比特幣原生技術的集大成:Taproot Consensus解決方案全面解析

2024年5月20日,一個比特幣Layer2開發團隊發布了題爲《Taproot Consensus:一種去中心化的BTC Layer2解決方案》的技術黃皮書。該黃皮書詳細闡述了Taproot Consensus的實現方式,以及如何整合施諾爾籤名、MAST、比特幣SPV節點等比特幣原生技術,構建一個完全去中心化的BTC Layer2解決方案。

通讀全文,不難發現Taproot Consensus方案是比特幣原生擴展技術的集大成之作。它沒有對比特幣代碼進行任何修改,而是巧妙地組合了比特幣的幾項核心技術,思路清晰,結構巧妙。

在深入解讀黃皮書之前,我們有必要回顧一下比特幣的技術發展歷程,以便更好地理解Taproot Consensus是如何從比特幣的演進脈絡中應運而生的。

一、比特幣技術發展回顧

2008年10月31日,中本聰發表了《比特幣:一種點對點的電子現金系統》論文,首次提出了比特幣的完整技術實現方案。在論文第八章,中本聰提到了名爲SPV(Simple Payment Verification)的解決方案,即簡單支付驗證,這是一種無需運行比特幣全節點,僅保存區塊頭就能驗證支付的技術手段。

2009年1月3日,中本聰在赫爾辛基的一臺小型服務器上挖出了創世區塊,標志着比特幣正式誕生。值得注意的是,在比特幣的初始代碼中,中本聰採用了橢圓曲線籤名技術(ECDSA),而非更適合比特幣的施諾爾籤名技術。這是因爲當時施諾爾籤名尚未開源,仍在專利保護期內。

施諾爾籤名保留了橢圓曲線籤名的所有功能和安全假設,同時突破了橢圓曲線籤名框架下比特幣最多只能實現15重多籤的限制,最終可實現1000+地址共同管理比特幣且不影響籤名速度。

2018年,經過多年驗證,比特幣核心開發者正式提出將施諾爾籤名引入比特幣網路的建議。

2021年11月14日,比特幣完成Taproot升級,施諾爾籤名正式納入比特幣網路,開啓了全新的去中心化多籤時代。除施諾爾籤名外,Taproot升級還引入了MAST(Merkelized Abstract Syntax Trees),即默克爾抽象語法樹,這是一種賦予比特幣類似智能合約功能的技術。

施諾爾籤名和MAST的結合,使得比特幣能夠通過代碼指令驅動的方式實現去中心化的多籤網路,爲比特幣突破一層限制,在二層實現更復雜豐富的業務場景奠定了基礎。

二、Taproot Consensus方案概述

Taproot Consensus技術黃皮書開篇指出:比特幣網路的非圖靈完備性質限制了其直接實現類似以太坊Rollup的Layer2擴展方案。比特幣網路的腳本合約層僅能進行簡單的轉帳操作,無法支持更復雜的智能合約功能。因此,單純從比特幣腳本層面構建Layer2擴展方案是不可行的。

這段描述高度概括了比特幣網路的局限性,指出比特幣擴展的正確方向不是在一層網路上做文章,而是利用比特幣現有能力,構建一個完全去中心化的二層擴展方案。

Taproot Consensus正是將比特幣的Taproot技術(Schnorr籤名和MAST)、比特幣SPV輕節點以及BFT PoS共識機制融合在一起,構建出了一個去中心化且高度一致的Layer2網路。

三、Taproot Consensus架構詳解

Taproot Consensus主要由Schnorr+Mast、Bitcoin SPV和Aura+Grandpa三部分組成。

Schnorr+Mast利用比特幣Taproot升級帶來的兩項原生技術,實現比特幣的去中心化多籤管理,且無需人工籤名,而是通過比特幣代碼驅動。

Bitcoin SPV是中本聰提出的簡單支付驗證方式,無需運行全節點即可同步和驗證比特幣交易。這一特性使Taproot Consensus能在完全去中心化的環境下,無需許可地同步BTC狀態。

Aura+Grandpa是實現拜佔庭容錯的高級PoS共識協議,確保網路節點的高度一致性。

Taproot Consensus的運行原理可概括爲:在二層系統中,每個驗證者持有用於Schnorr籤名的BTC私鑰。通過Musig2多籤名方案生成的聚合公鑰Pagg,形成一棵大型MAST樹。驗證者通過向MAST樹生成的門限籤名地址進行BTC轉帳和銘刻操作,實現BTC主網向二層網路提交數據的功能。同時,每個驗證者作爲Bitcoin SPV輕節點,能夠安全且無許可地同步BTC網路狀態。

簡而言之,Taproot Consensus在比特幣一層使用Schnorr+Mast構建去中心化的BTC多籤管理,二層運行Bitcoin SPV節點網路,同步比特幣一層的數據狀態。爲確保二層網路的安全可信,將比特幣SPV節點網路與Aura+Grandpa融合,使其具備BFT共識層面的安全級別。這樣,管理二層網路資產的不是某些多籤人,而是依靠BFT共識驅動,實現真正的去中心化。

四、技術細節探討

Taproot Consensus黃皮書還詳細解釋了施諾爾籤名、MAST、比特幣SPV輕節點、Aura+Grandpa等技術的實現細節,爲學習和了解比特幣最新技術的人提供了全面詳細的學習資料。

此外,黃皮書還闡述了Musig2的實現過程,以及與知名BTC Layer2項目Mezo的區別。Mezo基於tBTC協議,利用比特幣多籤構建門限籤名網路,具有較強的一致性。但tBTC仍是一個需要9人籤名的多籤人網路,要實現不依靠人而依靠共識驅動,需要將多籤網路與BFT PoS共識機制相結合。

Taproot Consensus採取了這種更先進的設計,通過結合Schnorr籤名、MAST、比特幣SPV輕節點以及Aura和Grandpa拜佔庭容錯共識機制,構建了一個高度一致性和安全的去中心化Layer2擴展方案。這種融合不僅提升了比特幣網路的擴展性和可用性,還確保了二層網路的安全性和一致性。

總結

Taproot Consensus技術黃皮書系統全面地描述了其實現方案和技術細節,展現了一個完全基於比特幣原生技術構建的二層解決方案。它不僅尊重和繼承了比特幣原有的技術方向,還結合比特幣歷次升級帶來的技術進行了組合式創新,是比特幣原生擴展技術的集大成之作。

隨着比特幣生態的不斷發展,真正去中心化的二層解決方案將成爲比特幣生態發展的必經之路,而Taproot Consensus這類解決方案將在未來大放異彩。