Bitcoin : un jalon d'innovation technologique - Analyse approfondie du schéma de consensus Taproot

Introduction

Récemment, une équipe de développement Bitcoin Layer2 nommée BEVM a publié le livre blanc technique "Taproot Consensus : une solution BTC Layer2 décentralisée". Ce document décrit en détail le mécanisme de mise en œuvre de Taproot Consensus, ainsi que la manière de combiner les signatures Schnorr, MAST et les nœuds SPV Bitcoin pour construire une solution BTC Layer2 entièrement décentralisée.

La solution Taproot Consensus est considérée comme le chef-d'œuvre de la technologie d'expansion native de Bitcoin. Elle combine habilement plusieurs technologies clés de Bitcoin, sans apporter de modifications au code de Bitcoin, démontrant ainsi une pensée innovante et un design ingénieux.

Avant d'explorer en profondeur ce livre blanc, il est nécessaire de revenir sur l'évolution technologique du Bitcoin afin de mieux comprendre comment le Consensus Taproot est né dans le contexte du développement du Bitcoin.

I. Revue du développement technologique de Bitcoin

Le 31 octobre 2008, Satoshi Nakamoto a publié un article révolutionnaire intitulé "Bitcoin : un système de monnaie électronique peer-to-peer", dans lequel il a présenté pour la première fois le schéma technique complet de la mise en œuvre de Bitcoin. L'article mentionne la technologie SPV (vérification de paiement simplifiée), qui est une solution légère permettant de vérifier les transactions sans avoir à exécuter un nœud complet.

Le 3 janvier 2009, Satoshi Nakamoto a extrait le bloc de genèse sur un serveur situé à Helsinki, marquant le lancement officiel du réseau Bitcoin. Il convient de noter que Bitcoin a initialement utilisé l'algorithme de signature numérique à courbe elliptique (ECDSA), et non la signature de Schnorr, qui serait plus adaptée. Cela est dû au fait que la technologie de signature Schnorr n'était pas encore open source à l'époque et était toujours protégée par des brevets.

La signature Schnorr préserve non seulement toutes les fonctionnalités et caractéristiques de sécurité de l'ECDSA, mais elle surmonte également les limitations de l'ECDSA en matière de signatures multiples, pouvant prendre en charge plus de 1000 adresses pour gérer des Bitcoin ensemble, sans affecter l'efficacité des signatures.

En 2018, après des années de validation, les développeurs principaux de Bitcoin, dont Gregory Maxwell, ont officiellement proposé d'introduire les signatures Schnorr dans le réseau Bitcoin.

Le 14 novembre 2021, Bitcoin a terminé la mise à niveau Taproot, introduisant officiellement les signatures Schnorr et ouvrant une nouvelle ère de signatures multiples décentralisées. En outre, la mise à niveau Taproot a également introduit la technologie MAST (Merkelized Abstract Syntax Tree), apportant à Bitcoin des fonctionnalités similaires à celles des contrats intelligents.

La combinaison des signatures Schnorr et de MAST permet à Bitcoin de réaliser un réseau de signatures multiples décentralisé par le biais de code programmatique plutôt que par des opérations manuelles, posant ainsi les bases du développement des solutions de deuxième couche pour Bitcoin.

La solution de consensus Taproot proposée par l'équipe BEVM est en effet le fruit de 13 ans d'accumulation technologique de Bitcoin.

II. Aperçu du plan de consensus Taproot

Le livre blanc sur la technologie Taproot Consensus commence par souligner que la caractéristique non Turing-complete du réseau Bitcoin limite sa capacité à réaliser directement des solutions d'extension Layer2 similaires aux Rollups d'Ethereum. Le niveau des contrats script de Bitcoin ne peut exécuter que des opérations de transfert simples et ne prend pas en charge des fonctionnalités de contrats intelligents complexes. Par conséquent, il n'est pas possible de construire une solution d'extension Layer2 uniquement à partir du niveau des scripts de Bitcoin.

Cette description résume hautement les limitations du réseau Bitcoin, indiquant que la bonne direction pour l'expansion de Bitcoin n'est pas de se concentrer sur une seule couche de réseau, mais d'utiliser les capacités existantes de Bitcoin pour construire une solution d'expansion de deuxième couche entièrement décentralisée.

Le consensus Taproot fusionne la technologie Taproot de Bitcoin (y compris les signatures Schnorr et MAST), les nœuds légers SPV de Bitcoin et le mécanisme de consensus BFT PoS pour construire un réseau Layer2 décentralisé et hautement cohérent.

Trois, explication détaillée de l'architecture du consensus Taproot

Le Consensus Taproot est composé de trois parties principales : Schnorr+MAST, Bitcoin SPV et Aura+Grandpa.

