智能合约世界的隐私方案，Zether将为以太坊带来什么？

前言：

当前，类似以太坊这样的区块链智能合约平台已经变得非常流行。虽然不同类型的去中心化应用，可以很容易地构建在这样的平台上，但目前似乎没有为它们增加一个有意义的隐私层的简单方法。而来自斯坦福大学的博士生Benedikt Bunz（Bulletproofs防弹证明方案作者之一）、斯坦福大学教授Dan Boneh以及来自Visa研究部门的Shashank Agrawal以及Mahdi Zamani，联合提出了一种针对以太坊智能合约平台的隐私方案：Zether。它与以太坊以及其他智能合约平台兼容，在效率和可用性方面，该协议采用了类似于以太坊的基于账户的方法。论文的作者们描述了保护Zether免受重放攻击和非正常预先交易（front-running）的技术。此外，他们还开发了一种机制来实现与任意智能合约的互操作性。这有助于一些流行的去中心化应用，如拍卖、支付通道，投票等。

而该方案，也得到了智能合约之父尼克.萨博（Nick Szabo）的转发支持。

作为协议的一部分，作者们还提出了Σ-Bullets，这是现有零知识证明系统Bulletproofs（防弹证明）的改进版本，Σ-Bullets使得Bulletproofs（防弹协议）与Sigma协议变得更具互操作性。研究者们将Zether作为以太坊智能合约实施，并通过测量Zether合约使用的gas量，来展示该设计的实用性。在2019年2月初的实验中，一笔Zether保密交易的成本大约是0.014 ETH（大约1.51美元），目前研究者们正在讨论对以太坊虚拟机的一种小更改（独立于Zether），而这将极大地降低Zether保密交易的成本。

(图片来自：pxhere.com)

 

相关的加密货币隐私技术方案

 

在详细了解Zether隐私方案之前，我们先快速回顾一下市场上已经存在的隐私技术方案：

用于比特币的保密交易（CT）首先是由Maxwell提出的，他用佩德森承诺（Pedersen commitments ）和OR-proofs来建立一个支付机制，其中交易金额是隐藏的，但可验证一笔交易的输出之和是否超过输入的总和。门罗币（Monero）则更进一步，其使用了一种特殊类型的签名方案，以隐藏由 发送方（匿名集）选择的UTXO集交易的起源地及目的地，然而，门罗的签名大小是随匿名集的大小而线性增加的。而Zether扩展的匿名属性，类似于门罗（但它们的模型是不同的）。

ZCash基于的是Zerocash协议，其使用了一种称为zkSNARKs的更为复杂的零知识证明系统，以次线性成本提供了匿名性。发送者和接受者隐藏在使用屏蔽地址的人群当中。使用SNARKs的其中一个缺点是，需要预先生成一个大的公共引用字符串（CRS），而这种方式没有人知道陷门，这是一项具有挑战性的任务。发送方需要下载这个公共引用字符串（CRS），并为一个大型回路生成证明，而这是非常耗时的。

还有其他几种方法可以使区块链交易实现匿名。CoinJoin为一组用户提供了一种共同创建比特币交易的方法。 (MimbleWimble/Grin）结合了保密交易（CT）和CoinJoin等技术，以非交互方式聚合交易。CoinShuffle和Mixcoin可为比特币混合协议。TumbleBit使用了一种不受信任的媒介（称为Tumbler），使得交易不可链接。M¨obius则通过一个以太坊智能合约取代了tumbler媒介。

Zether的匿名方式不同于以上的方案，其不依赖其他用户的积极参与，Zether用户可选择他们自己的匿名集（类似门罗）。另一方面，如果用户主动使用混合服务，它还可以提供更好的匿名性。

Hawk是一个以隐私保留方式建立任意智能合约的框架。特别地，它可完全隐藏拍卖中的出价，但这也需要付出巨大的代价。在Hawk框架当中，合约的隐私部分是被转换成一个回路（circuit）。一名管理者，其受参与者的私密输入委托，在回路上生成一个zkSNARK证明，以表明它已被正确地执行。SNARKs除了依赖可信设置之外，引用字符串（reference string）还依赖于回路，因此需要为每个合约生成不同的字符串。此外，回路模型对可参与的用户数量进行了限制，因此Hawk尽管很强大，其可提供更好的隐私性，但它并不是完全去中心化的，其对于简单的合约而言太昂贵了。

