一文了解两步原子交换协议LiquiDEX

注：原文作者是blockstream研究员Leonardo Comandini。

长话短说：LiquiDEX 是一个在 Liquid网络上执行两步原子交换（atomic swaps）的协议，它只需要交换方的单次交互，这极大地改善了用户体验。而使用该协议，我们可以构建出更复杂系统的构建块，例如自动 OTC 交易柜台、拍卖平台甚至去中心化交易所 (DEX)。

注：LiquiDEX的产品还不可用。

简介：Liquid网络和原子交换技术

Liquid网络是一个具有发行资产和保密交易（CT）的比特币侧链。

Liquid 的原生资产是 L-BTC（Liquid bitcoin），它相当于比特币的一个锚定币。

和以太坊一样，用户也可以在Liquid 网络上发行代表数字资产的token，一个例子就是Tether USD（USDT）。

和比特币一样，Liquid使用了一种UTXO模型，而它们的交易结构也相似。

下面是一笔简化的比特币交易，其中Alice 发送 1 BTC 给 Bob：

0.6 BTC Alice -> 1   BTC Bob
0.5 BTC Alice 0.1 BTC Alice (找零)

下面则是一笔简化的Liquid 交易，Alice 向 Bob 发送 0.5  L-BTC以及1000 USDT：

1.1  L-BTC Alice -> 0.5  L-BTC Bob
5000 USDt  Alice 0.6  L-BTC Alice (找零）
1000 USDt  Bob
4000 UDSt  Alice (找零）

然而，因为使用了保密交易（CT）技术，Liquid网络的输入和输出是不可见的，因此外部观察者无法看到实际金额和资产。

这对交易者来说特别有用，通常而言，交易者并不想透露他们的操作，因为这些信息可能会影响到市场价格。

在上面的例子中，所有的输入都属于Alice，但情况并非一定如此：一些输入可能属于Alice，而另一些输入可能属于 Bob。

假设 Alice 想用L-BTC交换一些USDT，而Bob 想做相反的事情，则Alice 和 Bob 可以合作构建这样的交易：

0.6  L-BTC Alice -> 0.5  L-BTC Bob
1000 USDt  Bob 0.1  L-BTC Alice (找零)
600 USDt  Alice
400 UDSt  Bob (找零)

交易完成后，Alice 发送了0.5 L-BTC 并收到了600 USDT， 而Bob 发送了 600 USDT，并收到了 0.5 L-BTC。

交易要么发生，要么不发生（它不会部分发生），这使得交易是“原子”的，这就是一笔P2P 原子交换交易，Alice 和 Bob 交换了一些资产，他们之间彼此并不信任，也不需要信任一个第三方。

Liquid Swap Tool：3步原子交换

在 Liquid 上支持原子交换的第一个实现是Liquid Swap Tool，它使用了一个三步协议。

其中第一步是 Alice 提出一笔swap交易：

liquidswap-cli propose L-BTC 0.5 USDt 600 –output proposal.txt

第二步是Bob 接受这个提议：

liquidswap-cli accept proposal.txt –output accepted.txt

然而这笔交易还没有准备好被广播，我们需要第三步，其中Alice来最终确定这个提议：

liquidswap-cli finalize accepted.txt –send

这 3 个步骤是使swap交易与标准交易无法区分的必要步骤。但是，它也存在着一些缺点。

该协议分析起来会更复杂。由于不同的原因，它可能会在不同的步骤失败，也许是提议格式不正确，交易不再有利可图，那么一方可能会中止协议。

Alice 还需要在线才能完成协议。 如果 Alice 花费太多时间来完成，Bob 可能会进行另一次swap交易并使他接受的提议无效。

这使得用户体验变得繁琐，并且很难将这些swap交易集成到其他服务中。

而一个两步协议将解决大多数的问题，事实上，两步协议的用户体验非常类似于“发送交易”：Alice询问她想要交换什么，然后最终交换发生。

在过去的几个月里，我们构建出了LiquiDEX这个想法。

LiquiDEX: 两步原子交换

LiquiDEX 是一个在 Liquid 网络上执行原子交换的两步协议。

该协议涉及到了两方：Maker 和 Taker，其中Maker 想要发送一些资产并接收一些其他资产作为交换，它创建 LiquiDEX 提议并发送给 Taker。Taker 接受该提议，并在 Liquid网络上结算swap交易。

