什么是门罗币？终极入门指南

liuchengxu (32)in #monero • 7 years ago (edited)

原文: What is Monero? The Ultimate Beginners Guide

根据 Monero（门罗）官网: Monero 是一个安全，隐私和不可追踪的加密货币。通过使用密码学中一种特殊的方法，门罗确保了所有交易保持 100% 的不可关联和不可追溯性(unlinkable and untraceable)。在一个日益透明的世界，你会明白为什么门罗会被人们所期待。通过本文，我们将会看到门罗背后的机制，到底是什么使它如此特别。

起源

2012 年 7 月，Bytecoin ，CryptoNote 的第一个实现终于问世。CryptoNote 是一个应用层协议，它支撑了各种去中心化货币。尽管在很多方面，它跟比特币上的应用层很相似，但是两者仍有很多不同的地方。

尽管 bytecoin 十分有前景，但是人们也注意到发生了很多负面的事情，并且鉴于它已经产出了 80% 的币。所以，决定将 bytocin 分叉，新链上的币叫做 Bitmonero，最终被重新命名为 Monero（门罗），在世界语（Esperanto）中叫做“coin”，硬币的意思。门罗的出块时间为两分钟。

译者注：就在翻译本文之时，bytecoin 似乎在 GitHub 上有了一个新账号 bcndev/bytecoin，这个账号加入 GitHub 的时间为 2018 年 2 月 6 号。原始的 repo 应该是 amjuarez/bytecoin，但好像一直都不太活跃，star 几百，fork 几千，也是“器宇不凡”。而 cryptonote 的 repo 为 cryptonotefoundation/cryptonote，也是 fork 自 amjuarez/bytecoin。

门罗由一个 7 人的开发者团队领导，其中 5 人匿名，另 2 人已公开。他们是 David Latapie 和 Riccardo Spagni aka “Fluffypony”。项目是开源众筹的形式进行。

The core team

门罗的特别之处

那么，到底是什么使得门罗这么热门？CrytoNote 算法给了它什么独特之处？让我们来看一下。

属性 #1: 你的钱就是你的

你对交易有着绝对的控制权。你为你的钱负责。因为你的身份是私有的（private），没有人能够看到你把钱花到了哪儿。

属性 #2: 可替代性

多亏了隐私性，另一个有趣的属性是它是真的可替换的（fungible）。什么是可替代性（fungibility）？Investopedia 是这么定义的：

“Fungibility is a good or asset’s interchangeability with other individual goods or assets of the same type.”
所谓可替换性，指的是一个商品或资产与其他同类型个体商品或资产的互换性。

那么，什么是可替代的，什么又是不可替代的。

假设你从一个朋友那儿借了 20 美元。如果你还给他另外 20 美元的钞票，那么没问题。实际上，你甚至可以还给他一个 10 美元和 2 个 5 美元的钞票。仍然没问题。美元有着可替代的属性（但并非总是如此）。

但是，如果打算周末借某人的车，回来以后还给他另外一辆车，那么他很可能会揍你。实际上，如果你借走一辆红色宝马，然后还给他另一辆红色宝马，显然这并不可行。在这个例子中，车并不是一个可替代的资产。

加密货币中理想的可替代性是什么？

以 bitcoin 为例，它引以为豪的一点就是比特币是开放的账本，但是，这也意味着每个人都可以看到里面的每一笔交易，更重要的是，每个人都可以看到交易的踪迹。简单来说，如果你拥有一个曾经用于某个非法交易的比特币，比如购买毒品，那么它的交易细节里面将会永远有这样的印记。实际上，这“污染（taint）”了你的比特币。

在某些比特币服务提供商和交易所中，这些“被污染”的币与“干净的”币永远都不会被一视同仁。这就泯灭了可替换性（fungibility），这也是比特币经常为人所诟病的一点。毕竟，为什么别人做了错事，需要你来买单呢？

于是门罗诞生了。由于所有数据和交易都是不公开的，没有人能够知道你的门罗币在之前经历了哪些交易，也无法知道你的门罗币会用来购买什么。既然交易历史不会有人知道，自然也就不存在“交易”踪迹。因此，“被污染”的门罗币和“干净的”的门罗币也就不复存在，所以它们是可替换的！

