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什么是比特幣默克爾化抽象語(yǔ)法樹(shù)?

2023-03-27 16:29:33 | 來(lái)源： | 作者：佚名

默克爾化抽象語(yǔ)法樹(shù)（Merklized Abstract Syntax Trees, MAST）是一項(xiàng)為比特幣提議的升級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)更小的交易體積、更好的隱私性，以及更大的智能合約。在本文中，我們會(huì)解釋 MAST 的基本原理，講解其潛在好處，并總結(jié)目前一些包含這項(xiàng)技術(shù)的提案

什么是比特幣默克爾化抽象語(yǔ)法樹(shù)？

問(wèn)題：沒(méi)用到的腳本數(shù)據(jù)

中本聰給了比特幣一個(gè)有趣的特性，是他沒(méi)有寫(xiě)在比特幣白皮書(shū)里的。除了可以通過(guò)公鑰來(lái)接收比特幣、用私鑰數(shù)字簽名來(lái)花費(fèi)比特幣，用戶(hù)還可以編寫(xiě)程序（叫做 “script”，腳本），當(dāng)成動(dòng)態(tài)的公鑰和簽名來(lái)用。

當(dāng)你指定一個(gè)腳本后 —— 這在每一種比特幣錢(qián)包里都是基本操作 —— 由比特幣網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)制執(zhí)行的比特幣協(xié)議就不會(huì)讓任何人花費(fèi)這個(gè)腳本所控制的比特幣，除非腳本返回 True。這讓你可以指定資金的花費(fèi)條件，稱(chēng)為 “encumbrances”（財(cái)產(chǎn)條件），比如要求花費(fèi)的交易一定要得到你的私鑰簽名。

更加復(fù)雜的財(cái)產(chǎn)條件也是有可能實(shí)現(xiàn)的，比如下面這個(gè)例子，我們會(huì)用它貫穿整篇文章：Alice 希望能夠隨時(shí)花費(fèi)她的比特幣，但如果她連續(xù)三個(gè)月沒(méi)有花費(fèi)自己的比特幣（可能因?yàn)樯砉驶蛘邌适袨槟芰ΓＭ约旱男值芙忝?Bob 和 Charlie 擁有自己的比特幣，在任何兩人能達(dá)成一致的地方使用這些財(cái)產(chǎn)。

下面這個(gè)條件腳本就實(shí)現(xiàn)了上文所說(shuō)的目標(biāo)，它不僅納入了 Alice 的公鑰（需要驗(yàn)證一個(gè)來(lái)自她私鑰的簽名），但也加入了以下條件性邏輯：一個(gè)超時(shí)條件，以及 Bob 和 Charlie 的公鑰。

在當(dāng)前的比特幣協(xié)議中，上述所有的數(shù)據(jù)都必須添加到區(qū)塊鏈中，在 Alice 的比特幣花費(fèi)的時(shí)候，也包括在特定的花費(fèi)行為中完全無(wú)關(guān)的腳本部分，也要曝光。就比如在 Alice 花費(fèi)自己的比特幣時(shí) Bob 和 Charlie 的公鑰也要曝光。

未使用的條件數(shù)據(jù)增大了交易的體積，也使用戶(hù)在必要之外曝光了更多的隱私，同時(shí)，也使體積而非驗(yàn)證代價(jià)成為智能合約大小的主要限制因素。MAST 旨在改善這些情況，辦法就是移除在區(qū)塊鏈上直接包含未使用的腳本部分的需要。

MAST 初始構(gòu)想

MAST 1 背后的觀念來(lái)自于兩種久已存在的概念，抽象語(yǔ)義樹(shù)和默克爾樹(shù)。抽象語(yǔ)義樹(shù)（AST）是一種通過(guò)將一個(gè)程序分割成獨(dú)立的小塊來(lái)描述程序的方法，這樣會(huì)讓程序變得更容易分析和優(yōu)化。為了生成一個(gè) AST，你需要把所有的方程與其前提用箭頭連接起來(lái)，直至所有的前提都被找出。下圖即是上文示例腳本的 AST。

