[论文解读] JugglingSwap: Scriptless Atomic Cross-Chain Swaps

Omer Shlomovits, Oded Leiba|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 35被引用 9

一句话总结

JugglingSwap 引入了一种无需脚本的原子跨链交换协议，可在签名方案和椭圆曲线参数不同的区块链之间实现无信任、自我托管的交换。通过使用一种名为 'Juggling' 的新型公钥可验证加密方案，逐步释放密钥分片，该协议实现了超越现有无脚本协议的互操作性，后者要求共享曲线参数，同时通过门限签名和可验证秘密共享保持安全与公平。

ABSTRACT

The blockchain space is changing constantly. New chains are being implemented frequently with different use cases in mind. As more and more types of crypto assets are getting real world value there is an increasing need for blockchain interoperability. Exchange services today are still dominated by central parties which require custody of funds. This trust imposes costs and security risks as frequent breaches testify. Atomic cross-chain swaps (ACCS) allow mutual distrusting parties to securely exchange crypto assets in a peer-to-peer manner while preserving self-custody. Fundamental ACCS protocols leveraged the scripting capabilities of blockchains to conditionalize the transfer of funds between trading parties. Recent work showed that such protocols can be realized in a scriptless setting. This has many benefits to blockchains throughput, efficiency of swap protocols and also to fungibility and privacy. The proposed protocols are limited to assets transferable by either Schnorr signatures or ECDSA that are assuming the same elliptic curve parameters. In this work we present JugglingSwap, a scriptless atomic cross-chain swap protocol with a higher degree of interoperability. We weaken the assumptions about blockchains that can be included in the ACCS protocol, and only require that (1) a threshold variant exists to the underlying digital signature scheme and (2) it is based on the elliptic curve discrete logarithm problem (ECDLP). The fair exchange is achieved by a gradual release of secrets. To achieve this we use a new building block we call Juggling: a public key verifiable encryption scheme to transfer segments of secret shares between parties, which can also be of separate interest. Juggling is then tailored to a specific private key management system design with threshold signatures security.

研究动机与目标

• 解决现有无脚本原子跨链交换协议互操作性有限的问题，这些协议要求共享椭圆曲线参数和签名方案（例如 Schnorr 或 ECDSA）。
• 实现在使用不同数字签名方案或椭圆曲线的区块链之间的原子交换，从而扩大跨链互操作性的范围。
• 设计一种公平交换机制，确保双方相互信任，而无需依赖可信第三方或链上脚本。
• 开发一种新的密码学原 primitive——Juggling——以实现跨参与方的安全、可验证且渐进的密钥分片传递。

提出的方法

• 该协议使用一种名为 'Juggling' 的新型公钥可验证加密方案，以安全且可验证的方式逐步在参与方之间传递密钥分片。
• 密钥分片通过在椭圆曲线上执行门限密钥生成协议（例如 {3,3}-Thresh-Key-Gen）生成，其中离散对数问题难以求解。
• 每个参与方为其共享地址贡献私钥的一个分片，只有当所有参与方协作时，才能重建完整密钥。
• 协议通过要求双方逐步揭示其分片来确保公平性，并利用公开可验证的加密技术检测并证明恶意行为。
• 该系统支持使用 ECDSA、EdDSA 或其他基于 ECDLP 的方案的区块链之间的互操作性，只要存在门限签名方案即可。
• 实现使用 Rust 实现密码学层，使用 JavaScript 实现通信，通过抽象曲线和签名方案实现可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖跨区块链共享椭圆曲线参数或签名方案的前提下实现原子跨链交换？
• RQ2 当区块链在底层签名机制上不同时，如何在无脚本环境下实现公平交换？
• RQ3 能否构建一种可验证且渐进的秘密共享机制，以替代链上脚本，并实现在多样化区块链之间的互操作性？
• RQ4 为确保在异构链之间去中心化、无信任交换协议中的安全性和可验证性，需要哪些密码学原 primitive？
• RQ5 如何将门限签名与可验证加密结合，以实现在无可信第三方参与下的安全、自我托管交换？

主要发现

• JugglingSwap 支持使用不同椭圆曲线和签名方案的区块链之间的原子跨链交换，例如比特币（ECDSA/Secp256k1）与以太坊（ECDSA/Secp256k1），或基于 EdDSA 的链如 Algorand 和 Tezos。
• 该协议在无需共享曲线参数或签名方案的前提下实现了互操作性，克服了先前无脚本原子交换协议的关键限制。
• Juggling 原 primitive 的使用实现了密钥分片的渐进、可验证释放，确保了公平性，并支持对恶意行为的检测。
• 协议每条区块链仅需两个标准交易，显著减少了链上足迹，相比基于脚本的 HTLC 更具效率。
• 只要正确实施门限密钥生成和验证机制，即使一方或提供方恶意，安全性也能得到保障。
• 实现已证明在 Secp256k1 和 curve25519 上的可行性，支持 ECDSA 和 Schnorr 签名，并可扩展至其他曲线和签名方案。