另一个通用框架Ekiden，通过智能合约平台兼顾了性能和保密性，但它依赖于可信执行环境（例如英特尔SGX），所以它也不是完全去中心化的。

RSCoin、 Solidus、 zkLedger等方案的运作模式，介于比特币/以太坊等完全去中心化的设置和现代金融系统的中心化设置之间。

在这类模型中，银行控制货币供应，但会使用区块链进行交易。这里所使用的技术和zkLedger有一些相似之处，其中每个银行都有一个账户。zkLedger中的发送方银行A创建多个任务，将一些钱x发送给接收银行B。对应于B的任务是−x，对应于B的任务则是x，所有其他任务则等于0。然后有证据表明，这些任务是形成良好的，并且A的金额超过了x。当我们在Zether协议中使用类似的想法时，Zether需处理非正常预先交易（front-running）、重放、兼容性等更多的问题，这与在开放平台上建立智能合约有关。

并行工作：Zexe是最近针对Zerocash类型货币的一种私有脚本语言提案，它提供与比特币脚本类似的功能，同时隐藏脚本和脚本本身的输入。但是，它并不支持像智能合约那样的有状态计算。

Quisquis是一种新的匿名系统，其旨在解决像门罗币和Zcash所存在的一些问题（例如，未使用交易输出（UTXO）集的不断增长问题）。其模型是一种有趣的UTXO和账户混合体。而基本单位是一个账户（由公钥和commitment承诺组成），它们只能一次性使用：在一笔交易中，旧帐户会被销毁，而新帐户会被创建。尽管Quisquis提供了一种新的匿名方法，但它也面临非正常预先交易（front-running）攻击的问题（匿名集中的公钥可能会在交易被处理之前进行更新），更重要的是，Quisquis是一个独立的加密货币，而Zether的目标则是建立一个部署到任何智能合约平台的系统，其可供其他智能合约使用，以实现更多的隐私性。

 

Zether隐私方案的特点

 

好了，谈了那么多隐私方案，以及它们和Zether的对比，想必大家已经对该方案有了初步的认识了。那这种方案具有哪些特点呢？

首先，我们要知道的是，Zether不需要对以太坊这类底层智能合约平台的设计进行任何更改。Zether作为一个智能合约，它可单独执行，其也可通过其他智能合约执行，以交换保密数量的ZTH token，Zether使用的技术，可应用于其他基于账户的加密货币，并完全独立于它们的共识机制。

其特性如下：

1. 保密：Zether的交易是保密的，账户余额始终是加密的，用户需提供密码证明来使用ZTH。
2. 零知识证明：Zether使用零知识证明技术作为重要基础。为了让Zether变得更有效，研究者提出了一种新的零知识证明机制，称为Σ-Bullets，其使得Bulletproofs（防弹协议）与Sigma协议变得更具互操作性。这使我们能够有效地结合基于Bulletproofs（防弹协议）的范围证明以及ElGamal加密（Σ-Bullets也可以在其他设置中进行应用）。
3. 实施方式：我们将Zether作为一种以太坊智能合约进行实施，并测量执行所需的gas量。在实现对以太坊的增强改进后，这种实施将变得更为有效。作为实施的一部分，协议作者们在以太坊上提供了一个高效的Bulletproofs实现。
4. 互操作性：Zether提供了一种将资金锁定在智能合约账户中的方法，这可以更容易地为几个重要的去中心化应用添加保密性。在论文当中，作者们展示了Zether可构建的四种应用，它们分别是：保密竞拍应用、保密支付通道、保密权益投票、以及私密权益证明（private proof-of-stake）。
5. 匿名性：论文作者们描述了Zether的一个扩展，它还可隐藏一笔交易中的发送者和接收者，虽然与匿名性相关的开销与群体大小成线性关系，但其不需要可信设置，也不需要更改基础智能合约平台。因此，Zether的匿名保证与门罗币更相似，不同之处在于Zether是基于账户模型的。

 

Zether隐私方案的部分重要术语

 

1. Fund transaction（资助交易）：通过存入以太币和指定一个Zether账户（Elgamal公钥），来资助一个Zether账户。任何人都可资助一个Zether账户，并不断地进行资助。
2. 转让交易（Transfer transaction）：用于将ZTH从Zether帐户转移到另一个帐户。
3. 燃烧交易（Burn transaction）：用于将与Zether帐户相关联的所有ZTH，换回以太坊地址中的以太币。
4. Elgamal加密（Elgamal encryption）：一种非对称加密方案。密钥sk，公钥pk =gˢᵏ。要加密消息m，选择一个nonce r，密文为(gʳ, m.pkʳ)。而要解密，计算 (gʳ)ˢᵏ，并除以m.pkʳ得到消息m。然而，在Zether当中，为了使这种加密具有额外的同态性，消息被制成指数，制造密文为(gʳ, gᵐ.pkʳ)；
5. Epoch周期：具有时间概念的设置参数，指k个连续区块的时间。

