一文了解兩步原子交換協議LiquiDEX

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

長話短說：LiquiDEX 是一個在 Liquid網絡上執行兩步原子交換（atomic swaps）的協議，它只需要交換方的單次交互，這極大地改善了用戶體驗。而使用該協議，我們可以構建出更復雜系統的構建塊，例如自動 OTC 交易櫃臺、拍賣平臺甚至去中心化交易所 (DEX)。

注：LiquiDEX的產品還不可用。

簡介：Liquid網絡和原子交換技術

Liquid網絡是一個具有發行資產和保密交易（CT）的比特幣側鏈。

Liquid 的原生資產是 L-BTC（Liquid bitcoin），它相當於比特幣的一個錨定幣。

和以太坊一樣，用戶也可以在Liquid 網絡上發行代表數字資產的token，一個例子就是Tether USD（USDT）。

和比特幣一樣，Liquid使用了一種UTXO模型，而它們的交易結構也相似。

下面是一筆簡化的比特幣交易，其中Alice 發送 1 BTC 給 Bob：

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

下面則是一筆簡化的Liquid 交易，Alice 向 Bob 發送 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，因為使用了保密交易（CT）技術，Liquid網絡的輸入和輸出是不可見的，因此外部觀察者無法看到實際金額和資產。

這對交易者來說特別有用，通常而言，交易者並不想透露他們的操作，因為這些信息可能會影響到市場價格。

在上面的例子中，所有的輸入都屬於Alice，但情況並非一定如此：一些輸入可能屬於Alice，而另一些輸入可能屬於 Bob。

假設 Alice 想用L-BTC交換一些USDT，而Bob 想做相反的事情，則Alice 和 Bob 可以合作構建這樣的交易：

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)

交易完成後，Alice 發送了0.5 L-BTC 並收到了600 USDT， 而Bob 發送了 600 USDT，並收到了 0.5 L-BTC。

交易要么發生，要么不發生（它不會部分發生），這使得交易是“原子”的，這就是一筆P2P 原子交換交易，Alice 和 Bob 交換了一些資產，他們之間彼此並不信任，也不需要信任一個第三方。

Liquid Swap Tool：3步原子交換

在 Liquid 上支持原子交換的第一個實現是Liquid Swap Tool，它使用了一個三步協議。

其中第一步是 Alice 提出一筆swap交易：

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

第二步是Bob 接受這個提議：

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

然而這筆交易還沒有准備好被廣播，我們需要第三步，其中Alice來最終確定這個提議：

liquidswap-cli finalize accepted.txt --send

這 3 個步驟是使swap交易與標准交易無法區分的必要步驟。但是，它也存在着一些缺點。

該協議分析起來會更復雜。由於不同的原因，它可能會在不同的步驟失敗，也許是提議格式不正確，交易不再有利可圖，那么一方可能會中止協議。

Alice 還需要在线才能完成協議。 如果 Alice 花費太多時間來完成，Bob 可能會進行另一次swap交易並使他接受的提議無效。

這使得用戶體驗變得繁瑣，並且很難將這些swap交易集成到其他服務中。

而一個兩步協議將解決大多數的問題，事實上，兩步協議的用戶體驗非常類似於“發送交易”：Alice詢問她想要交換什么，然後最終交換發生。

在過去的幾個月裏，我們構建出了LiquiDEX這個想法。

LiquiDEX: 兩步原子交換

LiquiDEX 是一個在 Liquid 網絡上執行原子交換的兩步協議。

該協議涉及到了兩方：Maker 和 Taker，其中Maker 想要發送一些資產並接收一些其他資產作為交換，它創建 LiquiDEX 提議並發送給 Taker。Taker 接受該提議，並在 Liquid網絡上結算swap交易。

提案規範

1. 版本：數字，可選的非負整數，默認為 0，

2. tx：字符串，十六進制編碼的籤名 Liquid 交易，

3. 輸入：對象數組，交易輸入的非盲信息；item具有以下屬性：Asset：字符串，十六進制編碼的資產，聰：以聰為單位的整數數量，assetblinder:字符串，十六進制編碼的資產盲注，amountblinder: 字符串，十六進制編碼的數量盲注，

4. 輸出：對象數組，交易輸出的非盲信息；item具有相同的輸入對象格式。

Asset、assetblinder 和 amountblinder 與 Elements Core 一致地進行十六進制序列化，這與它們的字節序列化相反。

LiquiDEX 提案格式定義了 Maker 和 Taker 必須達成一致的內容。其他一切都可以由雙方任意選擇以實現所需的行為。

讓我們分析一個他們可能選擇做什么的例子。

第 1 步：Maker 制作提議（proposal）

Maker 有一個UTXO U_xA持有x數量的A資產，而他想要將其資產交換成y數量的B資產。

Maker創建了一筆交易，花費單個UTXO U_xA並接收y數量的B資產。

Maker屏蔽（blinds）這個輸出。在實踐中，這有一些重要的挑战，權衡和實現細節將在下一節中討論。

Maker 使用SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY 對（唯一）輸入進行籤名，這允許 Taker 添加更多的輸入和輸出，而不會使 Maker 籤名無效。