提案规范

1. 版本：数字，可选的非负整数，默认为 0，

2. tx：字符串，十六进制编码的签名 Liquid 交易，

3. 输入：对象数组，交易输入的非盲信息；item具有以下属性：Asset：字符串，十六进制编码的资产，聪：以聪为单位的整数数量，assetblinder:字符串，十六进制编码的资产盲注，amountblinder: 字符串，十六进制编码的数量盲注，

4. 输出：对象数组，交易输出的非盲信息；item具有相同的输入对象格式。

Asset、assetblinder 和 amountblinder 与 Elements Core 一致地进行十六进制序列化，这与它们的字节序列化相反。

LiquiDEX 提案格式定义了 Maker 和 Taker 必须达成一致的内容。其他一切都可以由双方任意选择以实现所需的行为。

让我们分析一个他们可能选择做什么的例子。

第 1 步：Maker 制作提议（proposal）

Maker 有一个UTXO U_xA持有x数量的A资产，而他想要将其资产交换成y数量的B资产。

Maker创建了一笔交易，花费单个UTXO U_xA并接收y数量的B资产。

Maker屏蔽（blinds）这个输出。在实践中，这有一些重要的挑战，权衡和实现细节将在下一节中讨论。

Maker 使用SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY 对（唯一）输入进行签名，这允许 Taker 添加更多的输入和输出，而不会使 Maker 签名无效。

其他Maker按照上述规定创建 LiquiDEX 提议，并将提议发送给 Taker。

第 2 步：Taker 接受提议（proposal）

Taker 收到提议，并进行一些验证，其中可能包括：

1. 输入和输出数组的长度为 1；

2. tx 是有效的 Liquid 交易；

3. tx 有 1 个输入和 1 个输出；

4. tx 输入未花费；

5. tx 已签名，并且签名与SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY有效；

6. 输出承诺（commitment）匹配输出的非盲信息；

7. 先前的输出承诺匹配输入的非盲信息；

Taker 添加一个输出，该输出接收x数量的A资产。

Taker为交易提供资金，即他为资产B和费用添加输入，根据需要更改输出，以及显式费用输出。

Taker使用提议中的非盲信息来屏蔽交易。

Taker用SIGHASH_ALL对新添加的输入进行签名。

Taker广播交易，一旦这笔交易被纳入一个区块，这笔swap交换交易就被结算了。

优点与缺点

LiquiDEX 有一些权衡，我们在这里总结一下。

优点：

1. 更好的用户体验。

2. 对swap交易参与者的要求较低，Maker 提出提议，然后可以离线，然后Taker接受提议，几分钟后完成结算；

3. 协议更容易分析。

4. 更容易集成到更复杂的系统中。

5. Maker 不会从 Taker 那里了解到破盲信息（unblinding information）。

缺点：

1. Maker 发送单个 UTXO，如果金额不是所需的，则需要进行额外的交易。

2. 更少的匿名性，LiquiDEX交换是可识别的，因为SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY在交易中可见。

用例

现在，我们来展示一些 LiquiDEX 支持的应用例子。

1、提出相互排斥的提议

假设Maker想要把L-BTC卖掉换成USDT或L-CAD，他可以使用相同的 UTXO提出两个提议，一个发送L-BTC 并接收 USDT，另一个发送L-BTC 并接收 L-CAD。由于 UTXO 只能使用一次，所以他要么是收到USDT，要么是收到L-CAD。

2、接受批量提议

Taker可以使用多个提议构建其交易，例如：

1 L-BTC maker1 -> 1000 USDt  maker1
2 L-BTC maker2 2000 USDt  maker2
3000 USDt  taker 3 L-BTC taker

3、自动化OTC交易柜台

我们还可以实现一项服务，它接受用户的提议并负责匹配它们，这种服务既可以使用其他用户的资金，也可以使用自己的流动性资金。

4、拍卖

Alice 发行了一种新资产，我们称之为 NFT。Alice 可以为此举行拍卖会，她公布了自己想要发送的输出的资产、数量和盲注（blinder），并将接受交换L-BTC（或她想要接收的任何其他资产）的提议。过了一段时间后，她会接受对她来说更有利可图的提议。