属性 #3: 动态扩展性

比特币的扩展性问题由来已久。简单来说，比特币协议限定了区块大小为 1 Mb（译者注：扩容，BCH 等为后话）。在早期，比特币并没有任何区块大小的限制，但是后来为了防止垃圾交易，就施加了大小限制。

对于区块大小，门罗并没有任何“预先设定”的限制。这同时也意味着恶意矿工可能会通过超大区块堵塞系统。为了防止发生这种情况，系统有一个区块奖励的惩罚（block reward penalty）。工作方式如下：

首先，最后 100 个区块大小的中位数叫做 M100。假设矿工挖出了一个新的块，大小记为 NBS（New Block Size）。如果 NBS > M100，那么区块奖励会随着 NBS 超过 M100 的平方递减。

也就是说，如果 NBS 大于 M100 [10%, 50%, 80%, 100%]，那么区块奖励随之减少 [1%, 25%, 64%, 100%]. 通常来说，区块大小超过 2 倍的 M100 是不被允许的，同时如果区块小于等于 60kb 则会免于任何的区块奖励惩罚。

属性 #4: 防 ASIC

在正式开始之前，让我们来明确一点。实际上，门罗不算是严格的“ASIC resistant”，但是制作针对门罗的 ASIC 将会成本高昂，以至于不值得如此操作。为什么呢？记住，当我们说门罗基于 CryptoNote 系统时，已经使得它与比特币截然不同。在基于 CtryptoNote 的系统中所用的哈希算法叫做 "CryptoNight"。

创造 Cryptonight 是为了构建一个更加公平，更加去中心化的货币系统。利用 cryptonight 的加密货币无法用 ASIC 挖矿。它的目的是希望可以杜绝出现矿池的出现，并使得货币分散地更均匀。

那么，是什么使得 CryptoNight 防 ASIC？（以下内容来自monero.stackexchange.com 用户 user36303 的回答。）

Crytponight 需要 2 MB 的快速内存来工作。这意味着并行哈希会被一个芯片可以分配多少内存限制，同时保持尽可能地低成本，以免“入不敷出”。2 MB 的内存要比 SHA256 电路要耗费多得多的硅。
Cryptonight 是 CPU 和 GPU 友好型，因为它利用了 AES-Ni 指令集。基本上，如果你用的是没那么老的机器，由 Cryptonight 所完成的一些工作已经在硬件层完成。
已经有不少说法说，想要把门罗从工作量证明算法切换至“Cuckoo Cycle”（一种不同于工作量证明的哈希）。如果这种切换真的发生，那么在 R&D 门罗 ASIC 友好型所耗费的所有工作都将付之东流。

属性 #5: 多密钥

门罗最令人费解的一个地方就是它的多重密钥（multiple keys）。在比特币和以太坊等等，你只有一个公钥和一个私钥。但是，在门罗这样的系统里，远不止此。

view key：门罗有一个 public view key 和 private view key。

public view key 用于生成一次性的 stealth public address(隐匿的公开地址)，资金将会通过这个地址发送给接收者（后面有解释）。
private view key 用于接收者扫描区块链来找到发送给他们的资金。

这是整个过程的概述。

public view key 构成门罗地址的第一部分。

spend key：如果 view key 大多是为了交易接收方，那么 spend key 就是全部有关于发送方。跟上面一样，有两个 spend key：public spend key 和 private spend key。

public spend key 帮助发送方参与环交易（ring transaction），并验证密钥镜像(key image)的签名（后文有介绍）
private spend key 帮助创建密钥镜像，密钥镜像能够使得他们能够发送交易。

public spend key 构成门罗地址第二部分。

门罗地址是一个 95 个字符的字符串，分别由 public spend key 和 public view key 构成。

现在可能会有点令人疑惑，不过先记住就好了，这些概念在接下来的几个章节会越来越清晰。

门罗涉及了哪些密码学相关的知识？

加密货币交易的工作方式是怎样的？

每笔交易都有两边，一边是输入，一边是输出。假设 Alice 需要给 Bob 发送一些比特币，交易看起来是怎样的？

交易输入

为了发起交易，Alice 需要花费从之前各种交易收到的比特币。记住，我们之前说过，每个币都来源于之前的交易。所以，Alice 可以将之前交易的输出作为新交易的输入。后面，当我们谈到“输出”时，尤其是在环签名（ring signature）一节，我们指的是将旧交易的输出成为新交易的输入。