其他Maker按照上述規定創建 LiquiDEX 提議，並將提議發送給 Taker。

第 2 步：Taker 接受提議（proposal）

Taker 收到提議，並進行一些驗證，其中可能包括：

1. 輸入和輸出數組的長度為 1；

2. tx 是有效的 Liquid 交易；

3. tx 有 1 個輸入和 1 個輸出；

4. tx 輸入未花費；

5. tx 已籤名，並且籤名與SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY有效；

6. 輸出承諾（commitment）匹配輸出的非盲信息；

7. 先前的輸出承諾匹配輸入的非盲信息；

Taker 添加一個輸出，該輸出接收x數量的A資產。

Taker為交易提供資金，即他為資產B和費用添加輸入，根據需要更改輸出，以及顯式費用輸出。

Taker使用提議中的非盲信息來屏蔽交易。

Taker用SIGHASH_ALL對新添加的輸入進行籤名。

Taker廣播交易，一旦這筆交易被納入一個區塊，這筆swap交換交易就被結算了。

優點與缺點

LiquiDEX 有一些權衡，我們在這裏總結一下。

優點：

1. 更好的用戶體驗。

2. 對swap交易參與者的要求較低，Maker 提出提議，然後可以離线，然後Taker接受提議，幾分鐘後完成結算；

3. 協議更容易分析。

4. 更容易集成到更復雜的系統中。

5. Maker 不會從 Taker 那裏了解到破盲信息（unblinding information）。

缺點：

1. Maker 發送單個 UTXO，如果金額不是所需的，則需要進行額外的交易。

2. 更少的匿名性，LiquiDEX交換是可識別的，因為SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY在交易中可見。

用例

現在，我們來展示一些 LiquiDEX 支持的應用例子。

1、提出相互排斥的提議

假設Maker想要把L-BTC賣掉換成USDT或L-CAD，他可以使用相同的 UTXO提出兩個提議，一個發送L-BTC 並接收 USDT，另一個發送L-BTC 並接收 L-CAD。由於 UTXO 只能使用一次，所以他要么是收到USDT，要么是收到L-CAD。

2、接受批量提議

Taker可以使用多個提議構建其交易，例如：

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

3、自動化OTC交易櫃臺

我們還可以實現一項服務，它接受用戶的提議並負責匹配它們，這種服務既可以使用其他用戶的資金，也可以使用自己的流動性資金。

4、拍賣

Alice 發行了一種新資產，我們稱之為 NFT。Alice 可以為此舉行拍賣會，她公布了自己想要發送的輸出的資產、數量和盲注（blinder），並將接受交換L-BTC（或她想要接收的任何其他資產）的提議。過了一段時間後，她會接受對她來說更有利可圖的提議。

如果她想以一定的價格出售該NFT資產，那么她可以提出提議並希望有人接受它。

5、去中心化交易所（DEX）

一組用戶可使用點對點的方式在彼此之間中繼提議，以維護一個去中心化的訂單簿，這將是一個去中心化的交易所（DEX）。

當我們確信這個想法實際上是可行的之後，我們就开始對越來越復雜的原型進行迭代。

原型1：Unblinded

第一次迭代的所有輸入和輸入都是非盲的。它需要一個 Elements Core 節點以及一個沒有額外依賴項的小型 Python 腳本來運行協議。

原型 2：Makers Blinds

然後我們增加了對taker使用盲輸入和輸出的支持。

這需要一個額外的依賴項wally‌來執行一些加密操作。

原型3：Blinded Case（遇到了問題）

剩下的步驟是允許maker 也使用盲輸入，我們這樣做了，但不幸的是，實際的實現失敗了。

使用保密交易（CT），非盲信息在輸出字段之一（範圍證明——rangeproof）中加密。當收到交易時，這個非盲信息被解密並用於支出。然而，交易籤名不涵蓋此類字段。因此，Taker 可以替換其價值，而 Maker 將無法blind這筆交易。

解決這個問題的一個方法，是在本地保存每個提議的非盲信息，而不依賴於rangeproof數據。不幸的是，這與elements-cli 是不兼容的。 因此，我們不得不尋找新的想法來完成我們的實施。

BEWallet

我們需要一個讓我們能以最少的开銷進行實驗的錢包。我們選擇從使用 Electrum 服務器的Blockstream GDK Rust‌ 實現开始。這個想法是去除所有不需要的功能，以獲得一個非常簡單但有效的 Liquid Electrum 錢包。經過了數個月的努力之後，我們搞出了BEWallet。

然後我們添加了 LiquiDEX 支持，在這樣做的同時，我們試圖最大限度地減少用戶應該備份的數據量。Electrum 錢包（單籤名）備份通常包含一個BIP39助記詞，但LiquiDEX還需要其他的東西。瑣碎的辦法是堅持所有提出的提議，但我們可以做得更好。

