7月10日，Qtum量子鏈基金會(huì)宣布實(shí)現(xiàn)QTUM-BEAM原子交換（Atomic Swap），原子交換（Atomic Swap）允許兩個(gè)獨(dú)立區(qū)塊鏈上的加密貨幣進(jìn)行原子性的跨鏈交易，QTUM和BEAM的原子交換成功象征著Qtum在隱私和跨鏈領(lǐng)域更進(jìn)了一步。

01. 前言

2019年1月，Qtum量子鏈基于Decred的支付腳本已實(shí)現(xiàn)QTUM-BTC原子交換，（回顧：Qtum 量子鏈實(shí)現(xiàn)QTUM-BTC原子交換），但由于區(qū)塊鏈本身匿名性不足，更高程度的隱私保護(hù)仍然是一個(gè)急需解決的問題。

MimbleWimble隱私協(xié)議的出現(xiàn)給隱私領(lǐng)域指明了新的方向，Beam作為MimbleWimble的代表，在保護(hù)隱私的同時(shí)簡化交易，具有良好的可擴(kuò)展性。2019年6月，QTUM-BEAM原子交換代碼被合入了Beam的主分支。目前，已經(jīng)在Beam masternet和Qtum testnet成功進(jìn)行了原子交換的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了完整的跨鏈價(jià)值流通。

02. 背景

原子交換

原子交換（Atomic Swap）允許兩個(gè)獨(dú)立區(qū)塊鏈上的加密貨幣進(jìn)行原子性的跨鏈交易，這種交易無需依賴第三方的信任背書。原子性的意思是，要么交易成功，要么交易失敗，不會(huì)存在第三種狀態(tài)。

原子交換是一種技術(shù)，該技術(shù)允許您在沒有第三方的情況下交易完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易。它們還會(huì)安排您與未知用戶交易，而且無需信任。別人必須首先發(fā)送他們的資金，因?yàn)樗麄兛赡軟Q定不履行他們的交易。原子交換使各方能夠根據(jù)他們預(yù)先商定的條件，在無需信任的條件下，進(jìn)行不同貨幣交換，而不必?fù)?dān)心會(huì)損失資金。

如果Alice和Bob想交換某種數(shù)量的兩種加密貨幣A和B，在沒有使用中心化交易所的情況，兩人需要就兩種加密貨幣的匯率進(jìn)行達(dá)成一致，然后通過原子交換，Alice將A發(fā)送給Bob，而Bob將B發(fā)送給Alice。

但是，區(qū)塊鏈中的交易是不可逆轉(zhuǎn)的，在沒有中心背書的情況進(jìn)行不同貨幣的交易就一定牽涉到操作先后的問題，如果Alice首先發(fā)送了他的A貨幣，那么Alice則處于不利的狀態(tài)，因?yàn)樗荒艽_定Bob是否會(huì)按照約定將一定量的B發(fā)送給她。

為了使分散的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易能夠順利完成，就需要一種機(jī)制來保證雙方不會(huì)發(fā)生欺騙，哈希時(shí)間鎖（HTLC）是現(xiàn)在比較常用的解決辦法。

HTLC

實(shí)現(xiàn)原子交換的主要解決方法是哈希時(shí)間鎖（Hashed Timelock Contracts，HTLC）。其核心思想是將一筆交易鎖住，只有當(dāng)滿足特定的條件下才能使用這筆交易。

假設(shè)Alice和Bob正在進(jìn)行數(shù)字代幣A和B的交換。Alice首先創(chuàng)建一個(gè)加密的數(shù)字密碼箱，她將鎖的規(guī)格告知Bob。并把數(shù)字代幣A放入密碼箱中，打開密碼箱需要鑰匙和Bob的簽名。Bob將用相同規(guī)格的鎖來創(chuàng)建一個(gè)類似的密碼箱，解鎖Bob的密碼箱需要相同的鑰匙和Alice的簽名。

由于打開密碼箱需要另一個(gè)人的簽名，只有Alice可以打開Bob的密碼箱，只有Bob可以打開Alice的密碼箱子。當(dāng)Alice打開Bob的密碼箱時(shí)，鑰匙會(huì)顯示在區(qū)塊鏈上。Bob可以使用Alice公布的鑰匙打開Alice創(chuàng)建的密碼箱以獲得A幣。如果出現(xiàn)問題或者一方在交易期間退出，即在約定的時(shí)間內(nèi)密碼箱沒有被打開，根據(jù)HTLC的設(shè)計(jì)，數(shù)字貨幣會(huì)分別退回給Alice和Bob。

以上就是HTLC的設(shè)計(jì)理念，但算法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)會(huì)更復(fù)雜，考慮的實(shí)際問題也會(huì)更多。

Beam

Beam是基于MimbleWimble協(xié)議開發(fā)的加密貨幣，具有強(qiáng)隱私性、替代性和擴(kuò)展性。MimbleWimble通過將用戶的身份和交易的金額等數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏，從而保證了交易的隱秘性。

