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比特幣原生拓展技術集大成者——BEVM技術黃皮書全面解讀

BlockBeats 律動財經 2024-05-20 16:00

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律動財經圖片

前言:

2024 年 5 月 20 日,比特幣 Layer2 開發團隊 BEVM 正式發布了技術黃皮書《Taproot Consnesus 一種去中心化的 BTC Layer2 解決方案》

黃皮書詳盡描述了 Taproot Consnesus 的實現方式,以及如何結合施諾爾簽名、MAST、比特幣 SPV 節點等比特幣原生技術來構建完全去中心化的 BTC Layer2 解決方案。

通篇讀完,筆者感受到 BEVM 團隊提出的 Taproot Consnesus 解決方案,是真正意義上的比特幣原生拓展技術的集大成者。Taproot Consnesus 沒有對比特幣的代碼進行任何的修改和增減,而是充分對比特幣的幾大原生技術進行了組合式創新,思路簡潔,結構巧妙。

在正式解讀黃皮書之前,我們有必要回顧下比特幣的技術迭代史,從而方便理解 Taproot Consnesus 是如何一步步從比特幣的發展脈絡中脫胎而出的。

正文:

一、比特幣技術迭代史

2008 年 10 月 31 日

中本聰發表題為《比特幣:一種點對點的電子現金系統》的論文,正式提出了比特幣完整的技術實現方式。

在論文的第八章,中本聰提到名為 SPV ( Simple Payment Verification ) 的解決方案,即 簡單支付驗證,是一種不需要運行比特幣全節點,只需保存區塊頭,也可以驗證支付的技術手段。

2009 年 1 月 3 日

中本聰在位於赫爾辛基的一台小型服務器上挖出了創世區塊,這標誌着比特幣正式誕生。

值得一提的是,在比特幣的正式代碼里,中本聰使用了橢圓曲線簽名技術(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,簡稱 ECDSA),卻沒有採用更適合比特幣的施諾爾簽名技術(即 Schnorr Signature),究其原因,並非橢圓曲線簽名比施諾爾簽名技術更優,而是,當時施諾爾簽名並沒有開源,仍在專利保護期,因此,中本聰退而求其次,選擇了已經開源的橢圓曲線簽名。

施諾爾簽名保留了橢圓曲線簽名的所有功能和安全假設,同時,可以突破在橢圓曲線簽名的技術框架下比特幣最多隻能實現 15 重多簽的束縛,最終實現 1000+地址共同管理比特幣且不影響簽名速度。

2018 年

經過多年的反覆驗證,比特幣核心開發者 Gregory Maxwell 等人正式提出 BIP,建議把施諾爾簽名引入比特幣網路。

2021 年 11 月 14 日

比特幣正式完成 Taproot 升級,施諾爾簽名被正式納入比特幣網路,比特幣開啟了全新的去中心化多簽時代。

除了施諾爾簽名,Taproot 升級還引入了 MAST(Merkelized Abstract Syntax Trees),即默克爾抽象語法樹,這是一種讓比特幣具備類似智能合約功能的技術,它通過將多個條件分支的合約邏輯組織成 Merkle 樹的形式來實現,即可以讓比特幣代碼來實現類似智能合約的功能需求(但是,僅限於比特幣支付驗證,區別於以太坊複雜的智能合約)。

施諾爾簽名可以把比特幣的多簽地址達到 1000+,而 MAST 可以通過比特幣程序來驅動施諾爾簽名地址進行多簽,因此,施諾爾簽名+MAST,可以實現不需要人來簽名而是通過比特幣代碼指令來驅動的去中心化比特幣多簽網路。

這意味著比特幣可以去信任的方式擺脫一層的束縛,進而到比特幣二層實現更複雜更豐富的業務場景。

而 BEVM 團隊提出的 Taproot Consnesus 解決方案,正是對比特幣從 2008 年-2021 年這 13 年技術迭代的集大成。

二、Taproot Consnesus 解決方案概要:

Taproot Consnesus 技術黃皮書開篇提到:「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只能進行簡單的轉賬操作,無法支持更複雜的智能合約功能。因此,單純從比特幣腳本層面來構建 Layer2 擴展方案是不可行的」

開篇這段描述具有高度概括性,指出了比特幣網路的非圖靈完美性,且比特幣腳本合約只能執行比特幣轉賬操作,因此,比特幣拓展的正確方向不是在比特幣一層網路作文章,而是要使用比特幣已有的能力,來構建一個完全去中心化的比特幣二層擴展方案。

而 Taproot Consensus 就是將比特幣的 Taproot 技術(Schnorr 簽名和 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性的 Layer2 網路。

三、詳解 Taproot Consnesus 架構



BEVM 團隊提出的 Taproot consensus 總共由 Schnorr+Mast, Bitcoin SPV 和 Aura+Grandpa 三部分組成。

Schnorr+Mast 在前文我們已經提到,使用比特幣 Taproot 升級帶來的這兩大原生技術進行組合,可以實現比特幣的去中心化多簽管理,且不需要通過人來簽名,而是使用比特幣代碼來驅動。

那麼,誰來驅動這些代碼?是通過二層網路達成的共識來驅動。

那麼,二層網路如何達成共識,且這些共識如何與比特幣一層實現狀態同步?