首先，我們可以確定性地推導出資產blinder以及金額blinder 。此外，交易有一個 Maker 不使用的字段，即 nonce commitment。此字段已籤名，因此可用於存儲一些有用的數據。我們想為資產存儲 32 個字節，為數量存儲 8 個字節，但我們只有 32 個字節（和 1 個位）可用。

我們選擇使用 AES GCM IV 加密 nonce 字段中的金額，因為我們已經將其作為加密本地數據庫的依賴項。

相反，資產將被迫違背資產承諾。當提出提議時，錢包將保留它可能在本地收到的資產。在揭盲時，它會嘗試所有先前保留的資產，直到找到匹配項為止。

如果我們在另一臺設備上恢復錢包呢？我們可以導出上一個錢包中的資產列表，如果丟失了，我們可能會記住它，因為我們可能只交易最受歡迎的資產，或者我們甚至可找到在 Liquid 上發行過的所有資產並嘗試所有這些資產。

不管怎樣，這可能會在未來進行一些改進，我們只是想要一些現在有效的東西。BEWallet 在早期仍然是一個附帶項目，它可能會存在漏洞，因此要測試的話，請使用少量的資金。

使用BEWallet-cli進行Swap交換

安裝BEWallet錢包：

git clone https://github.com/LeoComandini/BEWallet-cli.git
cd BEWallet-cli
cargo install .

Maker 列出其代幣以選擇要交換的代幣：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" get-coins | jq
[
 ...
 {
   "txo": {
     "outpoint": "[elements]aa7c75c05f5944802eb4eda0c19fddbfcc230f032e5135bceeb56faf7af6e423:0",
     "script_pubkey": "a9145118eba7d058857216c7d190186fbb7b296cc05887",
     "height": 799437
   },
   "unblinded": {
     "asset": "beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3",
     "asset_blinder": "299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc",
     "amount_blinder": "c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52",
     "amount": 5
   }
 }
]

然後制作提議：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" liquidex-make --txid aa7c75c05f5944802eb4eda0c19fddbfcc230f032e5135bceeb56faf7af6e423 --vout 0 --asset 8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de --rate 1
{"version":0,"tx":"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","inputs":[{"asset":"beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3","asset_blinder":"299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc","amount_blinder":"c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52","amount":5}],"outputs":[{"asset":"8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de","asset_blinder":"ee390be3dd1e53d1f723e1007234fa3074691a7d5f1cfdbd75e0255284ee40b1","amount_blinder":"70b0d48bc015e4930d4688ca67379e4a637a78c70f573fc009cf1cc1bfe32e3a","amount":5}]}

並將該提議發送給接受它的Taker：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" liquidex-take --proposal '{"version":0,"tx":"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","inputs":[{"asset":"beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3","asset_blinder":"299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc","amount_blinder":"c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52","amount":5}],"outputs":[{"asset":"8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de","asset_blinder":"ee390be3dd1e53d1f723e1007234fa3074691a7d5f1cfdbd75e0255284ee40b1","amount_blinder":"70b0d48bc015e4930d4688ca67379e4a637a78c70f573fc009cf1cc1bfe32e3a","amount":5}]}' --broadcast

1980adeb659579e3d5fca673ab00e2f9a4fb933bfcabc0d52946ad3260552882

這導致了這筆交易‌，它可以被maker 部分揭盲，而被taker完全揭盲。

請注意，可以使用 taker-cli.py 和一個Elements 節點執行 Taker 步驟。

可能的改進

BEWallet LiquiDEX 實現現在已經可以工作了，但它遠非完美，我們削減了一些內容，在不久的將來，我們還會實施很多可能的優化和界面改進。其中有幾個改進是我們很想去實現的，但我們必須要多等待一點時間。

我們想擺脫自定義JSON 格式以使用部分籤名Elements交易，但是這還沒有准備好。

那么我們寧愿降低 Maker 及其揭盲程序的復雜性，這可以使用 SIGHASH_RANGEPROOF‌ 來完成，這是一種新的sighash類型，其也涵蓋了範圍證明（rangeproof），但是，我們需要等待它的部署。

一旦我們同時擁有兩者，任何支持 PSET 的錢包都可以以最少的更改實現LiquiDEX。

結論

Liquid網絡是具有原生資產的區塊鏈，它允許兩方或多方合作構建交易。這種交易可能包括雙方之間的資產交換，換言之即一筆P2P原子交換。

這個swap交換協議的初始實現分為3個步驟。然而，它有幾個問題，主要是用戶體驗會變糟。

LiquiDEX 是一種執行兩步 P2P 原子交換的協議。這通過要求 Maker 和 Taker 之間的單次交互來改進用戶體驗，並做出合理的妥協。

LiquiDEX 更容易集成到其他系統中，並且可以成為實施 OTC 交易櫃臺、拍賣系統、DEX等的構建塊。

而BEWallet則是一個支持LiquiDEX的可用Liquid Electrum 錢包。

致謝

我要感謝 Riccardo Casatta，是他提出了最初的想法，Luca 和 Valerio Vaccaro 幫助我進行了測試，特別是 Valerio 建立了liquidex.it，這是一個上傳提案的網站，此外他還提出了拍賣系統的想法。

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