Sprout和Sapling的Transaction的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳解

最近又重新看了看ZCash的白皮書。話說，看ZCash的白皮書需要一點(diǎn)耐心，144頁的白皮書形式化太多，通篇就只有一張圖（地址和Key生成關(guān)系圖）。

經(jīng)過Sprout和Sapling兩次升級，目前ZCash中Transaction中集成了三種交易：1/ 透明交易 2/ JoinSplit（Sprout）3/ Spend/Output （Sapling）。

1. Sprout

Sprout使用JoinSplit結(jié)構(gòu)表示一筆交易。JoinSplit中的Vold和Vnew實(shí)現(xiàn)了隱私和透明交易的交易金額的平衡。rt是Note commit形成merkle樹的樹根。nf和cm分別是Nullifier和Note的commitment（在Sprout都是使用的sha256算法）。Note，Note Plaintext， 以及Nullifier相對直白。

1.1 JoinSplitSig

JoinSplitSig對整個(gè)TransacTIon數(shù)據(jù)使用私鑰進(jìn)行簽名，保證TransacTIon的數(shù)據(jù)不被篡改。簽名的數(shù)據(jù)要被驗(yàn)證，必須提供“公鑰”。在ZCash的框架中，隱私考慮，轉(zhuǎn)賬雙方的“公鑰”都不能公開。為了能提供簽名，就只能重新生成臨時(shí)的“公鑰”/“私鑰”對（JoinSplitPublicKey， JoinSplitPrivateKey）。用JoinSplitPrivateKey對整個(gè)TransacTIon的“SIGHASH_ALL“的結(jié)果進(jìn)行簽名，生成JoinSplitSig。

1.2 hsig 和 h

hsig是一個(gè)比較有意思的設(shè)計(jì)。試想，如果只有JoinSplitSig機(jī)制，雖然保證了TransacTIon數(shù)據(jù)的完整性，但并沒有保證簽名本身不能變。完全可以在Transaction其他數(shù)據(jù)不變的情況下，重新生成JoinSplitPublicKey，從而生成新的JoinSplitSig。hsig就是為了解決這個(gè)問題。hsig“綁定”所有的nf的數(shù)據(jù)和當(dāng)前使用的JoinSplitPublicKey。并且，使用每個(gè)nf中對應(yīng)的“私鑰”，對hsig進(jìn)行hash計(jì)算，生成h。也就是說，每個(gè)nf對應(yīng)的私鑰都“授權(quán)”使用當(dāng)前的JoinSplitPublicKey。這樣，JoinSplitPublicKey就不能隨意修改，要做改動(dòng)，必須知道每個(gè)nf對應(yīng)的“私鑰”。

1.3 Cenc

Sprout使用的是”In-band secret distribution“。簡單的說，需要傳輸給轉(zhuǎn)賬對方的信息（Note plaintext），加密后存儲在鏈上。采用這種方式，轉(zhuǎn)賬對方不需要實(shí)時(shí)在線，任何時(shí)候都能同步鏈上數(shù)據(jù)確認(rèn)交易。和JoinSplitSig一樣的思想，轉(zhuǎn)賬對方的信息不能直接作為加密密鑰。先隨機(jī)生成epk/esk，再和pkenc結(jié)合，生成加密密鑰。

2. Sapling

Sapling是一個(gè)比較大的升級，零知識證明的性能提升了十幾倍。Sapling不用JoinSplit結(jié)構(gòu)表示交易，而是用SpendDescription和OutputDescription直接表示“花費(fèi)”和“支出”。一個(gè)比較重要的設(shè)計(jì)是：valueBalance，SpendDescription中的cv以及OutputDescription中的cv都是value的同態(tài)commit。所謂的同態(tài)commit，就是value的計(jì)算后的commit和commit再計(jì)算的結(jié)果相等。

2.1 spendAuthSig

SpendDescription中的spendAuthSig是對整個(gè)SpendDescription進(jìn)行簽名。和Sprout簽名的思想類似。先隨機(jī)出rsk和rk密鑰對，再使用rsk進(jìn)行簽名，同時(shí)把rk放在SpendDescription中。

2.2 Cenc和Cout

Sapling同樣使用的是”In-band secret distribution“。Cenc是對Note Plaintext進(jìn)行加密的結(jié)果。和Sprout類似，加密的密鑰由esk和pkd生成。Sapling比Sprout設(shè)計(jì)了更多的密鑰“權(quán)限”。眾多密鑰中，有個(gè)ovk（outgoing viewing key），也就是擁有ovk，可以查看outgoing的交易。原理很簡單，就是用ovk將esk和pkd加密，生成Cout。

2.3 bindingSig

bindingSig也是整個(gè)Transaction數(shù)據(jù)的簽名。簽名使用的公鑰/私鑰（bvk/bsk）是通過cv以及生成cv時(shí)采用隨機(jī)數(shù)生成。因?yàn)橥瑧B(tài)commit的算法保證bvk=bsk*R （R是生成元），所以，bsk和bvk存在公鑰/私鑰關(guān)系。bingdingSig就是用bsk對整個(gè)Tansaction簽名的結(jié)果。

總結(jié)：

ZCash的白皮書形式化描述比較多，看完整理需要耐心。ZCash已經(jīng)經(jīng)過了三個(gè)階段：Overwinter，Sprout和Sapling。畫圖總結(jié)了Sprout和Sapling的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，更直觀理解ZCash的隱私設(shè)計(jì)。