静5前沿讲座回顾 | Dr. Alan Szepieniec介绍区块链中可扩展且隐私保护的存储技术

关键词：静5前沿讲座

编者按

2023年11月17日，Neptune 加密货币首席架构师和联合创始人 Alan Szepieniec 博士访问北京大学前沿计算研究中心，并在静园五院作了题为“Mutator Sets and their Application to Scalable Privacy”的报告，介绍了 Neptune 中货币 UTXO 的关键加密存储技术。此次报告由中心助理教授刘天任老师主持。

UTXO（Unspent Transaction Output）模型是区块链中一种常见的交易架构模型，被诸如比特币，莱特币等著名区块链系统所使用。在该模型中，矿工将持续维护一个 UTXO 池，每个未使用的 UTXO 都被视为一笔可用的货币。当一个用户想要发起一笔交易时，他们需要指定之前交易的 UTXO 作为输入，并将其分配给接收方的新地址。该交易输入将被标记为已使用，并从 UTXO 池中排除，同时交易输出的新 UTXO 将会被矿工加入到 UTXO 池中。通过使用 UTXO 模型，区块链可以确保每笔交易都是基于真实且有效的输入，并避免了双重支付等问题的发生。每个交易都可以通过检查其输入 UTXO 的有效性来进行验证，从而确保交易的可信度和安全性。同时，使用承诺系统和零知识证明技术可以使 UTXO 不以明文的方式存储，进而能够保证用户的隐私性。

然而，目前具有隐私保护的区块链存在可扩展性差的问题。为了解决这一问题，讲者采用一种名为 Mutator Set 的数据结构来实现带有可扩展性的 UTXO 隐私存储。Mutator Set 是一种抽象的数据结构，其能够使用定义好的操作进行状态变更。这些操作不仅使用加密算法来保护参与者和交易数据的隐私性，同时还允许多个操作并行处理，使该数据结构拥有良好的可扩展性。

在该技术框架下，讲者解释了 UTXO 池的两种变更操作：增加 UTXO 和移除 UTXO。当需要增加 UTXO 时，用户使用哈希函数对 UTXO 信息进行承诺，将承诺和时间戳一起存储在一个只能增加的承诺序列（AOCL）当中。而当需要移除 UTXO 时，用户不仅要证明自己拥有承诺序列中某个承诺的 UTXO 原像，同时还需要通过一个布隆过滤器的验证。该布隆过滤器同样由矿工维护，其根据 UTXO 时间戳决定 UTXO 对应的过滤器窗口。当 UTXO 被使用时，其哈希所对应的比特位都将被清零，这使得用过的 UTXO 无法被再次使用。同时，不断移动的窗口设计使得 UTXO 之间只有极小的概率被哈希到同一个比特位，使不同 UTXO 之间不会互相影响。以上的操作都只需要用户通过零知识证明来向矿工证明存在性，因此能够保护用户的交易隐私。

然而，以上结构需要矿工维护线性增长的承诺列表和过滤器，这仍是一笔极大的开销。为了进一步解决这一问题，讲者说明矿工可以使用 Merkle Mountain Range 技术来动态构建上述的两个存储列表。矿工通过不断生成更大的 Merkle Tree，只需要维护树的根节点，使矿工的存储空间能够降低到对数级别。

讲者将 Mutator Set 方案与其他保护隐私性的区块链方案进行比较，并说明了该技术作为区块链存储上的优势。与任合现有隐私保护的区块链相比相比，该方案在发送交易，交易验证和 UTXO 状态更新的操作时间复杂度上都有一定的优势。同时，这一方案也不需要任合可信假设，并且拥有良好的可扩展性。

报告的最后，讲者还给出了一些开放性问题，并和老师和同学们讨论了 Mutator Set 在区块链其他领域的应用前景。

合影留念

报告回放：

图文 | 李济宸

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