Enabling Threshold Custody for the Lightning Network with Nested Threshold Multi-Signatures
本文介绍了“Iceberg”，这是一种用于嵌套门限 MuSig2 签名的创新密码学构造，它使得比特币闪电网络（Lightning Network）的一侧能够在无需对底层协议、比特币或交易对手进行任何修改的情况下，作为一个安全的 -of- 门限组运行，同时保持高支付吞吐量。
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在比特币的数字世界中，资金通过两个不同的层级进行流动。主层被称为区块链，是一个永久记录交易的公开账本。在它之上构建的是闪电网络（Lightning Network），这是一个更快速、更私密的系统，旨在处理每秒数千次支付，而不会使主账本变得臃肿。要使用这个系统，两个人会在他们之间开启一个私有的通道，将资金锁定在一个特殊的数字锁之下，该锁需要双方的共同批准才能动用。这种设置已成为大型金融机构的关键，处理着数亿美元的价值。然而，自该网络诞生以来，一个关键的弱点一直存在：控制通道每一侧资金的数字密钥由单个设备持有。如果这个设备被盗、被黑或仅仅是丢失了，资金将永远消失。这里没有备份，没有恢复机制，也无法在多个人或多台机器之间分配权限。
多年来，专家们一直知道解决方案在于“阈值托管”（threshold custody），这是一种要求一组人达成一致才能签署交易的方法，但并不要求每一位成员都必须到场。这是在主区块链上保护大额资金的标准做法，但将其应用于闪电网络却一直无法实现。其原因在于一个技术上的僵局：闪电网络要求两方之间进行特定的、僵化的握手协议以更新余额，而这种握手协议不允许其中一方突然显露其背后其实是一个群体。如果其中一方尝试使用组合密钥，就会破坏协议，迫使另一方更改其软件或整个网络进行适配。这使得闪pi电网络处于脆弱状态，依赖于单点故障，而金融界的其他部分正朝着更稳健、更分布式的安全领域迈进。
一组研究人员现在通过发明一种名为 Iceberg 的新型密码学方法解决了这个问题。他们的工作使得闪电通道的一方可以作为一个安全的签名者群体运行，但在另一方看来，它仍然表现为一个普通的单一用户。想象一下，一个银行金库需要三名经理才能开启，但在外界看来，似乎只有一个人的手在转动钥匙。研究人员通过创建一个系统实现了这一点，在该系统中，群体的内部共识是在幕后隐形进行的，从未改变发送给对手方的消息。其结果是，这提供了一种分配风险并防止全额损失的方法，且无需更改比特币网络、闪电协议或通道另一方所使用的软件。
这项创新的核心在于群体如何处理数字“随机数”（nonces），即用于创建签名的随机数字。在闪电网络中，这些数字必须在具体的交易细节确定之前就达成一致。这创造了一个独特的挑战：如果群体在选择随机数与签署交易之间的时间差内改变了成员，签名可能会失败或变得不安全。以往试图解决此问题的尝试，要么要求所有成员同时在线，要么迫使群体揭示其内部结构。Iceberg 系统通过使用一种称为“复制秘密共享”（replicated secret sharing）的技术克服了这一难题。在这种设置下，每个成员都持有部分密钥碎片，但这些碎片的排列方式使得任何微小的多数派成员都可以重建必要的数字，无论当前谁在线。至关重要的是，该系统推导这些数字的方式仅取决于通道的状态，而不取决于哪些特定成员在场。这意味着如果某些成员离线或群体构成发生变化，剩余成员仍能产生与之前承诺完全相同的签名，从而保持通道的安全与功能。
为了证明这一概念在现实世界中可行，研究人员构建了一个工作原型，并将其集成到一个生产级的闪电节点（一种用于路由支付的软件）中。他们在各种条件下测试了该系统，模拟了不同规模的群体以及容忍不同数量的故障或缺失成员的情况。结果显示，这种新方法仅为支付过程增加了极小的时间。对于一个旨在容忍一名损坏成员的群体，每次支付增加的时间仅为 3.8 毫秒。这仅相当于标准交易所需计算工作的 6.7%。即使是针对处理更多故障的大型群体，该系统仍保持了高速度，维持了标准未修改通道 93% 以上的支付吞吐量。这表明，可以在不牺牲闪电网络实用性的前提下，为闪电网络增加阈值托管的安全性。
该新系统的安全性也经过了严格证明。研究人员表明，只要群体中拥有多数诚实的成员，攻击者即便控制了部分设备，在数学上也无法伪造签名或窃取资金。该证明考虑了闪电网络的复杂现实情况，即成员可能会离线、消息可能会延迟，以及群体可能需要在签名之前对当前的通道状态达成一致。通过形式化定义一种称为“嵌套阈值多重签名”（nested threshold multi-signatures）的新型密码学原语，该团队提供了数学保证，证明该群体作为一个单一且安全的实体在运作。这意味着机构和个人现在可以单方面部署这种保护；他们可以升级自己的安全性，而无需要求任何人更改其软件，也不必等待全网升级。
这项工作的意义不仅在于修复了一个漏洞，它还改变了我们对分布式系统中数字资产安全性的思考方式。多年来，闪电网络一直被视为一种权衡：速度和隐私是以依赖脆弱的单点密钥为代价的。Iceberg 消除了这种权衡，允许闪电网络以大型机构对其链上资产所要求的同等水平的安全性进行扩展。研究人员验证了其系统可以与现有硬件和软件无缝衔接，这意味着向这种更安全模型的过渡可以立即发生。通过将解决方案集成到真实的节点中并测量其性能，他们将这一概念从理论上的可能性转变为实用的工具。研究结果证实，闪电网络现在可以支持这种稳健的多方托管，从而保护目前流经其中的数亿美元资金。
这一突破并不依赖于改变比特币或闪电网络的基本规则。相反，它通过将一个复杂的、多人的安全系统，嵌入到网络所预期的简单的、单人位置之中。这提醒我们，有时最有效的解决方案并非从头开始构建新事物，而是寻找一种让现有结构承载更多重量的方法。研究人员表明，通过正确的数学方法，可以将一群守护者隐藏在一个单一的面孔之后，确保在闪电般快速移动的数字资金，其安全性与使用它的人一样可靠。前行的道路现在已经清晰：技术已经存在于保护这些资金之中，剩下的唯一障碍就是采用它的决定。
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