Hito de la innovación tecnológica de Bitcoin: análisis profundo del esquema de consenso Taproot

Introducción

Recientemente, un equipo de desarrollo de Bitcoin Layer2 llamado BEVM publicó el libro técnico "Taproot Consensus: una solución descentralizada de BTC Layer2". Este documento detalla el mecanismo de implementación de Taproot Consensus, así como cómo combinar tecnologías como las firmas Schnorr, MAST y los nodos SPV de Bitcoin para construir una solución BTC Layer2 completamente descentralizada.

El plan Taproot Consensus puede considerarse una obra maestra de la tecnología de expansión nativa de Bitcoin. Combina de manera ingeniosa varias tecnologías clave de Bitcoin sin modificar el código de Bitcoin, mostrando un pensamiento innovador y un diseño ingenioso.

Antes de profundizar en este libro amarillo, es necesario revisar la evolución tecnológica de Bitcoin para comprender mejor cómo surgió el Consenso Taproot en el contexto del desarrollo de Bitcoin.

I. Revisión del desarrollo tecnológico de Bitcoin

El 31 de octubre de 2008, Satoshi Nakamoto publicó un artículo pionero titulado "Bitcoin: un sistema de efectivo electrónico peer-to-peer", que expone por primera vez el esquema técnico de implementación de Bitcoin. En el artículo se menciona la tecnología SPV (Verificación de Pagos Simplificada), que es una solución ligera que permite verificar transacciones sin necesidad de operar un nodo completo.

El 3 de enero de 2009, Satoshi Nakamoto minó el bloque génesis en un servidor ubicado en Helsinki, marcando el inicio oficial de la red Bitcoin. Es importante señalar que Bitcoin inicialmente utilizó el algoritmo de firma digital de curva elíptica (ECDSA), en lugar de la firma de Schnorr, que sería más adecuada. Esto se debe a que en ese momento la tecnología de firma de Schnorr aún no había sido de código abierto y seguía protegida por patentes.

La firma de Schnorr no solo conserva todas las funciones y características de seguridad de ECDSA, sino que también supera las limitaciones de ECDSA en la firma múltiple, pudiendo soportar más de 1000 direcciones para gestionar Bitcoin en conjunto, sin afectar la eficiencia de la firma.

En 2018, después de años de validación, los desarrolladores principales de Bitcoin, como Gregory Maxwell, propusieron oficialmente la introducción de las firmas Schnorr en la red de Bitcoin.

El 14 de noviembre de 2021, Bitcoin completó la actualización Taproot, introduciendo oficialmente las firmas Schnorr y abriendo una nueva era de firmas múltiples descentralizadas. Además, la actualización Taproot también introdujo la tecnología MAST (árbol de sintaxis abstracta de Merkle), que aporta a Bitcoin funciones similares a las de un contrato inteligente.

La combinación de las firmas Schnorr y MAST permite que Bitcoin implemente una red de múltiples firmas descentralizada a través de código de programa en lugar de operaciones manuales, estableciendo así las bases para el desarrollo de soluciones de segunda capa de Bitcoin.

El esquema de consenso Taproot propuesto por el equipo de BEVM es una obra maestra de los 13 años de acumulación tecnológica de Bitcoin.

II. Resumen del esquema de consenso Taproot

El libro blanco de la tecnología Taproot Consensus señala al comienzo que la característica no Turing-completa de la red Bitcoin limita su capacidad para implementar directamente soluciones de escalado Layer2 similares a Rollup de Ethereum. La capa de contratos de script de Bitcoin solo puede ejecutar operaciones de transferencia simples y no puede soportar funciones complejas de contratos inteligentes. Por lo tanto, construir una solución de escalado Layer2 únicamente desde la capa de script de Bitcoin no es viable.

Esta descripción resume de manera concisa las limitaciones de la red Bitcoin, señalando que la dirección correcta para la expansión de Bitcoin no es trabajar en una red de primera capa, sino utilizar las capacidades existentes de Bitcoin para construir un esquema de expansión de segunda capa completamente descentralizado.

El Consenso Taproot fusiona la tecnología Taproot de Bitcoin (incluyendo firmas Schnorr y MAST), nodos ligeros SPV de Bitcoin y el mecanismo de consenso BFT PoS, construyendo así una red Layer2 descentralizada y altamente coherente.

Tres, explicación detallada de la arquitectura del consenso Taproot

El Consenso Taproot se compone de tres partes fundamentales: Schnorr+MAST, Bitcoin SPV y Aura+Grandpa.