如果她想以一定的价格出售该NFT资产，那么她可以提出提议并希望有人接受它。

5、去中心化交易所（DEX）

一组用户可使用点对点的方式在彼此之间中继提议，以维护一个去中心化的订单簿，这将是一个去中心化的交易所（DEX）。

当我们确信这个想法实际上是可行的之后，我们就开始对越来越复杂的原型进行迭代。

原型1：Unblinded

第一次迭代的所有输入和输入都是非盲的。它需要一个 Elements Core 节点以及一个没有额外依赖项的小型 Python 脚本来运行协议。

原型 2：Makers Blinds

然后我们增加了对taker使用盲输入和输出的支持。

这需要一个额外的依赖项wally‌来执行一些加密操作。

原型3：Blinded Case（遇到了问题）

剩下的步骤是允许maker 也使用盲输入，我们这样做了，但不幸的是，实际的实现失败了。

使用保密交易（CT），非盲信息在输出字段之一（范围证明——rangeproof）中加密。当收到交易时，这个非盲信息被解密并用于支出。然而，交易签名不涵盖此类字段。因此，Taker 可以替换其价值，而 Maker 将无法blind这笔交易。

解决这个问题的一个方法，是在本地保存每个提议的非盲信息，而不依赖于rangeproof数据。不幸的是，这与elements-cli 是不兼容的。 因此，我们不得不寻找新的想法来完成我们的实施。

BEWallet

我们需要一个让我们能以最少的开销进行实验的钱包。我们选择从使用 Electrum 服务器的Blockstream GDK Rust‌ 实现开始。这个想法是去除所有不需要的功能，以获得一个非常简单但有效的 Liquid Electrum 钱包。经过了数个月的努力之后，我们搞出了BEWallet。

然后我们添加了 LiquiDEX 支持，在这样做的同时，我们试图最大限度地减少用户应该备份的数据量。Electrum 钱包（单签名）备份通常包含一个BIP39助记词，但LiquiDEX还需要其他的东西。琐碎的办法是坚持所有提出的提议，但我们可以做得更好。

首先，我们可以确定性地推导出资产blinder以及金额blinder 。此外，交易有一个 Maker 不使用的字段，即 nonce commitment。此字段已签名，因此可用于存储一些有用的数据。我们想为资产存储 32 个字节，为数量存储 8 个字节，但我们只有 32 个字节（和 1 个位）可用。

我们选择使用 AES GCM IV 加密 nonce 字段中的金额，因为我们已经将其作为加密本地数据库的依赖项。

相反，资产将被迫违背资产承诺。当提出提议时，钱包将保留它可能在本地收到的资产。在揭盲时，它会尝试所有先前保留的资产，直到找到匹配项为止。

如果我们在另一台设备上恢复钱包呢？我们可以导出上一个钱包中的资产列表，如果丢失了，我们可能会记住它，因为我们可能只交易最受欢迎的资产，或者我们甚至可找到在 Liquid 上发行过的所有资产并尝试所有这些资产。

不管怎样，这可能会在未来进行一些改进，我们只是想要一些现在有效的东西。BEWallet 在早期仍然是一个附带项目，它可能会存在漏洞，因此要测试的话，请使用少量的资金。

可能的改进

BEWallet LiquiDEX 实现现在已经可以工作了，但它远非完美，我们削减了一些内容，在不久的将来，我们还会实施很多可能的优化和界面改进。其中有几个改进是我们很想去实现的，但我们必须要多等待一点时间。

我们想摆脱自定义JSON 格式以使用部分签名Elements交易，但是这还没有准备好。

那么我们宁愿降低 Maker 及其揭盲程序的复杂性，这可以使用 SIGHASH_RANGEPROOF‌ 来完成，这是一种新的sighash类型，其也涵盖了范围证明（rangeproof），但是，我们需要等待它的部署。

一旦我们同时拥有两者，任何支持 PSET 的钱包都可以以最少的更改实现LiquiDEX。

结论

Liquid网络是具有原生资产的区块链，它允许两方或多方合作构建交易。这种交易可能包括双方之间的资产交换，换言之即一笔P2P原子交换。

这个swap交换协议的初始实现分为3个步骤。然而，它有几个问题，主要是用户体验会变糟。

LiquiDEX 是一种执行两步 P2P 原子交换的协议。这通过要求 Maker 和 Taker 之间的单次交互来改进用户体验，并做出合理的妥协。

LiquiDEX 更容易集成到其他系统中，并且可以成为实施 OTC 交易柜台、拍卖系统、DEX等的构建块。

而BEWallet则是一个支持LiquiDEX的可用Liquid Electrum 钱包。

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