DeFi新玩法丨一文了解两步原子交换协议LiquiDEX

注：原文作者是blockstream研究员Leonardo Comandini。

长话短说：LiquiDEX 是一个在 Liquid网络上执行两步原子交换（ atomic swaps ）的协议，它只需要交换方的单次交互，这极大地改善了用户体验。而使用该协议，我们可以构建出更复杂系统的构建块，例如自动 OTC 交易柜台、拍卖系统甚至去中心化交易所 (DEX)。

注：LiquiDEX的产品还不可用。

简介：Liquid网络和原子交换技术

Liquid网络是一个具有发行资产和保密交易（CT）的比特币侧链。

Liquid 的原生资产是 L-BTC（Liquid bitcoin），它相当于比特币的一个锚定币。

和以太坊一样，用户也可以在Liquid 网络上发行代表数字资产的token，一个例子就是Tether USD（USDT）。

和比特币一样，Liquid使用了一种UTXO模型，而它们的交易结构也相似。

下面是一笔简化的比特币交易，其中Alice 发送 1 BTC 给 Bob：

0.6 BTC Alice -> 1 BTC Bob
0.5 BTC Alice 0.1 BTC Alice (找零)

下面则是一笔简化的Liquid 交易，Alice 向 Bob 发送 0.5 L-BTC以及1000 USDT：

1.1 L-BTC Alice -> 0.5 L-BTC Bob
5000 USDt Alice 0.6 L-BTC Alice (找零）
1000 USDt Bob
4000 UDSt Alice (找零）

然而，因为使用了保密交易（CT）技术，Liquid网络的输入和输出是不可见的，因此外部观察者无法看到实际金额和资产。

这对交易者来说特别有用，通常而言，交易者并不想透露他们的操作，因为这些信息可能会影响到市场价格。

在上面的例子中，所有的输入都属于Alice，但情况并非一定如此：一些输入可能属于Alice，而另一些输入可能属于 Bob。

假设 Alice 想用L-BTC交换一些USDT，而Bob 想做相反的事情，则Alice 和 Bob 可以合作构建这样的交易：

0.6 L-BTC Alice -> 0.5 L-BTC Bob
1000 USDt Bob 0.1 L-BTC Alice (找零)
600 USDt Alice
400 UDSt Bob (找零)

交易完成后，Alice 发送了0.5 L-BTC 并收到了600 USDT， 而Bob 发送了 600 USDT，并收到了 0.5 L-BTC。

交易要么发生，要么不发生（它不会部分发生），这使得交易是“原子”的，这就是一笔P2P 原子交换交易，Alice 和 Bob 交换了一些资产，他们之间彼此并不信任，也不需要信任一个第三方。

Liquid Swap Tool：3步原子交换

在 Liquid 上支持原子交换的第一个实现是 Liquid Swap Tool ，它使用了一个三步协议。

其中第一步是 Alice 提出一笔swap交易：

liquidswap-cli propose L-BTC 0.5 USDt 600 --output proposal.txt

第二步是Bob 接受这个提议：

liquidswap-cli accept proposal.txt --output accepted.txt

然而这笔交易还没有准备好被广播，我们需要第三步，其中Alice来最终确定这个提议：

liquidswap-cli finalize accepted.txt --send

这 3 个步骤是使swap交易与标准交易无法区分的必要步骤。但是，它也存在着一些缺点。

该协议分析起来会更复杂。由于不同的原因，它可能会在不同的步骤失败，也许是提议格式不正确，交易不再有利可图，那么一方可能会中止协议。

Alice 还需要在线才能完成协议。 如果 Alice 花费太多时间来完成，Bob 可能会进行另一次swap交易并使他接受的提议无效。

这使得用户体验变得繁琐，并且很难将这些swap交易集成到其他服务中。

而一个两步协议将解决大多数的问题，事实上，两步协议的用户体验非常类似于“发送交易”：Alice询问她想要交换什么，然后最终交换发生。

在过去的几个月里，我们构建出了LiquiDEX这个想法。

LiquiDEX: 两步原子交换

LiquiDEX 是一个在 Liquid 网络上执行原子交换的两步协议。

该协议涉及到了两方： Maker 和 Taker ，其中Maker 想要发送一些资产并接收一些其他资产作为交换，它创建 LiquiDEX 提议并发送给 Taker。Taker 接受该提议，并在 Liquid网络上结算swap交易。

