区块链:科普 | Huffman：Taproot 的优化

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时间：1900/1/1 0:00:00

四年来的第一次比特币升级刚刚被全世界的矿工们批准。这是利益相关者之间达成共识的罕见时刻。

撰文|?Daiwei

Taproot回顾?

比特币改进提案是为比特币引入新功能和信息的设计文档，而Taproot升级则是三个BIPs的汇编，这三个BIPs分别是Schnorr签名(BIP340)、Taproot(BIP341)和TapScript(BIP342)，这三个升级统称为BIPTaproot，它将为比特币带来了更高效、更灵活、更私密的传输方式，其核心在于使用了Schnorr签名和Merkel抽象语法树(MAST)。

徐明星新书《趣说金融史》正式发布科普金融发展之道:金色财经现场报道，9月23日，欧科云链创始人徐明星携手著名财经作家李霁月、行业观察者顾泽辉力作《趣说金融史》一书，跨越5000年金融历史，重读金钱故事，并预测新的金融时代。该书由中信出版社出版，将于近期正式发售。据了解，本书可以更好地呈现金融的起源与发展，帮助人们理解货币、金融与未来经济。作为区块链行业领军企业——欧科云链的创始人，徐明星深知技术探索对经济社会的重要推动作用，他曾先后出版过《图说区块链》、《区块链：重塑经济与世界》、《通证经济》、《链与未来》等行业权威著作，解读区块链等新型技术的推动下，金融与社会的升级之道，对经济社会发展做出了重大贡献。其中，《区块链：重塑经济与世界》曾作为新中国70周年重点推荐图书之一被相关书店推荐。[2021/9/23 17:00:57]

动态 | 新浪财经：官媒针对区块链的报道从科普宣传转向打假监管:据新浪财经今日消息，“1025新政”满月，一个月间，官媒对区块链的态度风向已转。据11月初的一项统计，七家党媒在新政一周内发布了65篇直接相关报道，当时文章中的关键词是数据、产业、安全、创新等，大量文章偏向于科普区块链的概念以及应用介绍，提醒警惕虚拟货币炒作的仅有3篇。近期，官媒的批评焦点则纷纷指向借区块链之名进行的虚拟货币发行和炒作行为。据统计，新华网、人民网收录转载的，以打击虚拟货币或揭露假借区块链行为主题的文章，自10月25日到11月25日午间，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周内就高达15篇。这些文章主要围绕三个观点展开：厘清区块链和虚拟货币的关系，说明二者概念不等；打击伪“区块链”局，或是虚拟货币局揭露；提醒民众，区块链不能成为炒作的噱头，更不是行的招牌，需警惕此类活动，理性投资。[2019/11/26]

▲调整公钥

声音 | 浪潮集团云南分公司总经理：云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化:据昆明日报消息，浪潮集团云南分公司总经理郑昕表示，云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化。下一步，浪潮将继续加大云南农业产业高质量发展体系建设力度，重点以普洱茶等云南优势产业为切入点，打造云南“绿色、有机农产品高地”的品牌形象，并在此基础上，开展基于区块链的供应链金融服务，解决中小企业贷款难、贷款贵问题。[2019/11/11]

Taproot的原理，简单来说，就是定义了一种输出和两种花费路径。如上图所示，有Alice和Bob两个参与者，Taproot的运作过程如下:

将Alice和Bob的公钥聚合为：C=P_A+P_B加入MerkleRoot，公钥聚合为：P=C+H(C||MerkleRoot)G，其中H(C||MerkleRoot)表示C和MerkleRoot的组合hash锁定脚本中填入聚合公钥P，格式类似Segwit：。ver表示版本号，Taproot中ver=1。花费路径有两个，二选一：签名模式：Alice和Bob全部签名产生聚合签名，填入见证脚本。利用聚合公钥P,对签名进行验证后即可花费。脚本模式：Alice和Bob，有一个拒绝签名，可以走脚本模式。此时Alice想要完成花费，那么见证脚本中需要填入：符合Script1的执行数据D,Script1,C,Hash2。为了验证签名，首先利用Script1,Hash2，计算MerkleRoot，然后验证P==C+H(C||MerkleRoot)G是否成立，最后构建完整脚本D||Script1并执行脚本，验证结果是否为真。当上述验证通过后，即可完成花费。Taproot按照签名模式进行花费时，多个参与方和单个参与方在区块链上看起来都长得是一样的，所以许多区块链分析将不可用，从而为所有Taproot用户保留隐私。与此同时，Taproot的脚本花费模式让用户可以实现复杂的支出条件。Taproot可以有效压缩交易脚本字节数。签名模式下随着参与者增加，EDSA交易脚本大小线性增长，Taproot交易脚本大小保持不变。脚本模式下随着脚本数量的增加，EDSA交易脚本大小线性增长，Taproot交易脚本大小对数增长。

