Bitcoin core公布Miniscript项目 以结构化方式编写比特币脚本子集

　　【摘要】 Bitcoin core公布Miniscript项目 以结构化方式编写比特币脚本子集

比特币脚本的功能虽然有限，但它的重要性不言而喻，而其在今日迎来了重要升级，Bitcoin core协议维护者Pieter Wuille正式公布了Miniscript技术项目。

Pieter Wuille介绍道：

“简而言之，它是一种以结构化、可组合的方式编写(某些)比特币脚本的方法，其允许各种静态分析、通用签名和策略编写。

想象一下，一家公司想用2-of-3多重签名策略来保护他们的冷存储资金。问题是，其中一位高管有一个自己的2FA双因子验证/多重签名/timelock设置。为什么整个设置不能成为多重签名“参与者”之一?

当前很多工作都集中在对区块链本身功能的扩展上，以支持更复杂的应用，但我觉得我们忘记了，以可访问、可组合、可分析的方式使用这些功能，在今天基本上是不可能的。

我希望Miniscript和PSBT这样的东西，可以减少软件之间的一些障碍。理想情况下，执行人员的2FA设置可以完美地与冷存储设置交互，计算必要的组合脚本，并且仍然能够签名。

该项目包括一个策略编译器，你可以知道在什么条件下输出应该是可使用的，及其相对概率是什么，它将为其找到最经济的Miniscript兼容脚本(仅限于一些转换)。

为了这个项目，我们已讨论了很长一段时间(包括今年早些时候在斯坦福区块链活动上)。直至我们对比特币共识及标准化规则进行了大量测试，我才对发布内容感到满意，而当下便是公布之时。

而从开始至今，我们重写整个设计近3次，Andrew Poelstra和sanket1729在持续讨论额外的可能性、问题及分析技术。

正如大家所知的，我对命名这件事并不擅长，所以我需要指出，这个项目与Minisketch(https://github.com/sipa/minisketch)完全无关，Minisketch库是Greg Maxwell、tomatodread和我一起编写的，其目的是支持高效的基于集调节的交易中继(Erlay)。

它也和我们在Taproot上的研究工作无关。当然，对Miniscript的研究确实教会了我们一些关于脚本的知识，这些知识可以为将来对脚本的改进提供设计依据，并且Miniscript可以根据需要进行扩展。

如果需要的话，我会在Bitcoin Core中加入这部分内容(我相信这可能非常有用)，但理想情况下，它会被包含在很多钱包技术中。Andrew Poelstra和sanket1729一直在为它开发一个Rust库：

https://github.com/apoelstra/rust-miniscript/

以下内容，是Miniscript项目技术文档的译文(部分)：

Miniscript介绍

Miniscript是一种以结构化方式编写比特币脚本子集，并支持分析、合成、通用签名等功能的语言。

比特币脚本是一种独特的基于栈的语言，其具有很多边界用例，旨在实现由签名、哈希锁(hash lock)和时间锁(time lock)的各种组合组成的支出条件。尽管比特币脚本的功能有限，但其仍然是非常重要的：

考虑一个支出条件的组合，找到最经济的脚本来实现它;

给定两个脚本，构建一个实现其支出条件组合的脚本(例如，一个多重签名，其中的一个“key”是另一个多重签名);

给定一个脚本，找出其允许的支出条件;

给定一个脚本并访问足够的私钥集，为它构造一个通用的令人满意的witness(验证内容);

给定一个脚本，能够预测花费一个输出的成本;

给定一个脚本，了解特定的资源限制(如操作限制)在花费时是否会受到影响;

Miniscript作为脚本的代表，使得这些操作成为可能，其有一个允许合成的结构。它非常易于静态分析各种属性(支出条件、正确性、安全性、延展性等)。它可成为支出策略编制者的目标(见下文)。最后，兼容脚本可以很容易地转换为Miniscript格式，从而避免了对支持它的签名设备等附加元数据的需要。

目前，Miniscript实际上只为P2WSH和P2SH-P2WSH嵌入式脚本设计。它的大多数构造在p2sh中也可以正常工作，但一些(可选)安全属性依赖于隔离见证(Segwit)特定规则。此外，已实现的策略编译器假定了一个隔离见证(Segwit)特定成本模型。

Miniscript由Blockstream Research的Pieter Wuille、Andrew Poelstra和Sanket Kanjalkar共同设计和实现，但也有其他人参与讨论。

链接：

1、C++编译器：https://github.com/sipa/miniscript

2、Bitcoin Core兼容C++实现：https://github.com/sipa/miniscript/tree/master/bitcoin/script

3、Rust-miniscript实现：https://github.com/apoelstra/rust-miniscript

4、在斯坦福区块链活动上谈论的Miniscript内容：http://diyhpl.us/wiki/transcripts/stanford-blockchain-conference/2019/miniscript/ (中文版)

MiniScript编译器策略

在这里，你可以看到Miniscript编译器的演示。根据下面的说明编写支出策略，并观察它如何影响构造的Miniscript。

策略

and(pk(A),or(pk(B),or([email protected](C),older(1000))))