Schnorr+MAST utilise les deux technologies introduites par la mise à niveau Taproot de Bitcoin pour réaliser la gestion décentralisée des signatures multiples de Bitcoin, sans nécessiter de signatures manuelles, mais plutôt par le biais du code Bitcoin.

Le consensus atteint par le réseau de deuxième couche pour piloter ce code. Et comment le réseau de deuxième couche atteint le consensus, et comment ce consensus est synchronisé avec l'état de la couche une de Bitcoin, dépend de la réalisation du consensus Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV est une méthode de vérification des paiements simples proposée par Satoshi Nakamoto, qui permet de synchroniser et de vérifier les transactions Bitcoin sans avoir besoin d'exécuter un nœud complet. Cela permet au Consensus Taproot de synchroniser l'état des BTC dans un environnement entièrement décentralisé, sans autorisation.

Aura+Grandpa est un protocole de consensus PoS avancé tolérant aux pannes de type byzantin, assurant une haute cohérence des nœuds du réseau.

Le principe de fonctionnement du consensus Taproot peut être résumé comme suit : dans le système, chaque validateur détient une clé privée BTC utilisée pour les signatures Schnorr. Grâce au schéma de signature multiple Musig2, une clé publique agrégée Pagg est générée, formant un grand arbre MAST. Les validateurs effectuent des transferts BTC et des opérations de gravure à l'adresse de signature seuil générée par l'arbre MAST, permettant ainsi la soumission de données du réseau principal BTC au réseau de deuxième couche. Parallèlement, chaque validateur, en tant que nœud léger SPV Bitcoin, peut synchroniser de manière sécurisée et sans autorisation l'état du réseau BTC.

En résumé, le Consensus Taproot construit une gestion décentralisée des signatures multiples BTC au niveau de la couche Bitcoin en utilisant Schnorr+MAST, tandis que la deuxième couche exécute un réseau de nœuds SPV Bitcoin, capable de synchroniser l'état des données de la couche Bitcoin. Pour garantir la sécurité et la fiabilité du réseau de la deuxième couche, le réseau de nœuds SPV Bitcoin est fusionné avec Aura+Grandpa, permettant au réseau de nœuds SPV d'atteindre un niveau de sécurité au niveau du consensus BFT. Ainsi, la gestion des actifs du réseau de la deuxième couche n'est pas assurée par certains signataires multiples, mais repose sur le consensus BFT pour fonctionner, réalisant une véritable décentralisation.

Quatre, détails techniques et points d'innovation

Le livre blanc de Taproot Consensus explique également en détail les détails techniques de la mise en œuvre de signatures Schnorr, MAST, des nœuds légers SPV Bitcoin, Aura+Grandpa, etc., fournissant ainsi des ressources d'apprentissage complètes et détaillées pour ceux qui souhaitent approfondir leur compréhension des dernières technologies Bitcoin.

De plus, le livre jaune décrit en détail le processus de mise en œuvre de Musig2 et le compare au célèbre projet BTC Layer2 Mezo.

Mezo est basé sur le protocole tBTC et a construit un réseau de signature de seuil utilisant la multi-signature Bitcoin, ce qui offre une plus grande cohérence par rapport aux réseaux distribués traditionnels. Cependant, tBTC reste un réseau de multi-signature nécessitant la signature de 9 personnes. Pour réaliser une véritable dépendance à la consensus plutôt qu'aux individus, il est nécessaire de combiner le réseau de multi-signature avec le mécanisme de consensus BFT PoS.

Le Consensus Taproot adopte cette conception plus avancée. En combinant les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers Bitcoin SPV ainsi que les mécanismes de consensus tolérants aux pannes byzantines Aura et Grandpa, il a construit une solution d'extension Layer2 décentralisée hautement cohérente et sécurisée. Cette fusion améliore non seulement l'évolutivité et l'utilisabilité du réseau Bitcoin, mais elle garantit également la sécurité et la cohérence du réseau de deuxième couche.

Résumé

Ce livre blanc technique décrit de manière complète et systématique le plan de mise en œuvre et les détails techniques du consensus Taproot, présentant une solution de couche deux entièrement construite sur la technologie native de Bitcoin.

Taproot Consensus non seulement respecte et hérite de la feuille de route technique de Bitcoin, mais combine également les innovations techniques apportées par les mises à jour successives de Bitcoin, représentant ainsi un chef-d'œuvre de la technologie d'extension native de Bitcoin.

Avec le développement continu de l'écosystème Bitcoin, de véritables solutions de deuxième couche décentralisées pour Bitcoin deviendront un passage obligé pour le développement de l'écosystème Bitcoin, et des solutions comme Taproot Consensus brilleront sans aucun doute.