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比特币签名技术的新发展：Schnorr、Taproot与Graftroot
Taproot与MAST技术背景
Schnorr签名即将被纳入比特币系统，这一进展引发了对Taproot的讨论，而Graftroot作为Taproot的补充方案也应运而生，旨在提升效率。比特币开发者Gregory Maxwell在提出Taproot方案后不久便提出了Graftroot，它扩展了Taproot的多重签名脚本条件优势，并解决了其效率问题。在深入探讨Graftroot之前，了解Taproot的工作原理是必要的。
Taproot与MAST简介
当前比特币脚本条件采用P2SH脚本，包括M-of-N多重签名和时间锁定等条款，用于在多个参与者之间进行比特币交易。Taproot将依赖Schnorr签名和一项待定的P2SH协议升级——MAST（默克尔化抽象语法树）。MAST允许用户将多个脚本条件隐藏在一个交易中，当满足特定条件时，无需暴露其他脚本条件即可花费相应比特币。然而，外部观察者仍能通过交易特征识别出是否使用了MAST，这降低了隐私性。
Taproot通过"阈值公钥"和"阈值签名"来掩盖与Schnorr聚合签名结合使用的MAST特性，参与者可以调整这些参数。这一巧妙的设计将Schnorr与MAST结合，生成看似标准的复杂多脚本交易。
Graftroot的提出与发展
尽管Taproot具有优势，但在多方交易未能达成"协同关闭"或参与者丢失私钥的情况下，多重签名或时间锁定等脚本条件提供了重要保障，确保资金不会锁定，仍可被花费。随着更多针对不利情况的保护措施和利用比特币脚本语言的复杂功能创新出现，交易可能包含更多脚本条件——尤其是Schnorr签名被纳入比特币后。
Taproot的缺点是，具有多个复杂条件的比特币脚本合约会变得数据量大，且比协同关闭或简单脚本条件执行时的隐私性更低。Maxwell提出Graftroot作为一种方法，在保持Taproot隐私性的同时不牺牲效率，使协议能够扩展到任意脚本条件。
Graftroot的工作原理
在Taproot中，参与比特币智能合约多重脚本条件的各方将其公钥组合形成"阈值公钥"和"阈值签名"。Graftroot采用相同的流程，但参与者独立签署特定的替代脚本条件——为每个条件创建阈值签名，而非整个条件集。
例如，Alice、Bob和Charlie构建了一个具有多个替代脚本条件的比特币交易，如果未能达成协同关闭：
- 参与者之间可通过2-of-3多重签名花费比特币
- Alice可在1个月后无需Bob或Charlie签名花费比特币
- Bob可通过密钥在无需Alice或Charlie签名的情况下花费比特币
每个参与者签署替代脚本并存储每个条件的阈值签名。这些阈值签名可用于证明各方已同意该脚本。当满足特定条件时，比如一个月过去且未发生2-of-3多重签名或Bob密钥花费，则可以使用第三个条件（Alice的时间锁定条件）来花费比特币。Alice将公开她存储的替代脚本条件和阈值签名，以证明其花费的真实性，而不会披露其他条件。
Graftroot相对于Taproot的主要优势在于，协议能够扩展到大量脚本条件而不牺牲效率——数据开销是恒定的。甚至可以在合约最初组装后添加脚本条件。另一个关键优势是能够在脚本中委托密钥，这是一个可以追溯到2012年的复杂议题。
挑战与未来展望
然而，Graftroot并非没有缺陷。该协议是交互式的，这意味着参与者需要在通过协同关闭花费比特币之前就签署替代脚本进行沟通。随着更多脚本条件和参与者的加入，繁琐的密钥管理问题也随之出现。参与者需要存储相关的替代条件阈值密钥，这对于吸引主流用户并不理想。
脚本条件的潜在复杂性也表明，未来需要通过用户界面在创建和使用替代条件方面取得重大进展。Taproot和Graftroot在后端简化了脚本条件的导航，但在前端掩盖这些创新仍然很复杂。
发展与应用
几项即将推出的脚本项目将被纳入比特币协议的补充升级中。特别是，Schnorr签名是自隔离见证（SegWit）以来比特币最重要的升级，Blockstream最近发布了MuSig——他们为比特币升级到Schnorr签名提出的测试代码。
MAST和Taproot可能会在Schnorr之后或与其同时推出。Graftroot很可能被纳入同一升级，但也可能被推迟到MAST和Taproot与Schnorr集成之后。简单的多重签名脚本条件可以防止类似Quadriga的事件发生，而更复杂、可扩展的替代条件可以实现创新的交易/合约构建。Taproot和Graftroot的额外优势在于其固有的隐私性，使复杂交易呈现为标准交易。
比特币核心社区对Schnorr签名的期待显而易见。它们与这一传统加密货币的集成为开发创新开辟了广泛的新机遇。