所以，假设 Alice 需要从下列交易从获得输入，比如 TX(0), TX(1) 和 TX(2)。这三笔交易会被一起包含到这笔交易，并有一个交易输出 TX(Input).

transaction input

这是从输入来看，下面让我们来看一下输出。

交易输出

输出就是 Bob 可以在之后交易花费的钱，也可能会出现找零，找零会返回给 Alice。找零会成为 Alice 未来任意交易的输入。

transaction output

这笔交易非常简单，因为只有一个输出（除了找零）。其实交易很可能会有多个输出。

有了公钥加密以后，比特币交易才成为可能。为了对它有一个基本的理解，请看下图：

transaction flowchart

比特币用户首先选择私钥，公钥由私钥衍生而来。将公钥进行哈希得到一个公开的地址公布出去。如果 Alice 要给 Bob 发送 BTC，Alice 直接给 Bob 公开的地址发送即可。

那么，问题来了。这个地址是公开的！任何人都可以知道这个地址属于谁，继而知道他整个的交易历史，同时知道他有多少比特币。尽管比特币作为一个去中心化的加密货币非常成功，但是却不是一个好的隐私货币系统。

下图是门罗团队给出的“电子现金三角（Electronic cash triangle）”

Electronic cash triangle

正如他们所说，一个理想的电子现金应该满足三个前提：

电子的
去中心化的
隐私的

于门罗，他们会尝试满足这三个标准。门罗背后的哲学就是完全隐私和不透明性。

发送方隐私由环签名（Ring Signature）实现。

Ring Signatures(环签名)保证了发送方隐私
Condidential Address(隐匿地址)保证了接收方隐私
Ring CT(Ring Confidential Transaction, 环隐匿交易)保证了交易隐私

门罗密码学 #1: Ring Signatures

为了理解环签名是什么，它是如何保护了发送者隐私。让我们从现实生活中的一个案例谈起，当你要给某个人发送支票时，是不要需要签名？但是，也正因如此，看到这个支票的任何人（和知道你的签名是什么样的人）就会知道你就是那个发送人。

现在，想一下。

假设，你从街上随机选择 4 个人。把你的签名和这四个人进行混合得到一个独一无二的签名。这样就没有人能够发现这是否真的是你的签名。

这就是环签名本质上的工作方式。让我们来看一下门罗里面这个机制到底是怎样的。

译者注：环签名和混币（coinjoin）差不多，区别在于混币需要信任第三方。更多内容可见：What are the technical advantages of Ring Signatures (CryptoNote) compared to CoinJoin?

假设，Alice 发送 1000 XMR(XMR 即门罗币) 给 Bob，系统会如何使用环签名来隐藏她的身份？

首先，Alice 会确认她的“ring size（环大小）”。ring size 是取自区块链的随机输出，它等于 Alice 的输出值，即 1000 XMR。ring size 越大，交易越大，继而交易费越高。然后，她用 private spend key 对输出进行签名，并发给到区块链。另一点要注意的是，Alice 不需要向之前交易的所有者发送请求来使用这些输出。

那么，假设 Alice 选择的 ring size 为 5 ，也就是说 4 个 decoy output（诱骗输出）和它自己的交易，从外面看起来就像这样：

5 decoy ouput and alice's own transaction

在一个环签名交易中，任意一个 decoy 就像真实输出一样，因为任何不相关的第三方（包括矿工）都无法知道发送方是谁。

那么，问题来了。

矿工要做的一个重要的事情就是防止“双花”。双花就是指在同一时间，同一笔钱出现在两笔，甚至更多的交易中。双花被矿工所解决。在一个区块链中，只有当矿工将交易包含在区块并出块，交易才算完成。

那么，假设 A 打算给 B 发送一个比特币，然后它发送同样一个币给 C，矿工会把其中一笔交易放到块里，并在处理过程中覆盖另一笔交易，防止双花。但是，这只有在矿工能够看到交易输入是什么，发送方是谁的时候才行得通。但是在门罗中，由于环签名这些都是不可见的。那么要如何防止双花呢？