提案规范

1. 版本：数字，可选的非负整数，默认为 0，
2. tx：字符串，十六进制编码的签名 Liquid 交易，
3. 输入：对象数组，交易输入的非盲信息；item具有以下属性：Asset：字符串，十六进制编码的资产，聪：以聪为单位的整数数量，assetblinder:字符串，十六进制编码的资产盲注，amountblinder: 字符串，十六进制编码的数量盲注，
4. 输出：对象数组，交易输出的非盲信息；item具有相同的输入对象格式。

Asset、assetblinder 和 amountblinder 与 Elements Core 一致地进行十六进制序列化，这与它们的字节序列化相反。

LiquiDEX 提案格式定义了 Maker 和 Taker 必须达成一致的内容。其他一切都可以由双方任意选择以实现所需的行为。

让我们分析一个他们可能选择做什么的例子。

第 1 步：Maker 制作提议（proposal）

Maker 有一个UTXO U_xA 持有 x 数量的 A 资产，而他想要将其资产交换成 y 数量的 B 资产。

Maker创建了一笔交易，花费单个UTXO U_xA 并接收 y 数量的 B 资产。

Maker屏蔽（blinds）这个输出。在实践中，这有一些重要的挑战，权衡和实现细节将在下一节中讨论。

Maker 使用 SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY 对（唯一）输入进行签名，这允许 Taker 添加更多的输入和输出，而不会使 Maker 签名无效。

其他Maker按照上述规定创建 LiquiDEX 提议，并将提议发送给 Taker。

第 2 步：Taker 接受提议（proposal）

Taker 收到提议，并进行一些验证，其中可能包括：

1. 输入和输出数组的长度为 1；
2. tx 是有效的 Liquid 交易；
3. tx 有 1 个输入和 1 个输出；
4. tx 输入未花费；
5. tx 已签名，并且签名与 SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY 有效；
6. 输出承诺（commitment）匹配输出的非盲信息；
7. 先前的输出承诺匹配输入的非盲信息；

Taker 添加一个输出，该输出接收 x 数量的 A 资产。

Taker为交易提供资金，即他为资产B和费用添加输入，根据需要更改输出，以及显式费用输出。

Taker使用提议中的非盲信息来屏蔽交易。

Taker用 SIGHASH_ALL 对新添加的输入进行签名。

Taker广播交易，一旦这笔交易被纳入一个区块，这笔swap交换交易就被结算了。

优点与缺点

LiquiDEX 有一些权衡，我们在这里总结一下。

优点：

1. 更好的用户体验。
2. 对swap交易参与者的要求较低，Maker 提出提议，然后可以离线，然后Taker接受提议，几分钟后完成结算；
3. 协议更容易分析。
4. 更容易集成到更复杂的系统中。
5. Maker 不会从 Taker 那里了解到破盲信息（unblinding information）。

缺点：

1. Maker 发送单个 UTXO，如果金额不是所需的，则需要进行额外的交易。
2. 更少的匿名性，LiquiDEX交换是可识别的，因为 SIGHASH_SINGLE | SIGHASH_ANYONECANPAY 在交易中可见。

用例

现在，我们来展示一些 LiquiDEX 支持的应用例子。

1、提出相互排斥的提议

假设Maker想要把L-BTC卖掉换成USDT或L-CAD，他可以使用相同的 UTXO提出两个提议，一个发送L-BTC 并接收 USDT，另一个发送L-BTC 并接收 L-CAD。由于 UTXO 只能使用一次，所以他要么是收到USDT，要么是收到L-CAD。

