Inovação tecnológica do Bitcoin: Análise aprofundada do plano de consenso Taproot

Introdução

Recentemente, uma equipe de desenvolvimento de Layer2 de Bitcoin chamada BEVM lançou o white paper técnico intitulado "Taproot Consensus: uma solução descentralizada de BTC Layer2". Este documento detalha o mecanismo de implementação do Taproot Consensus e como combinar tecnologias como assinaturas Schnorr, MAST e nós SPV de Bitcoin para construir uma solução completamente descentralizada de BTC Layer2.

O plano de consenso Taproot é considerado a obra-prima da tecnologia de expansão nativa do Bitcoin. Ele combina habilmente várias tecnologias centrais do Bitcoin, sem modificar o código do Bitcoin, demonstrando pensamento inovador e um design engenhoso.

Antes de aprofundarmos na discussão deste livro branco, é necessário rever a evolução técnica do Bitcoin, para que possamos entender melhor como o Consenso Taproot surgiu no contexto do desenvolvimento do Bitcoin.

I. Revisão do desenvolvimento tecnológico do Bitcoin

Em 31 de outubro de 2008, Satoshi Nakamoto publicou o artigo pioneiro "Bitcoin: um sistema de dinheiro eletrônico peer-to-peer", que descreveu pela primeira vez o plano de implementação técnica do Bitcoin. O artigo mencionou a tecnologia SPV (verificação de pagamentos simplificada), que é uma solução leve para validar transações sem a necessidade de executar um nó completo.

No dia 3 de janeiro de 2009, Satoshi Nakamoto minerou o bloco gênese em um servidor localizado em Helsinque, marcando o início oficial da rede Bitcoin. Vale destacar que o Bitcoin inicialmente adotou o algoritmo de assinatura digital de curva elíptica (ECDSA), em vez da assinatura de Schnorr, que seria mais adequada. Isso ocorreu porque, na época, a tecnologia de assinatura de Schnorr ainda não havia sido tornada open source e ainda estava sob proteção de patente.

A assinatura Schnorr não apenas preserva todas as funcionalidades e características de segurança do ECDSA, mas também supera as limitações do ECDSA em assinaturas múltiplas, podendo suportar mais de 1000 endereços gerenciando Bitcoin em conjunto, sem afetar a eficiência da assinatura.

Em 2018, após anos de validação, os desenvolvedores principais do Bitcoin, como Gregory Maxwell, apresentaram oficialmente a proposta de introduzir a assinatura Schnorr na rede Bitcoin.

No dia 14 de novembro de 2021, o Bitcoin completou a atualização Taproot, introduzindo oficialmente a assinatura Schnorr e inaugurando uma nova era de assinaturas múltiplas descentralizadas. Além disso, a atualização Taproot também trouxe a tecnologia MAST (Árvore de Sintaxe Abstrata Merkle), conferindo ao Bitcoin funcionalidades semelhantes a contratos inteligentes.

A combinação de assinaturas Schnorr e MAST permite que o Bitcoin implemente uma rede de múltiplas assinaturas descentralizada por meio de código de programa, em vez de operações manuais, estabelecendo a base para o desenvolvimento de soluções de segunda camada para o Bitcoin.

A proposta de consenso Taproot da equipe BEVM é uma grande realização do acúmulo tecnológico do Bitcoin ao longo de 13 anos.

II. Visão geral do plano de Consenso Taproot

O livro branco da tecnologia Taproot Consensus começa afirmando que as características não Turing-completas da rede Bitcoin limitam sua capacidade de implementar diretamente soluções de escalonamento Layer2 semelhantes aos Rollups do Ethereum. A camada de contratos de script do Bitcoin só pode executar operações de transferência simples, não conseguindo suportar funcionalidades complexas de contratos inteligentes. Portanto, é inviável construir soluções de escalonamento Layer2 puramente a partir da camada de script do Bitcoin.

Esta descrição resume de forma concisa as limitações da rede Bitcoin, apontando que a direção correta para a escalabilidade do Bitcoin não é trabalhar na camada única da rede, mas sim utilizar as capacidades existentes do Bitcoin para construir uma solução de escalabilidade de segunda camada totalmente descentralizada.

O Consenso Taproot é a fusão da tecnologia Taproot do Bitcoin (incluindo assinaturas Schnorr e MAST), nós leves SPV do Bitcoin e o mecanismo de consenso BFT PoS, construindo assim uma rede Layer2 descentralizada e altamente consistente.

Três, Detalhes da Arquitetura do Consenso Taproot

O Consenso Taproot é composto por três partes principais: Schnorr+MAST, Bitcoin SPV e Aura+Grandpa.