答案就在更为精巧的密码学中。

门罗的每一笔交易都已它自己的唯一的密钥镜像（key image）（我们将会在后面看到密钥镜像背后的数学）。鉴于密钥镜像对于每个交易都是不同的，矿工就可以非常容易地检测，判断是否双花。

这就是门罗通过环签名实现发送方隐私的方式。接下来，我们会看到门罗如何通过 stealth address（隐匿地址）保护接收方身份。

门罗密码学 #2: stealth address

门罗的最大一个卖点就是交易的不可关联性（unlinkability）。基本上，如果有人发送给你 200 XMR，应该没有人知道这笔钱是发送给你的。如果 Alice 要给 Bob 发送门罗币，除了 Alice，应该没人任何人知道 Bob 就是这笔钱的接收者。

那么，门罗要如何保证 Bob 的隐私？

记住，Bob 有两个 public key：public view key 和 public send key。为了推进交易，Alice 的钱包会用 Bob 的 public view key 和 public send key 来生成一次性独一无二的 public key。

下面是一次性 public key （P）的计算方式：

$$
P = H(rA)G + B
$$

其中：

r = Random scalar chosen by Alice. Alice 选取的一个随机的标量
A = Bob’s public view key. Bob 的 public view key
G = Cryptographic constant. 密码学常数
B = Bob’s public spend key. Bob 的 public spend key
H() = The Keccak hashing algorithm used by Monero. 门罗所使用的 Keccak 哈希算法

由这种方法生成一次性公钥，然后再生成在区块链里一次性的公开地址，这样的地址就叫做“stealth address”，Alice 就通过它给 Bob 发送门罗币。现在，Bob 要如何从数据的随机分布中解锁收到的门罗币呢?

还记不记得 Bob 也有一个 private spend key？

这是该它登场了。private spend key 就是用来帮助 Bob 扫描区块链找到他的相关交易。当 Bob 找到这笔交易，他可以通过一个 private key 取回他的门罗币，这个 private key 与一次性的 public key 相关。因此 Alice 付给 Bob 门罗币，无人知晓。

在继续之前，让我们来回过头看一下 key image. 如何计算 key image(I)？

我们已经知道了如何计算 one-time public key(P)，我们也有了发送方的 private spend key，比如叫做 “x”

$$
I = xH(P).
$$

从 key image "I" 计算出一次性的 public address P 十分困难(这是密码学哈希函数的一个属性，正着算很容易，反推很难)，因此 Alice 的身份永远也不会暴露。

当 P 被哈希的时候，永远都会返回同一个值，意味着 H(P) 也总是同一个值。既然 x 的值对于 Alice 来说是个常数，她也就是永远也无法生成多个 I 值。这使得 key image 对于每一笔交易都是不同的。

门罗密码学 #3: Ring Confidential Transactions

所以，我们已经看到消费门罗的人是如何保持匿名性，我们也看到了接收者也保持了匿名。那么交易本身呢？是否有某种方式能够隐藏交易额本身？

在 Ring CT 实现之前，过去的交易大概是这样：

如果 Alice 要发送给 Bob 12.5 XMR，输出将会被分为 3 笔交易，10，2，0.5. 这些交易的每一笔都会有自己的环签名，然后被加入到区块链：

monero

尽管这确实保证了发送方的隐私，但是也将交易暴露给了所有人。

为了解决这个问题，基于 Gergory Maxwell 的研究实现了 Ring CT。Ring CT 其实很简单，它在链上隐藏了交易的数额。这也意味着所有的交易输入都不需要再被拆分为已知的面额，钱包现在可以从任意的 Ring CT 输出中选择 ring 成员。

译者注：Ring CT 论文：RING CONFIDENTIAL TRANSACTIONS。环形加密技术的基础仍旧是与比特币一样的基于Hash值的公钥+私钥加解机制。只是比特币是用接受者的公钥加密，接受者用与之配对的私钥解密验证。而环形加密则使用了多个公钥进行加密，并用接受者的私钥进行解密验证。见这个答案。

思考一下这是如何有助于交易隐私的？

既然有这么多的选择挑选 ring ，并且价值未知，也就不可能再看出这到底是哪一笔交易。

这 3 个因素可以一起来创建一个提供完全隐私的系统。但是对于门罗开发者来说，这还不够。他们需要另外一层安全保障。