2、接受批量提议

Taker可以使用多个提议构建其交易，例如：

1 L-BTC maker1 -> 1000 USDt maker1
2 L-BTC maker2 2000 USDt maker2
3000 USDt taker 3 L-BTC taker

3、自动化OTC交易柜台

我们还可以实现一项服务，它接受用户的提议并负责匹配它们，这种服务既可以使用其他用户的资金，也可以使用自己的流动性资金。

4、拍卖

Alice 发行了一种新资产，我们称之为 NFT。Alice 可以为此举行拍卖会，她公布了自己想要发送的输出的资产、数量和盲注（blinder），并将接受交换L-BTC（或她想要接收的任何其他资产）的提议。过了一段时间后，她会接受对她来说更有利可图的提议。

如果她想以一定的价格出售该NFT资产，那么她可以提出提议并希望有人接受它。

5、去中心化交易所（DEX）

一组用户可使用点对点的方式在彼此之间中继提议，以维护一个去中心化的订单簿，这将是一个去中心化的交易所（DEX）。

当我们确信这个想法实际上是可行的之后，我们就开始对越来越复杂的原型进行迭代。

原型1：Unblinded

第一次迭代的所有输入和输入都是非盲的。它需要一个 Elements Core 节点以及一个没有额外依赖项的小型 Python 脚本来运行协议。

原型 2：Makers Blinds

然后我们增加了对taker使用盲输入和输出的支持。

这需要一个额外的依赖项 wally ‌来执行一些加密操作。

原型3：Blinded Case（遇到了问题）

剩下的步骤是允许maker 也使用盲输入，我们这样做了，但不幸的是，实际的实现失败了。

使用保密交易（CT），非盲信息在输出字段之一（范围证明——rangeproof）中加密。当收到交易时，这个非盲信息被解密并用于支出。然而，交易签名不涵盖此类字段。因此，Taker 可以替换其价值，而 Maker 将无法blind这笔交易。

解决这个问题的一个方法，是在本地保存每个提议的非盲信息，而不依赖于rangeproof数据。不幸的是，这与 elements-cli 是不兼容的。 因此，我们不得不寻找新的想法来完成我们的实施。

BEWallet

我们需要一个让我们能以最少的开销进行实验的钱包。我们选择从使用 Electrum 服务器的Blockstream GDK Rust ‌ 实现开始。这个想法是去除所有不需要的功能，以获得一个非常简单但有效的 Liquid Electrum 钱包。经过了数个月的努力之后，我们搞出了BEWallet。

然后我们添加了 LiquiDEX 支持，在这样做的同时，我们试图最大限度地减少用户应该备份的数据量。Electrum 钱包（单签名）备份通常包含一个BIP39助记词，但LiquiDEX还需要其他的东西。琐碎的办法是坚持所有提出的提议，但我们可以做得更好。

首先，我们可以确定性地推导出资产blinder以及金额blinder 。此外，交易有一个 Maker 不使用的字段，即 nonce commitment。此字段已签名，因此可用于存储一些有用的数据。我们想为资产存储 32 个字节，为数量存储 8 个字节，但我们只有 32 个字节（和 1 个位）可用。

我们选择使用 AES GCM IV 加密 nonce 字段中的金额，因为我们已经将其作为加密本地数据库的依赖项。

相反，资产将被迫违背资产承诺。当提出提议时，钱包将保留它可能在本地收到的资产。在揭盲时，它会尝试所有先前保留的资产，直到找到匹配项为止。

如果我们在另一台设备上恢复钱包呢？我们可以导出上一个钱包中的资产列表，如果丢失了，我们可能会记住它，因为我们可能只交易最受欢迎的资产，或者我们甚至可找到在 Liquid 上发行过的所有资产并尝试所有这些资产。

不管怎样，这可能会在未来进行一些改进，我们只是想要一些现在有效的东西。BEWallet 在早期仍然是一个附带项目，它可能会存在漏洞，因此要测试的话，请使用少量的资金。

使用BEWallet-cli进行Swap交换

安装BEWallet钱包：

git clone https://github.com/LeoComandini/BEWallet-cli.git
cd BEWallet-cli
cargo install .

