хорошо функционировала. Но истинное развитие требует новых или лучших инноваций. Несмотря на то, что Шнорр является старой схемой, он предлагает больше преимуществ сети биткойна, основным из которых является масштабируемость, одна из самых больших проблем, с которой сеть биткойна столкнулась с момента своего появления.

Масштабируемость

Масштабируемость является одной из наиболее распространенных проблем в индустрии блокчейн. Это относится к способности сети работать эффективно под давлением увеличения транзакций, а также увеличения узлов блокчейна. Как первичная сеть, Биткойн гордится миллионами пользователей, но это количество ранее нагружало сеть, вызывая увеличение комиссий за транзакции и медленное время обработки транзакций. Вычисления Шнорра сжимают транзакции до меньших (хранилище) размеров, тем самым уменьшая объем места, занимаемого отдельной транзакцией при добавлении ее в блок. В результате майнеры могут добавлять больше транзакций в один блок и увеличивать общую скорость обработки транзакций в сети. В свою очередь, комиссии за транзакции в сети Биткойн будут снижены, поскольку проблемы масштабирования будут решены.

Мультиподпись (Агрегация подписей)

С ECDSA типичная цифровая подпись включает всего один открытый ключ, поэтому при транзакции с участием нескольких сторон и нескольких ключей создаются несколько подписей, эквивалентных количеству задействованных ключей. Цифровая подпись Шнорра хвастается функцией, известной как линейность, благодаря которой можно объединить транзакцию, включающую несколько открытых ключей (сторон), чтобы получить одну цифровую подпись. Такие транзакции, включающие несколько сторон, выглядят как любая другая транзакция. С точки зрения конфиденциальности это улучшение. Ранее многосторонние транзакции занимали больше места и легко отличались от обычных транзакций с одним ключом. Но с MuSig все транзакции в сети выглядят одинаково и неотличимы друг от друга.

Множественные подписанные транзакции прокладывают путь для пакетной верификации в сети Биткойн. Обычно каждая подпись и каждая транзакция проверяются одна за другой. Процесс часто требует много времени и ресурсов. Поскольку множественные подписанные транзакции реализованы путем агрегации всех общедоступных ключей, участвующих в них, узлы Биткойн могут проверять подписи пакетно, сокращая время и вычислительные мощности, используемые для проверки отдельной транзакции.

Schnorr и конфиденциальность

Подписи Шнорра предлагают значительный прирост конфиденциальности в сети Биткойн. Одним из их ключевых преимуществ является возможность эффективно проверять несколько подписей пакетно и аггрегировать их в одну подпись. Минимизируя размер транзакций, подписи Шнорра помогают скрыть количество участников, участвующих в мультиподписной транзакции, тем самым улучшая конфиденциальность и конфиденциальность транзакции.

Подписи Шнорра также повышают устойчивость Биткойна к атакам на изменяемость. Подписи Шнорра не поддается изменениям, что означает, что третья сторона не может их изменить без аннулирования подписи. Это свойство сохраняет целостность транзакций, тем самым способствуя конфиденциальности и безопасности.

Почему Биткойн так долго ждал, чтобы внедрить Шнорра?

Удивительно, подписи Шнорра существуют с 1980-х годов, когда они были созданыКлаус Петер Шнорр, немецкий математик и криптограф. После изобретения более простой схемы цифровой подписи он запатентовал ее, ограничив использование своей идеи. Однако патент истек в 2008 году и не был продлен.

Тем не менее, создавая Биткойн в 2009 году, Сатоши Накамотовыбрал ECDSA, более сложный, но открытый вариант. В то время ECDSA был стандартизирован и широко использовался по сравнению с подписями Шнорра, из-за недавно истекшего патента последнего. Кроме того, ECDSA поддерживался OpenSSL, криптографической библиотекой, на основе которой был создан кодовой базис Биткоина.

Так Биткойн продолжал реализовывать ECDSA в качестве своей схемы цифровой подписи без внутренних контраргументов до 2014 года, когда она была предложена на форуме Bitcoin Talk. Контрибьюторы Bitcoin Core Питер Вуиле, Йонас Ник и Тим Руффинг в конечном итоге разработали предложение по улучшению Биткойна, выделив, как Шнорр Сигнатуры могут вписаться в сеть Биткойна. Их предложение позже было помечено как BIP 340 и включено в обновление Taproot 2021 года.

Заключение

Schnorr - это много подписная система, которая позволяет завершать транзакции BTC с меньшим количеством данных, чем традиционная система подписей (ECDSA). Schnorr не только улучшает масштабируемость и конфиденциальность использования мультиподписей, как это было описано ранее, но также позволяет другим BIP, потенциально прокладывая путь для будущих разработок, таких как смарт-контракты в Bitcoin.