支持策略：

pk(NAME): 需要名为NAME的公钥进行签名，名称可以是最多16个字符的任何字符串;

after(NUM), older(NUM): 要求nlocktime/nsequence值至少为NUM，NUM不能为0;

sha256(HEX), hash256(HEX): 要求显示64个字符HEX的预映射(preimage)，特殊值H可用作HEX;

ripemd160(HEX), hash160(HEX): 要求显示40个字符HEX的预映射(preimage)，特殊值H可用作HEX;

and(POL,POL): 要求满足这两个子策略;

or([[email protected]]POL,[[email protected]]POL): 要求满足其中一个子策略。数字N表示每个子表达式的相对概率(因此[email protected]，要比默认值高9倍);

thresh(NUM,POL,POL,...): 要求满足以下子策略中的NUM(假设所有组合的可能性都相同);

编译

Miniscript输出：

and_v(or_c(c:pk(B),or_c(c:pk(C),v:older(1000))),c:pk(A))

支出成本分析

脚本(Script): 114 WU

输入(Input)Input:142.900000 WU

总计：256.900000 WU

生成的脚本结构

OP_CHECKSIGOP_NOTIFOP_CHECKSIGOP_NOTIFOP_CHECKSEQUENCEVERIFYOP_VERIFYOP_ENDIFOP_ENDIFOP_CHECKSIG

分析Miniscript

在这里，你可以分析Miniscript表达式的结构等等。

Miniscript

and_v(or_c(c:pk(B),or_c(c:pk(C),v:older(1000))),c:pk(A))

提供类型为“B”的良好miniscript表达式。

分析：

大小：114字节脚本

生成的脚本结构

OP_CHECKSIGOP_NOTIFOP_CHECKSIGOP_NOTIFOP_CHECKSIGOP_NOTIFOP_CHECKSEQUENCEVERIFYOP_VERIFYOP_ENDIFOP_ENDIFOP_CHECKSIG

Miniscript reference翻译表

此表显示了所有Miniscript片段及其相关语义和比特币脚本。不改变其子表达式语义的片段称为wrapper(包装类)。普通片段使用“fragment(arguments，…)”表示法，而wrapper(包装类)使用前缀编写，前缀由冒号与其他片段分开。冒号将在后续wrapper(包装类)之间删除;例如vc:pk(key)是应用于给定密钥的pk片段的c:包装类的v:包装类;

含义Miniscript片段比特币脚本false00true11check(key)pk(key)<key>pk_h(key)DUP HASH160 <HASH160(key)> EQUALVERFIFYnSequence ≥ n (and compatible)older(n)<n> CHECKSEQUENCEVERIFYnLockTime ≥ n (and compatilbe)after(n)<n> CHECKLOCKTIMEVERIFYlen(x) = 32 and SHA256(x) = hsha256(h)SIZE <32> EQUALVERIFY SHA256 <h> EQUALlen(x) = 32 and HASH256(x) = hhash256(h)SIZE <32> EQUALVERIFY HASH256 <h> EQUALlen(x) = 32 and RIPEMD160(x) = hripemd160(h)SIZE <32> EQUALVERIFY RIPEMD160 <h> EQUALlen(x) = 32 and HASH160(x) = hhash160(h)SIZE <32> EQUALVERIFY HASH160 <h> EQUAL(XandY) orZandor(X,Y,Z)[X]NOTIF[Z]ELSE[Y]ENDIFXandYand_v(X,Y)[X][Y]and_b(X,Y)[X][Y]BOOLANDand_n(X,Y)=andor(X,Y,0)[X]NOTIF 0 ELSE[Y]ENDIFXorZor_b(X,Z)[X][Z]BOOLORor_c(X,Z)[X]NOTIF[Z]ENDIFor_d(X,Z)[X]IFDUP NOTIF[Z]ENDIFor_i(X,Z)IF[X]ELSE[Z]ENDIFX1+ ... +Xn= kthresh(k,X1,...,Xn)[X1][X2]ADD ...[Xn]ADD ... <k> EQUALcheck(key1) + ... + check(keyn) = kthresh_m(k,key1,...,keyn)<k> <key1> ... <keyn> <n> CHECKMULTISIGX(identities)a:XTOALTSTACK[X]FROMALTSTACKs:XSWAP[X]c:X[X]CHECKSIGt:X=and_v(X,1)[X]1d:XDUP IF[X]ENDIFv:X[X]VERIFY(or

VERIFYversion of last opcode in

[X])

j:XSIZE 0NOTEQUAL IF[X]ENDIFn:X[X]0NOTEQUALl:X=or_i(0,X)IF 0 ELSE[X]ENDIFu:X=or_i(X,0)IF[X]ELSE 0 ENDIF

and_n片段和t:、l:以及u:包装类(wrapper)对于其他Miniscript而言是语法糖，如上表所示。在下面的内容中，它们将不再被包括在内，因为它们的属性可通过查看它们的扩展来派生。