另一方面，默克爾樹(shù)則可用來(lái)驗(yàn)證某個(gè)元素是否是屬于某個(gè)集合，且無(wú)需知曉整個(gè)集合的全貌。舉個(gè)例子，比特幣的簡(jiǎn)易支付驗(yàn)證錢(qián)包（SPV wallet）就使用默克爾樹(shù)來(lái)驗(yàn)證某筆交易是否存在于某個(gè)區(qū)塊中，這樣無(wú)需下載完整的區(qū)塊，可以節(jié)省帶寬。

要生成一棵默克爾樹(shù)，先要把每個(gè)元素都各自哈希一次，生成各自唯一的標(biāo)識(shí)符;然后這些標(biāo)識(shí)符配對(duì)之后再次哈希，生成這一對(duì)標(biāo)識(shí)符的標(biāo)識(shí)符;如此不斷重復(fù)，直至只剩下一個(gè)標(biāo)識(shí)符，稱(chēng)為 “默克爾根”，它就是一個(gè)短小精悍、但是標(biāo)記了整個(gè)集合的標(biāo)識(shí)符了。

在驗(yàn)證某個(gè)元素屬不屬于某個(gè)集合時(shí)，擁有整個(gè)集合的人可以向你提供從那個(gè)元素到默克爾根路徑上的所有標(biāo)識(shí)符。這樣就能證明，這個(gè)元素確實(shí)在這個(gè)集合內(nèi)。

簡(jiǎn)而言之，AST 背后的技術(shù)讓你可以把一個(gè)程序分成多個(gè)小塊，而默克爾樹(shù)讓我們可以驗(yàn)證這些小塊確實(shí)是一個(gè)完整程序的一部分，且不必暴露整個(gè)程序。這就是 MAST 的基本原理，可以讓花費(fèi)者用一個(gè)默克爾證明來(lái)替換在單次交易中沒(méi)有用到的條件 —— 減少交易體積、提高隱私性，并支持更大的合約。

MAST 的一個(gè)例子

我們以上文的財(cái)產(chǎn)條件為例，為我們希望的兩種可能場(chǎng)景分割為兩個(gè)子腳本：

Alice 可以隨時(shí)花費(fèi)自己的比特幣(左邊的子腳本)
或者，如果連續(xù)三個(gè)月使用 Alice 的簽名來(lái)花費(fèi)，則需要 Bob 和 Charlie 的簽名來(lái)花費(fèi)此中的比特幣(下圖右邊的子腳本)

基于這兩個(gè)獨(dú)立的子腳本，創(chuàng)建一棵默克爾樹(shù)：

這棵默克爾樹(shù)的樹(shù)根最終標(biāo)識(shí)了 Alice 的完整財(cái)產(chǎn)條件，而且只有 32 字節(jié)的體積。此后，Alice 可以使用一個(gè)替代性的條件腳本，聲明：一筆花費(fèi)交易，只有提供其中一個(gè)子腳本連接到默克爾根的證據(jù)、并且子程序返回 True 的時(shí)候，才是有效的。

子腳本的默克爾證據(jù)，形象地畫(huà)出來(lái)會(huì)像下圖這樣，就看用的是哪個(gè)子腳本了：

好處 #1 —— 更小的交易

我們先來(lái)看看 MAST 如何能讓復(fù)雜財(cái)產(chǎn)條件的用戶(hù)創(chuàng)建更小的交易。這是 MAST 給我們帶來(lái)的第一個(gè)好處。