Schnorr+MAST utiliza as duas tecnologias introduzidas pela atualização Taproot do Bitcoin para implementar a gestão descentralizada de múltiplas assinaturas do Bitcoin, sem necessidade de assinatura manual, mas sim através do código do Bitcoin.

O consenso alcançado pela rede de segunda camada é utilizado para impulsionar esses códigos. E como a rede de segunda camada alcança o consenso, e como esse consenso se sincroniza com o estado da camada um do Bitcoin, depende do consenso Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa) para ser realizado.

Bitcoin SPV é o método de verificação de pagamentos simples proposto por Satoshi Nakamoto, que permite sincronizar e verificar transações Bitcoin sem a necessidade de executar um nó completo. Isso permite que o Consenso Taproot possa sincronizar o estado do BTC em um ambiente totalmente descentralizado, sem a necessidade de permissão.

Aura+Grandpa é um protocolo de consenso avançado de PoS tolerante a falhas bizantinas, garantindo alta consistência entre os nós da rede.

O princípio de funcionamento do Consenso Taproot pode ser resumido da seguinte forma: no sistema, cada validador possui uma chave privada BTC para assinaturas Schnorr. Através do esquema de assinatura múltipla Musig2, uma chave pública agregada Pagg é gerada, formando uma grande árvore MAST. Os validadores realizam transferências e operações de gravação de BTC para o endereço de assinatura de limiar gerado pela árvore MAST, permitindo a função de submissão de dados da mainnet BTC para a rede de segunda camada. Ao mesmo tempo, cada validador atua como um nó leve SPV do Bitcoin, podendo sincronizar com segurança e sem permissão o estado da rede BTC.

Em suma, o Consenso Taproot constrói uma gestão descentralizada de múltiplas assinaturas BTC na camada um do Bitcoin usando Schnorr+MAST, enquanto a camada dois executa uma rede de nós SPV do Bitcoin, que pode sincronizar o estado de dados da camada um do Bitcoin. Para garantir a segurança e confiabilidade da rede de camada dois, a rede de nós SPV do Bitcoin é integrada com Aura+Grandpa, conferindo à rede de nós SPV um nível de segurança no que diz respeito ao consenso BFT. Assim, a gestão dos ativos da rede de camada dois não é realizada por alguns signatários múltiplos, mas sim impulsionada pelo consenso BFT, alcançando uma verdadeira descentralização.

Quatro, Detalhes Técnicos e Inovações

O livro branco do Taproot Consensus também explica detalhadamente a implementação de tecnologias como assinaturas Schnorr, MAST, nós leves SPV do Bitcoin, Aura+Grandpa, fornecendo materiais de estudo abrangentes e detalhados para aqueles que desejam entender melhor as mais recentes tecnologias do Bitcoin.

Além disso, o livro amarelo detalha o processo de implementação do Musig2 e faz uma comparação com o conhecido projeto Mezo do BTC Layer2.

Mezo é baseado no protocolo tBTC e construiu uma rede de assinatura em limite utilizando assinaturas múltiplas de Bitcoin, apresentando uma consistência mais forte em comparação com redes distribuídas tradicionais. No entanto, o tBTC ainda é uma rede de assinaturas múltiplas que requer a assinatura de 9 pessoas. Para alcançar uma verdadeira dependência do consenso ao invés de pessoas, é necessário combinar a rede de assinaturas múltiplas com o mecanismo de consenso BFT PoS.

O consenso Taproot adotou este design mais avançado. Ao combinar assinaturas Schnorr, MAST, nós leves SPV do Bitcoin, bem como os mecanismos de consenso tolerantes a falhas bizantinas Aura e Grandpa, foi construído um esquema de extensão descentralizada Layer2 altamente consistente e seguro. Esta fusão não só melhorou a escalabilidade e a usabilidade da rede Bitcoin, mas também garantiu a segurança e a consistência da rede de segunda camada.

Resumo

Este white paper técnico descreve de forma abrangente e sistemática a implementação e os detalhes técnicos do Taproot Consensus, apresentando uma solução de segunda camada totalmente construída com base na tecnologia nativa do Bitcoin.

O Consenso Taproot não apenas respeita e herda a linha técnica do Bitcoin, mas também combina inovações resultantes das atualizações do Bitcoin, sendo considerado uma obra-prima da tecnologia nativa de expansão do Bitcoin.

Com o contínuo desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, soluções de segunda camada verdadeiramente descentralizadas para Bitcoin se tornarão um caminho indispensável para o desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, e soluções como Taproot Consensus certamente brilharão.