正确性属性

并非每个Miniscript表达式都可以彼此组合。有些通过在栈中放入“true”或“false”值来返回结果，另一些只能中止或继续。有些需要使用完全已知数量的参数的子表达式，而另一些则需要具有非零顶部栈元素的子表达式来满足。为了对所有这些属性进行建模，我们为Miniscript定义了一个正确性类型系统。

每个ministcript表达式都有四种基本类型之一：

"B" 基本表达式：这些表达式从栈顶获取输入。当满足时，它们将最多4字节的非零值推送到栈上。当不满足时，它们将一个精确的0推送到栈上(如果不满足而不中止是完全可能的)。此类型用于大多数表达式，并且是顶级表达式所必需的。示例是 older(n) = CHECKSEQUENCEVERIFY;

"V" 验证表达式：像"B"表达式一样，它们从栈顶获取输入。然而一旦满足，它们就可继续工作而无需推送任何东西。它们在不中止的情况下，是无法不满足的。一个"V"表达式可使用"B" 表达式上的v: wrapper获得，或者通过使用and_v,or_i,or_c,或andor组合其他"V" 表达式获得。例子有vc:pk(key) = CHECKSIGVERIFY;

"K" Key表达式：它们也同样从栈顶获取输入，但不会直接验证条件，而是将公钥推送到栈上，对于该栈，仍需要签名来满足表达式。可使用c:wrapper(CHECKSIG)将 "K"表达式转换为"B"表达式。例如pk_h(key) = DUP HASH160 EQUALVERIFY;

"W"包装表达式：它们从栈顶获取输入，并将非零(满足时)或零(不满足时)推送到栈顶部或one below。例如，一个3输入"W"表达式会把栈"A B C D E F"转换成"A B F 0" 或"A B 0 F"(如果不满足)，而如果满足，则转换成 "A B F n"或"A B n F"(n为非零值)。每个"W"表达式要么是s:B (SWAP B)要么是a:B (TOALTSTACK B FROMALTSTACK)。例子有sc:pk(key) = SWAP CHECKSIG;

然后有5个类型修饰符(modifier)，它们负责保证附加属性：

“z”zero arg：此表达式始终只消耗0个栈元素;

"o" One-arg: 此表达式始终只消耗一个栈元素;

"n"非零：此表达式始终使用至少一个栈元素，此表达式的dissatisfaction，要求顶部输入栈元素为零;

"d" 不满足：此表达式的不满足可无条件构造。这意味着dissatisfaction不能包括任何签名或哈希预映射preimage，也不能依赖于满足的时间锁;

"u"单位：当满足时，此表达式将在栈上精确放置一个1(而不是任何非零值);

下表列出了每个Miniscript表达式的正确性要求及其子表达式中的类型属性：

资源限制

不同类型的比特币脚本有不同的资源限制，无论是通过共识还是标准。其中一些会影响其他有效的Miniscripts:

超过10000字节的脚本因共识而无效(bare, P2SH, P2WSH, P2SH-P2WSH);

超过520字节的脚本因共识无效(P2SH);

脚本满足操作，其中非push操作码总数加上参与所有已执行thresh_ms的key数大于201，因共识而无效(bare, P2SH, P2WSH, P2SH-P2WSH);

除c:pk(key)(P2PK)、c:pk_h(key)(P2PKH)和thresh_m(k,...)之外n=3的任何内容在标准性无效(bare);

超过3600字节的脚本因标准无效(P2WSH, P2SH-P2WSH);

序列化脚本签名(scriptSig)超过1650字节的脚本，因标准无效(P2SH);

由100多个栈元素组成的witness脚本，因标准无效(P2WSH, P2SH-P2WSH);

MiniScript的存在，使验证满足脚本不受这些限制影响的能力变得容易。请注意，这与验证是否永远无法达到限制不同(这也是可能的)。例如，考虑or_b(X,Y)，其中x和y都需要执行大量的thresh_ms来satisfaction。在这种情况下，满足x或y中的一个不会超过操作限制，而满足两者则都会超过。因为这两者都不需要满足，所以限制并不能阻止satisfaction。

安全属性

上面的类型系统保证对应的比特币脚本是：

共识和标准性完成：假设不违反上一节中列出的资源限制，对于语义允许的每一组满足条件，可构建一个通过比特币共识规则和通用标准性规则的witness;

共识健全：除非满足支出条件，否则无法构建对脚本有效的共识witness。由于标准性规则只允许共识有效满足的一个子集，因此此属性还意味着标准的健全性。

通过对比Bitcoin Core的共识和标准性实现，及验证大量随机Miniscript表达式的随机满足性，P2WSH的完整性属性得到了广泛测试。通过考虑每个片段脚本中所有可能的执行路径，可推断出健全性。

为了使这些属性不仅适用于脚本，而且适用于整个交易，witness必须提交与验证相关的所有数据。实际上，这意味着不需要任何数字签名就可满足其条件的脚本是不安全的。例如，如果一个输出可通过简单地传递某个nLockTime(Miniscript中的after(n)片段)来使用，但没有任何数字签名，攻击者就可以修改支出交易中的nLockTime字段。