Mimble-Wimble：区块链的黑魔法

报告摘要：

Mimble-Wimble提供了一种对比特币进行显著优化的方法。它能节省存储空间，同时还提供了很强的交易隐私性。在Mimble-Wimble中，不存在交易地址，交易金额也是隐藏的，同时中间状态的交易可以得到合并。这种“一石二鸟“的效果通过精妙的设计来达到，相当于在比特币的基础上提高了区块链的可扩展性。但是由于其删除了比特币的脚本，所以时间锁和原子交换等功能需要通过另外的方式实现，而且由于其设计的原因，在交易过程中双方需要通过外部渠道（例如通过邮件或者电报群等方式）进行交互，不像比特币一样知道地址就可以转账，由于技术较新，需要经过测试网的验证才能保证安全。比特币是非常鲁棒的，但是技术经过了10年的发展，目前的比特币应该可以有较大的提升空间，Mimble-Wimble保留了POW的优点，从UTXO集合的优化上做文章，并且理论上的存储空间优化非常显著，带来了在保留去中心化前提下提高可扩展性的新思路，值得关注。

在比特币中，全节点需要下载完整的约160GB的历史账本数据，来给未花费的交易输出UTXO集合做担保，确保每笔交易中的输出地址中有足够的UTXO来满足交易条件。它们需要检查提交至区块链的接近15000万笔交易，以得到接近400万个未花费的交易输出。正是由于需要检查所有历史交易数据的这个步骤，使得成为比特币全节点的门槛大大提高，而降低全节点的门槛对于保证区块链的去中心化至关重要，况且历史账本随着时间的推移大小还会不断增大，在较短期的未来，普通个人电脑难以支撑比特币全节点的运行。是否存在一种方法，使得让全节点不需要下载全部的历史账本数据，但仍然能够保证UTXO集合的合法性和区块链的安全？

除此以外，现有的比特币的隐私匿名性也并不如想象中的好，采用基于UTXO的模型，记录未花费的交易输出的转移，由于地址和转账金额是公开的，通过复杂的数据分析技术，有可能根据这些转账历史分析出地址对应的交易双方身份，用户的隐私性和交易的匿名性因此可能受到威胁。

事实上比特币的这些缺点的确存在着优化的办法，不仅可以使得原本需要下载160GB的历史账本缩小为50GB，显著减少存储空间和带宽使用，而且还可以提供更强的隐私性，这个强大的技术就是Mimble-Wimble。

它最初的白皮书在2016年发布，技术名称和作者都充满了魔幻的色彩，Mimble-Wimble是《哈利波特》中的一个咒语，和中本聪一样，作者采用了化名Tom ElvisJedusor（伏地魔在《哈利波特》中的法语名称），在扔下白皮书后销声匿迹。白皮书发布后不久，名为Ignotus Peverell（也是哈利波特中的人物）的开发者开始在Github上尝试用代码实现Mimble-Wimble，来自Blockstream的数学家也在国际会议上对此技术进行了探讨，目前开发者们发布了几个测试网络。

在Mimble-Wimble中，隐私性和可扩展性得到保证的原因来自于以下三点：

1. 区块链中没有地址，每次转账中接收方都要构建新的交易见证。

2. 交易金额也是隐藏的。

3. 中间状态的交易可以合并，更少的信息使得追踪更加困难，合并是指如果在要打包到区块的所有交易中，先有A转给B钱，后又有B转给C一定的钱，那么不需要全部记录这两笔交易，只需要记录A转给C多少钱，合并交易的中间状态，同时附上B的签名，就可以既保证交易的安全又确保不双花的同时减小UTXO集合大小，显著减少区块存储所需空间。

Mimble-Wimble依赖于椭圆曲线密码学（ECC），在ECC中，通常选择一个非常大的数字k作为私钥，如果H是椭圆曲线上的一个点，那么k*H则作为相应的公钥，椭圆曲线的性质保证了难以从公钥推导出私钥k，因为曲线点的除法非常困难。基于这个属性，可以在交易中隐藏实际交易金额，方法如下：

假设交易的金额是v，节点在验证交易的输出等于输入时等价于要验证v1+v2=v3，该式子等价于在等式左右两边乘上椭圆曲线上的点H，即需要验证：

v1*H+v2*H=v3*H，

虽然这样已经难以反推出实际交易金额，但是由于可以尝试的集合有限，攻击者仍有可能反推出v1的值。因此，引入第二个椭圆曲线G点和私钥r，将交易中的任意一笔输入输出值用r*G+v*H表示，由于椭圆曲线的性质，r和v都不能推导出来，那么需要验证的等式变成了：

r1G+v1H+r2G+v2H=r3G+v3H，

并且要求r1+r2=r3，这样交易的实际金额就得到了很好的隐藏。在实际的交易中，交易的金额只有双方知道，区块链的节点看到的信息是经过加密后的数字，而私钥r只有自己知道。为了验证交易的输出等于输出，而又要保护发送人的私钥不被接收人破解，需要发送者选择一个额外值excess value，加到自己的私钥上，在接收者视角只看到两者的和，而只有自己知道真正的私钥值，在验证时只需要验证，交易输出的和等于输入，且交易者知道excess value即可（证明自己知道的方法就是用其来构建ECDSA签名）。因此，excess value的作用就相当于一笔交易的私钥，通过UTXO的验证即可防止双花。

在合并交易时，执行的验证过程类似，因为单笔交易需要验证的内容是输出等于输入，那么经过合并（包括混合以及删减中间状态）后的交易本质上要验证的也是总/最终的输出等于输入，中间状态的交易则只需要验证它的签名即可。如果出现了双花，那么和比特币一样节点很容易可以验证出总的交易输出不等于输入。在Mimble-wimble中，节点可以将采矿所产生的所有资金的总和与持有的总金额进行比较，以检查总货币供应的正确性。通过范围证明可以用来确保交易中没有滥发货币。

总结：

综上，Mimblewimble的主要优点是在提供较强隐私性的同时，所需要的存储空间很小，可扩展性高。由于不需要存储整个交易历史的区块链，通过合并中间状态的交易，只需要存储某个币的来源和现在的状态，每个历史交易只需要存储约100字节的核（transaction kernel）, 相比其它区块链节省了大量空间，也使得新节点需要加入网络时，需要同步以及传输的信息量也非常小。但其删除了比特币的脚本，且加密过程中计算需要一定时间，因此其出块时间大约在1分钟。同时在交易验证时也需要双方进行一些信息的交互，使得某些交易功能可能有所限制。

作为一项较新的且富有前景的技术，它的安全性需要经过时间的考验，也需要大量的开发者来帮忙参与测试与验证。比特币是非常鲁棒的，但是技术经过了10年的发展，的确应该有较大的优化，Mimble-Wimble保留了POW的优点，从UTXO集合的优化上做文章，并且理论上的存储空间优化非常显著，带来了在保留去中心化前提下提高可扩展性的新思路，值得关注。

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作者：陈致佳 、蒙绎泽、江泽武

参考文献：

[1] 区块链那点事，《UTXO Commitment有望彻底解决大区块存储问题》http://t.cj.sina.com.cn/articles/view/2696852533/a0beb43500100agcv

[2] 安东尼奥马德拉，《什么是Mimble-Wimble》，https://www.cryptocompare.com/coins/guides/what-is-mimblewimble/

[3]Mimble-Wimble白皮书，https://download.wpsoftware.net/bitcoin/wizardry/mimblewimble.txt

[4]Gary Yu,《Mimble-Wimble和Grin简介》，https://github.com/mimblewimble/grin/blob/master/doc/intro.zh-cn.md#transaction-conclusion

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