MimbleWimble需要交易的雙方在發(fā)起交易之前進(jìn)行交互以協(xié)商一些參數(shù)。因此，一筆交易的生成需要交易雙方在線進(jìn)行聯(lián)合簽名。值得一提的是，Beam提供了Secure Bulletin Board System（SBBS）的機(jī)制，以提供一個(gè)雙方同時(shí)在線的緩沖時(shí)間。

03. 功能實(shí)現(xiàn)

假如有兩個(gè)用戶Alice和Bob，Alice擁有BEAM，Bob擁有QTUM。Alice想用200個(gè)BEAM兌換Bob的80個(gè)QTUM。

交易流程

1.1 Bob生成Qtum Lock Transaction

Alice首先將自己的公鑰傳給Bob，Bob本地生成一個(gè)原像（Hash Preimage），計(jì)算其像（Hash Image），并利用Alice的公鑰和像（Hash Image）生成一個(gè)有加鎖腳本的交易，這個(gè)交易鎖住了80個(gè)Bob的QTUM UTXO，只有當(dāng)滿足以下任一條件時(shí)，才能使用這筆UTXO。

· 原子交換約定的時(shí)間已過（通過當(dāng)前塊的高度來判斷經(jīng)過的時(shí)間），Bob通過使用自己的私鑰來宣稱對(duì)這筆UTXO的所有權(quán)。這個(gè)條件主要用于在原子交換因?yàn)槟撤N原因失敗之后，Bob有能力將這筆UTXO收回。

· 揭露原像（Hash Preimage），并使用Alice的私鑰進(jìn)行認(rèn)證。這個(gè)條件主要用于正常情況下，Alice通過揭露隱私的原像（Hash Preimage），接受Bob發(fā)送給自己的QTUM。

Bob將生成的Qtum Lock Transaction發(fā)送給Alice，這樣Alice就有能力在Qtum網(wǎng)絡(luò)上驗(yàn)證這筆交易。

1.2 Alice和Bob協(xié)作生成Beam Lock Transaction和Beam Refund Transaction

由于Beam使用了MimbleWimble協(xié)議，其實(shí)現(xiàn)中摒棄了腳本，且隱藏了貨幣的金額等屬性，故一筆加鎖交易需要兩個(gè)參與者協(xié)作產(chǎn)生。由于本文的重點(diǎn)是原子交換，故對(duì)MimbleWimble交易的生成過程不作過多介紹，詳情可以參考Qtum量子鏈研究院：新型的隱私保護(hù)協(xié)議MimbleWimble。

Alice和Bob進(jìn)行交互，包括blinding factor的協(xié)商、Bulletproof的簽名等。從而生成一筆Beam網(wǎng)絡(luò)上的加鎖交易Beam Lock Transaction，這筆交易鎖住了Alice即將轉(zhuǎn)給Bob的一筆BEAM UTXO。由于交易中不存在腳本以判斷分支，所以Alice還需要生成一筆Beam Refund Transaction，這筆交易將鎖住的Beam UTXO轉(zhuǎn)回給Alice。這是為了防止原子交換失敗之后Alice能夠拿回自己的BEAM。

1.3 Bob和Alice互相確定兩筆UTXO已被鎖定

當(dāng)QTUM和BEAM的兩個(gè)獨(dú)自加鎖交易完成之后，Alice和Bob需要分別查看兩筆交易是否被正確地鎖定。Alice還需要確定Qtum加鎖交易的鎖定時(shí)間是否比Beam的長，以防止Bob在得到BEAM時(shí)通過超時(shí)條件將QTUM收回。

1.4 Alice和Bob協(xié)作發(fā)起B(yǎng)eam Redeem Transaction

當(dāng)雙方確定了加鎖交易的正確部署之后，即進(jìn)入到了原子交換的交換貨幣環(huán)節(jié)。首先Alice和Bob進(jìn)行基于MimbleWimble的交互協(xié)商，以生成一筆Beam Redeem Transaction，這筆交易將鎖定的BEAM UTXO轉(zhuǎn)到Bob的所屬下。在交易的過程中，Bob會(huì)揭露由他自己生成的原像（Hash Preimage），Alice由此了解到原像（Hash Preimage）。

1.5 Alice發(fā)起Qtum Redeem Transaction

Alice在Beam網(wǎng)絡(luò)中獲得了Bob生成的原像（Hash Preimage）之后，在Qtum網(wǎng)絡(luò)上發(fā)起Qtum Redeem Transaction，這筆交易將觸發(fā)Qtum Lock Transaction腳本的第二個(gè)條件，通過揭露原像（Hash Preimage）和Alice的簽名將QTUM轉(zhuǎn)到自己的賬戶下。

1.6 原子交換完成

當(dāng)原子交換的交易在各自網(wǎng)絡(luò)中得到足夠多的確認(rèn)之后，整個(gè)原子交換過程結(jié)束。當(dāng)有任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致原子交換不能進(jìn)行，加鎖交易保證在鎖定時(shí)間后貨幣能夠退回原來的賬戶。