 

Zether隐私方案概述

 

在这一节，我们首先会讨论具有核心功能的简单版Zether，然后描述一些它的缺点，以及如何克服它们。

一个简单的Zether合约：Zether智能合约（ZSC）需要一种Zether token（ZTH），Zether账户使用ElGamal公钥进行标识，这些公钥存储在ZSC的内部状态当中。通过公钥y，使用b ZTH创立一个账户，用户可将b ETH发送到这个智能合约。ZSC合约生成随机性为0的b的ElGamal加密（因为b无论如何都是交易的一部分），并将其添加到与y相关的加密余额中。某人可通过显示当前的余额b*，将ZTH转换回ETH，并提供y的密文的零知识证明（即该密文与智能合约中的y相关）。

为了将一些b数量的ZTH转移到公共密钥y’，而不会暴露b本身，某人可在y和y’的条件下加密b。在实现当中，作者们使用了一个新的零知识证明机制，也就是上面提到的Σ-Bullets，有效地证明加密传输余额和新发送方余额的声明。

Front-running（非正常预先交易）：

Zether简化版本的第一个问题，就是零知识证明是在合约的某种状态下生成的，例如，转账交易中的零知识证明，需显示剩余余额为正。用户Alice将生成与其当前账户余额相关的证明，以加密形式存储在合约当中。然而，如果另一个用户将一些ZTH传输给Alice，并且Bob的交易首先得到处理，则Alice的交易将被拒绝，因为证明将不再有效。请注意，Bob可能是一个非常好的用户，但在这种情况下，Alice因为处理这笔交易而失去其支付的费用。我们将这种情况称为非正常预先交易（Front-running）。燃烧交易（Burn transactions）也有类似的问题：如果密文发生变化，加密某个值的密文证明将会失效。

为了解决这一问题，我们可引入一种新的交易类型，它只锁定账户，以防传入的转账。Alice可等到该交易进入区块链后，再启动传出传输（或进行燃烧交易）。虽然这似乎解决了问题（需两步流程为代价），但它为像Bob这样希望将ZTH发送给Alice的用户，带来了新的问题。当Bob发布传输交易Tx时，Alice的帐户可能不会被锁定，但它可能在Tx进入之前被锁定，从而导致Tx被拒绝。

当我们是匿名的时候，任何一种锁定方法都变得更加不可靠。如果Alice想隐藏自己，为了确保她的交易通过，她必须锁定匿名集中的所有帐户。显然，这是不允许的：Alice一定不能锁定其他用户的帐户。另外，Alice只能将锁定的帐户放在她自己的匿名集中。但是，如果有人在Alice的交易进入之前，解锁了他们的帐户，那么Alice的匿名程度就会降低了。

等待传输（Pending transfer）：

为了解决非正常预先交易（Front-running）问题，作者们把所有的传入传输保留在一个等待状态中。这些转账会不时地转入账户，以便流入的资金可被使用。这种滚动法不能在任意时间发生，否则证明将会再次失效。为了解决这个问题，协议作者将时间分为几个epoch时期，其中一个epoch由k个连续区块组成。

k的选择取决于两个因素：a）区块链最新状态与任何用户view之间的间隔，；b）将交易纳入区块链所需的时间。

在每一个epoch周期结束时，待处理的转账将转入相应的账户。

用户会希望在epoch周期开始时发布他们的传输交易（或燃烧交易）。因此，即使他们没有看到区块链的最新状态，并且这需要一些时间来纳入他们的交易，他们也不会进入下一个epoch周期。

只要明智地选择k，交易将在帐户更改状态之前处理。

智能合约滚动（Rolling over on a smart contract）：

不幸的是，滚动账户并不像看起来那么简单，因为只有在交易发送给智能合约之后，合约才会做任何事情。

不能指望每个用户都为每个epoch周期发送一则滚动消息。此外，他们不可能在正确的时间收到这样的信息。第一个想法，是在一个epoch周期中收到第一则消息时，为所有账户滚动等待传输交易。

然而，这为消息发送者带来了不合理的巨大负担：其将不得不支付很大的滚动成本。此外，用户也无法得知，他们的交易在一个epoch周期当中是否会是第一笔，因此，他们无法估计正确的gas供应量。

