Schnorr签名是什么？它如何优化比特币交易？

Schnorr 签名是一种数字签名方案，它使用椭圆曲线密码学，通过私钥和公钥对消息（如交易）进行签名和验证。与比特币早期使用的 ECDSA 签名相比，Schnorr 在签名体积、验证效率和多重签名聚合方面提供了优化空间。这种签名方式被纳入比特币的 Taproot 升级，对交易效率、隐私性和扩展性产生影响。它让交易在保持安全的前提下占用更少区块空间，同时支持更复杂的支付场景。

Schnorr 签名基础：数学机制与序列化优势

椭圆曲线与线性签名结构

Schnorr 签名使用椭圆曲线（在比特币中为 secp256k1）的私钥和公钥对进行签名。签名由曲线点 R=kG 和标量 s 组成，验证时通过 sG = R + H(R, 公钥, 消息) * 公钥进行检查。相较于 ECDSA，Schnorr 的线性特性使得聚合和验证更简单。

签名体积更小

传统 ECDSA 签名通常为 71–72 字节，Schnorr 签名可序列化为 64 字节（或 65 字节包含 sighash 标志）。体积减少意味着每个区块可以容纳更多交易，从而提高网络交易处理效率，也降低了高峰期的交易拥堵。

多重签名与聚合签名：交易简化与隐私提升

聚合公钥与单一签名

在传统 ECDSA 多重签名中，每个参与者生成独立签名，占用链上空间且易被识别为多签交易。Schnorr 允许将多个公钥聚合为一个聚合公钥，生成单一签名，无论多少参与者，链上数据仍为单一签名。这减少了存储和验证开销，同时增加交易隐蔽性。

跨输入聚合

未来可能实现的跨输入聚合让一笔交易包含的多个输入可以聚合为一个签名。这样，即使交易涉及多个私钥，链上仍显示为单一签名交易，简化交易结构并减少交易体积，对批量转账和复杂支付场景有积极意义。

对比特币协议的适应：为何选择 Schnorr

Taproot 升级引入

Schnorr 签名专利在 2008 年到期后，社区提出将其纳入比特币协议。最终作为 BIP-340 标准被采纳并通过 Taproot 升级激活。Taproot 保持对旧交易的兼容，同时引入新签名方案带来的优化。

配合智能合约扩展

Schnorr 签名与 Taproot 的 key-path / script-path 支出协同工作，使高级智能合约在链上表现得像普通支付。结合聚合签名，复杂合约支出难以被识别，这提升了比特币在多签钱包、通道网络和隐私交易等应用场景的支持能力。

性能优化与网络容量缓解

签名体积节省提升区块利用率

Schnorr 签名比 ECDSA 更紧凑，区块中可以容纳更多交易，提高每区块的交易吞吐。对网络而言，这意味着交易处理能力更高，排队等待和交易费用可能下降。

批量验证降低节点负担

线性特性使多个签名可批量验证，节点可以将多签验证合并为一次运算，减少计算资源消耗。这提升了节点处理高频或大规模交易的效率，也有助于保持网络去中心化。

隐私与安全性改善

不可延展签名提升交易安全

Schnorr 签名不可延展，第三方无法修改签名而不破坏其有效性，这减少了中间人攻击或签名篡改的可能性，增强交易安全性。

隐藏多签参与者与支持隐私交易

聚合签名让多签交易在链上看似单签交易，支持多方支付、CoinJoin 等隐私方案。未来跨输入聚合可使多输入多签交易显示为单签，提高隐私保护，对用户进行链上支付和资金管理提供更多选择。

面临的挑战与现实限制

协调与操作复杂性

聚合签名和跨输入聚合需要签名者间链下协调，如交换随机数和聚合公钥。多签或复杂交易可能增加操作步骤，需要钱包或应用支持。

升级与兼容性问题

虽然 Taproot 已启用 Schnorr 签名，但部分钱包、交易所和节点仍使用 ECDSA。混合使用两种签名方案可能带来兼容性问题，社区和开发者需长期协作推动新功能落地。

总结

Schnorr 签名为比特币交易提供了结构优化，它通过压缩签名体积、支持聚合和批量验证、提升隐私性，为交易效率、网络容量和隐私性提供了较好基础。在区块链应用日益复杂的环境下，这些特性有助于比特币应对扩容和隐私需求。

同时，聚合签名、多签钱包和隐私交易的实现依赖链下协调、软件支持和社区采纳。用户在使用这些功能时，需要关注钱包和服务的支持情况、交易格式兼容性以及操作流程。虽然 Schnorr 提供了优化方案，但其广泛应用仍需社区和开发者持续推动。