更多詳細(xì)介紹請(qǐng)參考BEAM原子交換：

https://github.com/BeamMW/beam/wiki/Atomic-swap

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

1、首先配置Qtum的testnet環(huán)境，編輯用戶主目錄下的.zshrc，添加環(huán)境變量，q1t-dae和q2t-dae分別是Bob和Alice的Qtum節(jié)點(diǎn)服務(wù)，q1t-cli和q2t-cli分別是Bob和Alice的Qtum客戶端命令。使用客戶端命令可以與區(qū)塊鏈進(jìn)行交互。

2、使用。/beam-wallet-masternet info命令查看兩個(gè)用戶賬戶下的BEAM余額，使用qtum-cli getbalance命令查看用戶的QTUM余額。

可見，Alice擁有約347個(gè)BEAM和0.0022個(gè)QTUM。Bob擁有約295個(gè)BEAM和254個(gè)QTUM。

3、Alice和Bob進(jìn)行原子交換，Bob需要開啟原子交換監(jiān)聽的模式，通過在用戶目錄下運(yùn)行

。/beam-wallet-masternet swap_listen -n eu-node01.masternet.beam.mw:8100 --swap_netword testnet –swap_coin qtum --amount 8000000000 --swap_feerate 5000000 --qtum_node_addr 127.0.0.1:13300 --qtum_user Bob --qtum_pass 123 --log_level info

進(jìn)行原子交換監(jiān)聽。節(jié)點(diǎn)首先會(huì)進(jìn)行區(qū)塊數(shù)據(jù)的同步，當(dāng)同步完成之后，如果有節(jié)點(diǎn)發(fā)起了對(duì)自己地址的swap_init交易，便會(huì)開始原子交換交易。按照上述交易流程的順序進(jìn)行各個(gè)步驟的交易。

4、同時(shí)Alice運(yùn)行

。/beam-wallet-masternet -n eu-node01.masternet.beam.mw:8100 swap_init --swap_netword testnet --swap_coin qtum --amount 200 --swap_feerate 5000000 -r 1d8dfa6993230cfd1d84fc29ded73b04ee35ccbfdb9d112d466237dc30dc79470f9 --swap_amount 8000000000 --swap_beam_side --qtum_node_addr 127.0.0.1:13400 --qtum_user Alice --qtum_pass 123 --log_level info

命令，通過指定BEAM接受方的地址來初始化一筆原子交易。Alice節(jié)點(diǎn)首先也會(huì)開始同步區(qū)塊數(shù)據(jù)，當(dāng)完成之后會(huì)按照上述交易流程的順序開展和Bob的原子交換。

5、雙方等待BEAM和QTUM的兩個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對(duì)各自的交易進(jìn)行多次確認(rèn)后（Qtum默認(rèn)是10次），原子交換過程完成

Bob的客戶端界面顯示如下：

Alice的客戶端界面顯示如下：

6、通過查看Alice的賬戶，可以看到她已經(jīng)接受到了來自Bob的80個(gè)QTUM并發(fā)送了200個(gè)BEAM給Bob，她現(xiàn)在擁有147個(gè)BEAM和80個(gè)QTUM。

7、 通過查看Bob的賬戶，可以看到他已經(jīng)接受到了來自Alice的200個(gè)BEAM并發(fā)送了80個(gè)QTUM給Alice，他現(xiàn)在擁有495個(gè)BEAM和174個(gè)QTUM。

8、 在Qtum的測試網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上，可以看到關(guān)于QTUM原子交換的交易記錄通過命令q2t-cli listunspent查詢Alice擁有的UTXO的詳細(xì)信息，得到一筆金額（amount）為80的UTXO的交易id是：

d11e3474ca070a7d673a7784775479277abb2f820b8575a66f9b2a3b89722702

在Qtum區(qū)塊鏈瀏覽器（https://testnet.qtum.info/tx/d11e3474ca070a7d673a7784775479277abb2f820b8575a66f9b2a3b89722702）進(jìn)行查詢，可以看到這筆通過原子交換生成的交易確實(shí)已經(jīng)寫入?yún)^(qū)塊鏈中。

04. 總結(jié)

原子交換使用HTLC巧妙地避免了可能存在的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信用欺詐問題，實(shí)現(xiàn)了在沒有第三方背書的情況下不同加密幣種間的交易。在支付、交易等場景中跨鏈技術(shù)支持大額交易在鏈上完成，不再被中心化管理風(fēng)險(xiǎn)與大額手續(xù)費(fèi)用束縛。

2018年Qtum量子鏈聯(lián)合伯克利大學(xué)研究零知識(shí)證明，今年6月Qtum量子鏈發(fā)起了全球首個(gè)線上隱私黑客馬拉松，Qtum也將會(huì)在隱私技術(shù)和跨鏈領(lǐng)域進(jìn)行深入探索，打通孤島式數(shù)字資產(chǎn)的流通網(wǎng)絡(luò)，將各獨(dú)立經(jīng)濟(jì)體通過Qtum技術(shù)鏈接在一起，讓全球市場價(jià)值交換更加安全、快速、自由，成為區(qū)塊鏈行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。