Maker 列出其代币以选择要交换的代币：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" get-coins | jq
[
...
{
"txo": {
"outpoint": "[elements]aa7c75c05f5944802eb4eda0c19fddbfcc230f032e5135bceeb56faf7af6e423:0",
"script_pubkey": "a9145118eba7d058857216c7d190186fbb7b296cc05887",
"height": 799437
},
"unblinded": {
"asset": "beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3",
"asset_blinder": "299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc",
"amount_blinder": "c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52",
"amount": 5
}
}
]

然后制作提议：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" liquidex-make --txid aa7c75c05f5944802eb4eda0c19fddbfcc230f032e5135bceeb56faf7af6e423 --vout 0 --asset 8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de --rate 1
{"version":0,"tx":"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","inputs":[{"asset":"beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3","asset_blinder":"299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc","amount_blinder":"c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52","amount":5}],"outputs":[{"asset":"8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de","asset_blinder":"ee390be3dd1e53d1f723e1007234fa3074691a7d5f1cfdbd75e0255284ee40b1","amount_blinder":"70b0d48bc015e4930d4688ca67379e4a637a78c70f573fc009cf1cc1bfe32e3a","amount":5}]}

并将该提议发送给接受它的Taker：

$ bewallet-cli --mainnet --electrum-url blockstream.info:995 --data-root $PWD --mnemonic "$MNEMONIC" liquidex-take --proposal '{"version":0,"tx":"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","inputs":[{"asset":"beebee1a548fbb20280e539b697de076d87859a25c2983ebc55f2d8bec40abc3","asset_blinder":"299999a36875bdb950a232de77f4d81fecf7fc073bb93e28940929e4b130edbc","amount_blinder":"c44f9bdb17a0754231305b36fcd046de567210689cc6de1eb11778a51b921d52","amount":5}],"outputs":[{"asset":"8026fa969633b7b6f504f99dde71335d633b43d18314c501055fcd88b9fcb8de","asset_blinder":"ee390be3dd1e53d1f723e1007234fa3074691a7d5f1cfdbd75e0255284ee40b1","amount_blinder":"70b0d48bc015e4930d4688ca67379e4a637a78c70f573fc009cf1cc1bfe32e3a","amount":5}]}' --broadcast

1980adeb659579e3d5fca673ab00e2f9a4fb933bfcabc0d52946ad3260552882

这导致了 这笔交易 ‌，它可以被maker 部分揭盲，而被taker完全揭盲。

请注意，可以使用 taker-cli.py 和一个Elements 节点执行 Taker 步骤。

可能的改进

BEWallet LiquiDEX 实现现在已经可以工作了，但它远非完美，我们削减了一些内容，在不久的将来，我们还会实施很多可能的优化和界面改进。其中有几个改进是我们很想去实现的，但我们必须要多等待一点时间。

我们想摆脱自定义JSON 格式以使用部分签名Elements交易，但是这还没有准备好。

那么我们宁愿降低 Maker 及其揭盲程序的复杂性，这可以使用 SIGHASH_RANGEPROOF ‌ 来完成，这是一种新的sighash类型，其也涵盖了范围证明（rangeproof），但是，我们需要等待它的部署。

一旦我们同时拥有两者，任何支持 PSET 的钱包都可以以最少的更改实现LiquiDEX。

结论

Liquid网络是具有原生资产的区块链，它允许两方或多方合作构建交易。这种交易可能包括双方之间的资产交换，换言之即一笔P2P原子交换。

这个swap交换协议的初始实现分为3个步骤。然而，它有几个问题，主要是用户体验会变糟。

LiquiDEX 是一种执行两步 P2P 原子交换的协议。这通过要求 Maker 和 Taker 之间的单次交互来改进用户体验，并做出合理的妥协。

LiquiDEX 更容易集成到其他系统中，并且可以成为实施 OTC 交易柜台、拍卖系统、DEX等的构建块。

而BEWallet则是一个支持LiquiDEX的可用Liquid Electrum 钱包。

致谢

我要感谢 Riccardo Casatta，是他提出了最初的想法，Luca 和 Valerio Vaccaro 帮助我进行了测试，特别是 Valerio 建立了liquidex.it，这是一个上传提案的网站，此外他还提出了拍卖系统的想法。