动态 | 人民日报官方微博科普区块链强调区块链不等于比特币:人民日报官方微博今早发表9图科普区块链。其中涉及区块链的特点有：1、安全；2、不可篡改；3、可访问；4、无第三方。区块链对未来的影响：1、不需繁琐个人证明；2、看病避免反复检查；3、旅行消费更加便捷；4、交易无需第三方。同时强调，区块链不等于比特币。比特币只是区块链技术的一种应用，区块链还有医疗卫生、食品安全、版权保护等诸多应用领域。[2019/10/28]

HuffmanTree?

给定N个权值作为N个叶子结点，构造一棵二叉树，若该树的带权路径长度达到最小，称这样的二叉树为最优二叉树，也称为哈夫曼树(HuffmanTree)。哈夫曼树是带权路径长度最短的树，权值较大的结点离根较近。

财政部副部长朱光耀：数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展:今日，在中国发展高层论坛2018年会上，财政部副部长朱光耀表示：“数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展。也要关注数字经济的其他影响，包括税收征管、反监管措施等要跟上。”[2018/3/25]

▲哈夫曼树

哈夫曼树的构造过程是利用贪心的思想，每次选择权重最小的两个结点组合成新的节点，加入到原始集合，重复上述过程，直至结束。如上图所示，存在权重集合为(1,2,3,4,5)?的5个结点，构造哈夫曼树的过程如下：

从集合中选择权重最小的1,2结点，组合成权重为3的结点，集合变成(3,3,4,5)从集合中选择权重最小的3,3结点，组合成权重为6的结点，集合变成(4,5,6)从集合中选择权重最小的4,5结点，组合成权重为9的结点，集合变成(6,9)从集合中选择权重最小的6,9结点，组合成权重为15的结点，集合变成(15),构造过程结束可以看出，在哈夫曼树中，权重越大的结点离根越近，权重越小的结点离根越远。

HuffmanTree?

在Taproot里的应用?

Taproot相比于ECDSA多签算法，一大优势是Schnorr聚合签名可以将多个签名数据压缩合并成单个聚合签名。使用聚合签名技术后，交易脚本的字节数大大减少，可以有效减少交易费用的支出。当我们按照脚本模式进行花费时，借助MAST的树形结构，交易脚本大小随着脚本数量对数增长。然而利用HuffmanTree，可以通过改进MAST的构造过程，帮助我们进一步减少脚本花费模式下见证脚本的字节数，最终达到降低交易手续费的目的。

▲抽象语法树

前文提到，当Taproot按照脚本模式进行花费时，需要提供脚本在MAST中的Proof。如上图，当我们想通过script_A进行花费，见证脚本中需要提供：

符合script_A的执行数据Dscript_APTaggedHash(B),TaggedHash(C)TaggedHash表示带标签的hash，固定长度32字节，使用带标签的hash目的是减少hash碰撞忽略前两项的字节数，可以看出，最后一项的字节数可以表示为32*(d-1)，d=3表示script_A在MAST中的高度。换句话说，最后一项的字节数与脚本在MAST中高度线性相关。因此，对于script_A,script_B,script_C三个脚本，我们可以根据脚本使用频率赋予权重，构造哈夫曼树，作为MAST。最终，根据Huffman的特性，使用频率越高的script,在哈夫曼树中的高度越低，见证脚本中字节数越少，交易手续费越低。总而言之，交易手续费与交易脚本的字节数息息相关。Taproot的聚合签名可以帮助我们有效减少按签名模式花费时的交易脚本字节数，但是利用Huffman构造MAST可以进一步帮助我们减少按脚本模式花费时的交易脚本字节数。