在上文的例子中，我們使用了一個(gè)具備兩個(gè)子腳本的財(cái)產(chǎn)條：要么 Alice 自己花自己的錢(qián)，要么 Bob 和 Charlie 在等待三個(gè)月之后一起花她的錢(qián)。我們來(lái)設(shè)想一個(gè)無(wú)限延伸的版本：其第三個(gè)子腳本指明，三個(gè)月零一天后，Dan 和 Edith 可以花費(fèi)此中的資金;第四個(gè)子腳本指明，三個(gè)月零二天后，F(xiàn)red 和 George 可以使用這筆資金;等等等等。

這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)可以使我們得到下面的這張圖，它顯示了，子腳本的數(shù)量與需要加入?yún)^(qū)塊的條件數(shù)據(jù)量，在有和沒(méi)有 MAST 時(shí)候的關(guān)系。

下面是一個(gè)對(duì)數(shù)圖，意思是一樣的：

雖然一開(kāi)始 MAST 交易的體積會(huì)比沒(méi)有 MAST 的同條件交易更大，比如我們的兩個(gè)子腳本的條件，但非 MAST 的交易體積會(huì)（隨子腳本的數(shù)量）線性增大，而 MAST 交易的體積則只會(huì)對(duì)數(shù)增大。

如果節(jié)省數(shù)據(jù)量是主要目標(biāo)，我們還可以進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)于許多財(cái)產(chǎn)條件來(lái)說(shuō)，花費(fèi)者可能更高頻地使用其中某個(gè)條件。比如，Alice 希望自己高壽，所以她建構(gòu)的默克爾樹(shù)把自己花費(fèi)的條件放在離頂端更近的地方，而所有其它條件都放在樹(shù)的底部：

這樣設(shè)計(jì)的話，不同情況下的 MAST 默克爾證據(jù)的體積是不一樣的，在最理想的情況下，Alice 活著，自己花自己的錢(qián)；而另一種情況下，Alice 身故，她的受益人來(lái)花這些錢(qián)。我們把這些因素呈現(xiàn)到圖上。

可以看出，Alice 使用時(shí)，其交易的數(shù)據(jù)量一直是最優(yōu)的情形，無(wú)論她的財(cái)產(chǎn)條件中的受益人有多少個(gè);而在她的受益人使用這筆資金時(shí)，交易的數(shù)據(jù)量也只比前述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的默克爾樹(shù)多用幾個(gè)字節(jié)。

無(wú)論 Alice 選擇什么安排，可以看出 MAST 可以讓多子腳本的財(cái)產(chǎn)條件交易體積更小，因此用戶(hù)可以少付一些手續(xù)費(fèi)，而區(qū)塊里可以裝入更多的高級(jí)交易。

好處 #2 —— 更強(qiáng)的隱私性

我們?cè)谏衔牡闹v解中，把 Alice 的財(cái)產(chǎn)腳本全部曝光了出來(lái)，但你可以設(shè)想，如果在 Alice 花費(fèi)自己的比特幣時(shí)，你在區(qū)塊鏈上僅僅看到了下圖左邊的數(shù)據(jù)：

只有這些信息，你是沒(méi)法知道 Alice 以外是否還有人能花費(fèi)這里的資金、以及他們花費(fèi)是需要面對(duì)什么約束條件的。你可以從 MAST 中猜測(cè)可能有一些別的條件，但也僅限于猜測(cè)而已 —— Alice 可能只是假裝她的默克爾樹(shù)還有其它可以花費(fèi)的部分。

對(duì)應(yīng)地，如果你看到的是另一個(gè)分支（也就是上圖的右邊的子腳本），你不會(huì)知道這筆資金在超時(shí)之前是否能花費(fèi)，也不知道是不是只需一把私鑰就能花費(fèi)它。你同樣可以猜測(cè)存在其它的花費(fèi)條件，但你沒(méi)法在區(qū)塊鏈上確證這一點(diǎn)。