Schnorr+MAST utiliza las dos tecnologías introducidas por la actualización Taproot de Bitcoin para lograr la gestión descentralizada de múltiples firmas de Bitcoin, sin necesidad de firmas manuales, sino impulsada por el código de Bitcoin.

El consenso alcanzado por la red de segunda capa impulsa este código. Y cómo la red de segunda capa alcanza el consenso, así como cómo este consenso se sincroniza con el estado de la capa uno de Bitcoin, se basa en el consenso Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa) para lograrlo.

Bitcoin SPV es un método de verificación de pagos simple propuesto por Satoshi Nakamoto, que permite sincronizar y verificar transacciones de Bitcoin sin la necesidad de ejecutar un nodo completo. Esto permite que el Consenso Taproot se sincronice con el estado de BTC en un entorno completamente descentralizado, sin necesidad de permisos.

Aura+Grandpa es un protocolo de consenso PoS avanzado tolerante a fallos bizantinos, que garantiza una alta consistencia entre los nodos de la red.

El principio de funcionamiento del Consenso Taproot se puede resumir en: en el sistema, cada validador posee una clave privada BTC para firmar Schnorr. A través del esquema de firma múltiple Musig2, se genera una clave pública agregada Pagg, que forma un gran árbol MAST. Los validadores realizan transferencias de BTC y operaciones de grabado en la dirección de firma umbral generada por el árbol MAST, logrando así la función de enviar datos de la red principal de BTC a la red de segunda capa. Al mismo tiempo, cada validador actúa como un nodo ligero SPV de Bitcoin, capaz de sincronizar de manera segura y sin permisos el estado de la red BTC.

En resumen, el Consenso Taproot utiliza Schnorr+MAST en la primera capa de Bitcoin para construir una gestión descentralizada de múltiples firmas de BTC, mientras que en la segunda capa opera una red de nodos SPV de Bitcoin, que puede sincronizar el estado de los datos de la primera capa de Bitcoin. Para garantizar la seguridad y confiabilidad de la red de la segunda capa, se fusiona la red de nodos SPV de Bitcoin con Aura+Grandpa, lo que otorga a la red de nodos SPV un nivel de seguridad en cuanto a consenso BFT. De esta manera, no son ciertos firmantes múltiples quienes gestionan los activos de la red de la segunda capa, sino que se basa en el consenso BFT para impulsar, logrando una verdadera descentralización.

Cuatro, detalles técnicos e innovaciones

El libro blanco de Taproot Consensus también explica en detalle la implementación de tecnologías como las firmas Schnorr, MAST, los nodos ligeros SPV de Bitcoin, Aura+Grandpa, entre otros, proporcionando materiales de estudio completos y detallados para quienes desean profundizar en las últimas tecnologías de Bitcoin.

Además, el libro amarillo también detalla el proceso de implementación de Musig2 y lo compara con el conocido proyecto Mezo de Layer2 de BTC.

Mezo, basado en el protocolo tBTC, ha construido una red de firmas umbral utilizando firmas múltiples de Bitcoin, que tiene una consistencia más fuerte en comparación con las redes distribuidas tradicionales. Sin embargo, tBTC sigue siendo una red de firmantes con múltiples firmas que requiere 9 personas para firmar. Para lograr una verdadera dependencia del consenso en lugar de las personas, es necesario combinar la red de firmas múltiples con el mecanismo de consenso BFT PoS.

El Consenso Taproot adopta este diseño más avanzado. Al combinar las firmas Schnorr, MAST, los nodos ligeros SPV de Bitcoin y los mecanismos de consenso de tolerancia a fallos bizantinos Aura y Grandpa, se construye una solución de escalado descentralizada de Layer2 altamente consistente y segura. Esta fusión no solo mejora la escalabilidad y la usabilidad de la red Bitcoin, sino que también garantiza la seguridad y consistencia de la red de segunda capa.

Resumen

Este libro blanco técnico describe de manera integral y sistemática el plan de implementación y los detalles técnicos del Consenso Taproot, mostrando una solución de segunda capa completamente construida sobre la tecnología nativa de Bitcoin.

Taproot Consensus no solo respeta y hereda la ruta técnica de Bitcoin, sino que también combina innovaciones tecnológicas traídas por las actualizaciones de Bitcoin, siendo una obra maestra de la tecnología de expansión nativa de Bitcoin.

Con el continuo desarrollo del ecosistema de Bitcoin, las soluciones de segunda capa verdaderamente descentralizadas para Bitcoin se convertirán en un camino inevitable para el desarrollo del ecosistema de Bitcoin, y soluciones como Taproot Consensus sin duda brillarán.