在收到该账户的第一则消息时，我们在一个epoch周期滚动一个账户。

因此，一则消息只会覆盖一个账户。为了实现这一点，协议作者们定义了一个单独的（内部的）滚动方法，其他方法所做的第一件事就是调用这一方法。

可能会出现一些账户连续几个epoch周期都没有被滚动的情况，原因在于它们没有发起交易。这不是问题，因为账户持有人（比如Alice）也没有想要使用她的钱。而当Alice想要操作她的账户时，她将发布一笔交易。自上次滚动后转入她账户的所有资金，将立即进行滚动，并可被使用。

重放攻击保护（Replay protection）：

像其他支付机制一样，Zether需要处理重放攻击问题，以太坊通过将nonce与每个账户关联，提供了自己的重放攻击保护措施。不幸的是，这一程度的保护对于Zether而言是不够的，这是因为两个原因： (1) Zether账户拥有自己的公钥，它们与以太坊地址并不关联，(2) Zether交易包含非交互式零知识证明。

一个恶意的行动者可窃取这些证明，并将它们放进新的交易。如果账户的状态没有更改，则新的交易也将处理成功，这会导致资金损失。一个敌对的实体可通过重放请求再次锁定账户。

为防止此类问题，我们将nonce与每个zether帐户关联起来。当交易被处理时，nonce将递增。来自帐户的新交易 必须在与帐户关联的nonce的最新值和交易记录上签名数据，包括任何零知识证明。此方法将交易的所有组件绑定在一起，并确保新鲜性。零知识证明不能被导入恶意交易，而有效交易也无法被重放。

可探讨的是，是否存在一种方法，可使用以太坊地址本身作为Zether账户的身份。然后，这些账户将使用与地址对应的密钥进行操作，那么，我们就可免费获得重放攻击保护和签名验证。然而，这将迫使用户从固定的以太坊地址操作Zether帐户。他们将无法将帐户委托给其他地址，例如将帐户锁定到一个智能合约。

此外，以太坊地址只是公钥的哈希结果，在零知识条件下证明哈希声明是非常昂贵的。最后，为Zether帐户提供单独的公钥，也有助于使设计更模块化和独立化。

匿名性：

Zether可扩展到匿名传输，Zether的匿名版本，需要一个更为复杂的零知识证明，其也需要一个新的重放攻击和双花保护机制，以及一个将账户锁定到智能合约的不同机制，关于这部分内容，方案作者们在论文的附录D.1部分有进行详细的探讨。

 

关于Σ-Bullets

 

在文章的开头部分，我们谈到Zether使用了一种称为Σ-Bullets的零知识证明系统，实际上它是将Bulletproofs（防弹协议）与Σ-protocols集成到了一起，以便对代数编码值（例如∃x:g^x =y ∧ h^x = u ∈ G. （格式编辑问题，建议看论文原文））进行有效证明。另一方面，Bulletproofs（防弹协议）是一种回路证明系统，它非常适合范围证明和其他更复杂的算术语句。如果所有值都使用相同的承诺密钥，则bulletproof（防弹协议）确实可对Pedersen承诺值进行证明。而使用Σ-Bullets，我们可关于代数编码数据，证明更复杂的语句。

例如，我们可有效地证明一组Elgamal加密值在一定范围内。此外，我们可将one-out-of-many证明（又称环签名）与范围证明结合起来，以允许匿名传输。one-out-of-many证明是一种Σ-protocol ，它隐藏了正在被使用的账户。然后使用Bulletproof（防弹证明）表明该账户有足够的资金用于转账。关于Σ-Bullets的详细介绍，读者可在原论文的附录G中找到。

 

实施与评估

 

为了正确评估Zether协议并证明其可行性，研究者们将基础版Zether作为以太坊智能合约进行实施。实践表明Zether是可行的，它目前可在以太坊虚拟机上进行运行。此外，研究者们还讨论了为改进合约性能而进行的一些优化工作。一些改进已经被单独讨论，并且已被提交到以太坊改进提议（EIP）队列。

在测试中，研究者们测量了总的gas成本，包括发送交易的基本成本、存储成本以及证明/签名验证成本。截止发稿时，一笔基础Zether交易的成本约为0.014 ETH（1.51美元）。测试表明，大部分的成本是由椭圆曲线操作产生的，对于一笔转移交易，椭圆曲线操作占总成本的90%。而对于一笔fund交易，大部分的费用来自于初始化一个新帐户，而将资金添加到现有账户的成本，则要低得多。最后，研究者给出了交易数据的大小，注意，这并不包括基本的以太坊交易数据（大约110字节）。

（图：ZSC合约Gas成本）

目前，论文的其中一位作者Benedikt Bunz，已开源了Zether协议的部分代码及测试代码，有兴趣的读者可以了解一下。