保證未使用的財(cái)產(chǎn)條件不曝光在某些時(shí)候非常有用，比如某些商人可能希望自己的智能合約盡可能保密，不要被潛在的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手看到。這一點(diǎn)與某些標(biāo)榜自己是專(zhuān)為智能合約設(shè)計(jì)、但實(shí)際上又不能為這些合約提供隱私性的山寨幣恰好相反。

隱私性也可以為所有的比特幣用戶(hù)提供額外的好處，即使某些用戶(hù)根本不在乎財(cái)產(chǎn)條件的隱私性。假設(shè)從本文一開(kāi)始，Alice 就是唯一一個(gè)使用非 MAST 條件模板的人。因?yàn)樗袟l件都是公開(kāi)的，那么任何人都可以跟蹤 Alice 的花費(fèi)行為，只需在區(qū)塊鏈上觀察這個(gè)模板被使用的情形即可，這樣 Alice 的隱私就蕩然無(wú)存。

任何讓識(shí)別特定用戶(hù)更容易的設(shè)計(jì)，也會(huì)讓人們可以更容易地區(qū)別對(duì)待他們的比特幣和別人的比特幣，這叫做 “同質(zhì)性的缺失”。如果某些人知道了 Alice 的財(cái)產(chǎn)條件長(zhǎng)什么樣，他們就可以賄賂或者強(qiáng)迫礦工不要打包這些人的交易，以此阻止 Alice 使用自己的比特幣。

MAST 不能完全解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)?Alice（或者 Bob 和 Charlie）仍然需要揭示部分的產(chǎn)權(quán)負(fù)擔(dān)，但是許多別的復(fù)雜財(cái)產(chǎn)條件可以解析成少量的簡(jiǎn)單 MAST 類(lèi)型條件。

舉個(gè)例子，Alice 的默認(rèn)花費(fèi)行為看起來(lái)就像其它只需提供單簽名的普通支付行為，所以 Alice 的基于 MAST 的交易跟其它基于 MAST 的單簽名交易就沒(méi)有任何分別。這反過(guò)來(lái)提高了 Alice 的隱私性，也提高了她的資金的同質(zhì)性，以及所有使用基于 MAST 的單簽名條件的用戶(hù)的貨幣同質(zhì)性。

MAST 的這一好處還很有可能與其他提高比特幣隱私性和同質(zhì)性的提議結(jié)合在一起。有些提議是讓某些復(fù)雜的財(cái)產(chǎn)條件可以用單簽名來(lái)使用，比如 Pieter Wuille 和 Gregory Maxwell 的 “通用門(mén)限樹(shù)”、Andrew Poelstra 的 “無(wú)腳本式腳本”，還用 Thaddeus Dryja 的 “離散對(duì)數(shù)合約”;MAST 就可以和這些方案相結(jié)合。

但即使這些方案都不能在比特幣上實(shí)現(xiàn)，MAST 自身也能為復(fù)雜財(cái)產(chǎn)條件的用戶(hù)提供更多的隱私性和可互換性，不論是與當(dāng)前相比，還是與支持用戶(hù)自定義智能合約的山寨幣相比。

好處 #3 —— 更大的智能合約

比特幣現(xiàn)在為單個(gè)腳本設(shè)置了三種不同的體積限制：裸露腳本大小不能超過(guò) 1 萬(wàn)字節(jié)，在 2010 年 7 月引入;P2SH 腳本不能超過(guò) 520 字節(jié);segwit 腳本不能超過(guò) 1 萬(wàn)字節(jié)。我們把這幾個(gè)大小在上面的圖中展示出來(lái)：

可以看出來(lái)，即使是極端的無(wú)限延長(zhǎng)的例子，MAST 也比當(dāng)前所有的機(jī)制支持更多的條件分支。實(shí)際上，MAST 的擴(kuò)展性非常之好，以至于即使你擁有現(xiàn)在可觀測(cè)的宇宙中所有的能量，若是只用來(lái)創(chuàng)建一棵標(biāo)準(zhǔn)(平衡)的默克爾樹(shù)，其默克爾證據(jù)也只有 8448 字節(jié)。即使是這么大的默克爾證據(jù)，任何現(xiàn)在的筆記本電腦，都能在 1 毫秒之內(nèi)完成驗(yàn)證。

