如何将Qtum量子链与现有的隐私技术相结合

近日，Qtum量子链发起2019全球线上隐私主题黑客马拉松，我们收到了许多关于大赛的问题——如何将Qtum与现有的隐私技术结合？哪些技术适合移植到Qtum上？在哪些具体的结合点上可以开发？本文通过结合Qtum与Zether的思考，希望带给你更多隐私方向的启发。

众所周知，区块链上交易和合约都处于透明状态，不适合部分商业应用场景。Zether通过智能合约赋予区块链隐私交易的功能，帮助了链上资产、投票、拍卖等应用的隐私化。可是目前Zether面临Gas过高的问题，那我们怎么通过Qtum降低Gas和增加预编译合约呢？

1. 简介

区块链网络中，尽管用户的地址来自于随机生成的私钥，但地址和实体之间的对应关系还是有可能被交易所、商户泄漏，甚至被区块链数据的抓取和聚类算法所挖掘。这种程度的隐私性限制了商业场景的应用。

隐私币的热潮中，出现了包括Monero、ZCash、Grin和Beam在内具有隐私特性的公有链，而这些也已经被大多数用户所认可。但是它们使用的方法都需要对区块链系统进行较大的改动，想要在现有的区块链上去实现有一定的难度。

斯坦福大学的博士生Benedikt Bunz（Bulletproofs防弹协议发明者之一）、斯坦福大学教授Dan Boneh以及Visa研究部门，提出了一种基于以太坊智能合约的隐私协议：Zether。

Zether的基本想法是通过智能合约实现隐私交易——即隐藏交易的金额和账户的余额，并最终应用于拍卖、投票等场景中。为了满足智能合约基于Account的特性，它提出了ElGamal encryption、Pending transfer、Rolling over等机制。为了增加Zether和其他合约的交互性，它又增加了lock/unlock的功能。为了提升Bulletproofs的性能，它使用新的Σ-Bullets进行代替。

Zether提出之后，受到了广泛的关注。JP Morgan不但将其用于自己Quorum区块链系统中，而且还尝试对其进行进一步的改进。

Zether的最初设计文档位于［1］，作者公布了部分源码［2］。JP Morgan对其的改进文档位于［3］，源码位于［4］。

2. 原理

已有的隐私交易方法，例如Confidential Transactions［5］与其衍生方法MimbleWimble［6］，都是基于UTXO实现的。Zether的主要想法是将这一类方法应用到智能合约中，实现基于Account的隐私交易。为此，它对已有的方法进行了如下修改。

UTXO到Account

如果在智能合约中实现UTXO，会占用大量的存储空间。所以Zether的一大主要工作是将Confidential Transactions的UTXO模型改造为Account模型。

ElGamal encryption

Confidential Transactions使用了Pedersen commitments隐藏每个UTXO的金额。如果对方发送给你一个Pedersen commitments取值错误的UTXO，不会影响你其他UTXO的使用。

当改成Account模型的时候，需要对每个用户接收的UTXO进行金额累加，得到最终余额，存储于合约中。但如果直接对Pedersen commitments进行累加，其中一个的错误会导致最终余额的错误，影响所有金额的使用。

因此，Zether采用了ElGamal encryption的方式，用接收方的公钥来加密交易金额。这样，接收方就能验证加密金额的正确性，然后合入到余额中。

解决Front-running问题

交易的过程中，需要对交易金额和交易后余额进行范围证明。但在Account模型中，如果你发起交易的同时，另一用户给你发送了一笔交易，并且在你的交易之前打包进行了区块，这样余额就发生了改变，你交易中的范围证明就不再有效。

因此，Zether提出了Pending transfers和Rolling over的机制。即用户收到的交易并不立即合入到余额中，而是周期地合入。每个周期中，当你第一次与自己账户交互的时候，进行接收交易合入余额的操作。即，只有账户的所有者可以改变账户的余额。这样，Front-running就不会发生。

重放攻击保护

假定用户在某个特定的余额下发起了一笔交易。当用户再次出现这个余额时，则这笔交易能够再次生效。这种情况就称作Relay Attack（重放攻击）。为了防止Relay Attack，Zether参照了Ethereum的方式，在每个账号上加上了一个nonce。用户每发起一笔交易，nonce的取值就会增加。用户的交易都需要对nonce进行签名，这样就保证了每笔交易都无法被relay。

范围证明

Zether使用了Σ-Bullets替代Bulletproofs。Σ-Bullets是Bulletproofs和Σ-protocols的结合。它的特点是可以证明更为复杂的陈述，且证明和验证的过程更加高效。

3. 思考

评价Zether

Zether的优点如下：

1.基于智能合约实现，对区块链底层逻辑不需要进行改动

2.基于Confidential Transactions方案修改，不需要zkSNARK那样需要信任的初始化过程

Zether的缺点如下：

1.Gas消耗太高。如图，每次Transfer需要7188k的Gas，其中6455k消耗在椭圆曲线相关计算上。

2.没有隐藏地址。相比MimbleWimble，Zether没有隐藏用户的地址。需要后续进一步的改进。

还有2点问题值得考虑：

1. Zether官方并未对论文中的实现进行完全开源，所以无法对其进行充分验证。只能尝试对［4］中JP Morgan的改进算法进行验证。

2. 需要考虑是否可以对Zether进行简化，减少椭圆曲线的计算次数，从而减轻对节点计算资源的消耗。

Zether & Qtum

Zether举例了4个主要的应用场景，包括Sealed-bid Auctions（私密竞标的拍卖）、 Payment Channels（支付通道）、Stake Voting（权益证明投票）、Privacy-preserving Proof-of-Stake（保护隐私的PoS）。其中，前两个是和隐私相关的商业应用场景，是Qtum当前重点关注的方向之一；后两者增加了PoS过程的隐私性，可适用于Qtum共识机制的改进。

Zether目前Gas消耗太高，无法有效应用于Ethereum。以太坊的一些EIP［7］［8］可以降低其Gas，但需要很长的一段时间来实现这些改进。另外，通过增加预编译合约来实现隐私算法中一些常用的算法，也会对Zether的应用有很大帮助。这些改进都可以基于Qtum来实现。

未来计划

首先，需要在Qtum运行Zether的智能合约，查看其Gas消耗以及对节点计算资源的真实消耗。其次，需要深入调研其他基于智能合约的隐私方案，例如AZTEC［9］等。最后，可以考虑如何基于Qtum即将推出的x86虚拟机上增加一些隐私解决方案。