因?yàn)槊馊チ巳?jié)點(diǎn)處理未使用的子腳本的任務(wù)，MAST 還能幫比特幣腳本繞過(guò)別的一些硬性限制。在這一方面，MAST 很好地保存和延伸了比特幣智能合約長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，也就是合約的負(fù)擔(dān)應(yīng)盡可能由合約的參與者承擔(dān)，而節(jié)點(diǎn)付出了帶寬、內(nèi)存和處理能力，卻無(wú)法得到補(bǔ)償，因此應(yīng)盡可能少承擔(dān)。

所以，MAST 的真正成就不是讓比特幣用戶(hù)可以創(chuàng)建(比以往)更加高級(jí)的合約，而是它打開(kāi)了這種可能性，還不會(huì)給比特幣的節(jié)點(diǎn)增加新的負(fù)擔(dān)。

實(shí)現(xiàn) MAST：現(xiàn)有的多種提議

迄今為止，bitcoin-dev 郵件組里提出了兩種方法在比特幣協(xié)議中啟用 MAST，兩種方法都仍在草案階段，可能會(huì)有所變更。

第一種提議是 Johnson Lau(化名 “jl2012”)提出的 BIP114，使用了一個(gè)基于隔離見(jiàn)證的延伸特性，使得原生的隔離見(jiàn)證地址(bech32)可以成為對(duì) MAST 財(cái)產(chǎn)條件的默克爾根的承諾?；ㄙM(fèi)交易因此可以從樹(shù)上選擇一個(gè)子腳本。

第二種提議是 Mark Friedenbach(化名“maaku”)提出的兩個(gè)未命名的 BIP(1、2)，它提高了腳本語(yǔ)言的靈活性，使得編程者可以編寫(xiě)腳本來(lái)驗(yàn)證基于 MAST 的財(cái)產(chǎn)條件。如果用 Friedenbach 更喜歡的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，那會(huì)讓比特幣現(xiàn)在支持的三種腳本類(lèi)型(裸露腳本、P2SH 和隔離見(jiàn)證腳本)都可以使用默克爾證據(jù)。

這幾種提議互有短長(zhǎng)，但都提供了上文所說(shuō)的 MAST 的好處(字節(jié)數(shù)可能有加有減)。每一個(gè)都可以用軟分叉來(lái)激活。

結(jié)論：我們什么時(shí)候才能用上 MAST?

上文我們講解了 MAST 的好處，也簡(jiǎn)要提及了兩種在比特幣上實(shí)現(xiàn) MAST 的提案，你可能也好奇，什么時(shí)候我們能用上 MAST。遺憾的是，我也不知道。

從理念，到提案，到完整的實(shí)現(xiàn)，到提議軟分叉，到激活軟分叉，道阻且長(zhǎng)。圍繞隔離見(jiàn)證升級(jí)，為期兩年的大戲已經(jīng)很清楚地展現(xiàn)了這一點(diǎn)。

但從我的角度看，MAST 背后的基本理念已經(jīng)在比特幣技術(shù)社區(qū)中獲得了廣泛的支持，而對(duì) MAST 最感興趣的開(kāi)發(fā)者也會(huì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)，除非有人能證明這種技術(shù)完全不靠譜。有朝一日這些開(kāi)發(fā)者成功提出可供同行審議的軟分叉代碼，就輪到讀者你們和其他比特幣用戶(hù)，來(lái)決定 MAST 是否能成為比特幣協(xié)議的一部分了。

以上就是什么是比特幣默克爾化抽象語(yǔ)法樹(shù)?的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于默克爾化抽象語(yǔ)法樹(shù)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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