這就是 Bitcoin SPV+BFT POS 共識(Aura+Grandpa)的效用。

Bitcoin SPV 是中本聰提出的簡單支付驗證方式,在不運行全節點的情況下,也可以同步和驗證比特幣交易。這一特性使得 Taproot Consensus 能夠在完全去中心化的環境下,無需任何許可,同步 BTC 狀態。

Aura+Grandpa 是比較通用的實現拜占庭容錯的高級 PoS 共識協議,通過分布式協議確保網路節點的高度一致性(以 Substrate 框架構建的區塊鏈基本都用 Aura+Grandpa)

因此,總結,Taproot consensus 三部分的運行原理:

「在 BEVM 系統中,每個驗證者均持有一個用於 Schnorr 簽名的 BTC 私鑰。Schnorr 簽名的特性使其能夠實現高效的簽名聚合,從而提高系統的安全性和效率。通過 Musig2 多簽名方案生成的聚合公鑰 Pagg,形成了一顆大型 MAST(Merkle Abstract Syntax Tree)樹。

在 MAST 樹的根哈希值生成後,驗證者通過向 MAST 樹生成的門限簽名地址進行 BTC 轉賬和銘刻操作,實現 BTC 主網向 BEVM 網路提交數據的功能。同時每個驗證者均作為 Bitcoin SPV(Simplified Payment Verification)輕節點,使其能夠安全且無許可地同步 BTC 網路狀態」

簡而概之:

Taproot consensus 在比特幣一層使用 Schnorr+Mast 構建去中心化的 BTC 多簽管理,二層運行 Bitcoin SPV 節點網路,以 BEVM 為例,BEVM 二層網路全部運行比特幣 SPV 節點,這些節點可以同步比特幣一層的數據狀態,因此,可以讓 BEVM 和比特幣一層資訊同步。而為了保障二層網路是安全可信的,BEVM 把比特幣 SPV 節點網路和 Aura+Grandpa 融為一體,即讓比特幣 SPV 節點網路具備了 BFT 共識層面的安全級別。即,管理 BEVM 網路資產的不是某些多簽人而是依靠 BFT 共識來驅動,從而實現真正的去中心化。

四、黃皮書其他技術細節

除了以上技術框架外,Taproot consensus 黃皮書還詳細解釋了施諾爾簽名、MAST、比特幣 PSV 輕節點、Aura+Grandpa 等技術的實現細節。對於想學習和了解比特幣最新技術的人來講,BEVM 團隊出品的這個 Taproot consensus 黃皮書是一個非常全面且詳細的學習資料。

不僅如此,黃皮書還詳細解釋了 Musig2 的實現過程,以及知名 BTC Layer2 項目 Mezo 與 Taproot consensus 的區別。

Mezo 的底層技術結構是基於 tBTC 協議。tBTC 利用比特幣多簽構建了一個門限簽名網路, 這種結構相比傳統分布式網路而言, 具有較強的一致性。

但是,tBTC 仍是一個需要 9 人簽名的多簽人網路,要想真正實現不依靠人而是依靠共識驅動,則需要把多簽網路與 BFT PoS(拜占庭容錯權益證明)共識機制相結合。(這也是分布式網路和區塊鏈的區別,分布式網路強調分布式,但是缺乏拜占庭容錯的共識,而區塊鏈雖然也是一個分布式網路,但是依靠拜占庭容錯共識來驅動,因此,是真正去中心化的網路)

Taproot Consensus 方案則採取了這種更為先進的設計。通過結合 Schnorr 簽名、MAST、比特幣 SPV 輕節點以及 Aura 和 Grandpa 拜占庭容錯共識機制, 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 BEVM 網路的安全性和一致性。

總結:

BEVM 團隊發布的技術黃皮書,系統且全面地描述了 Taproot Consensus 的實現方案和技術細節,向我們展現了一個完全基於比特幣原生技術構建的比特幣二層解決方案。

Taproot Consensus 不僅尊重和繼承了比特幣原有的技術方向,同時,還結合比特幣歷次升級帶來的技術進行組合式創新,是真正意義上的比特幣原生拓展技術的集大成者。

隨著,比特幣生態的不斷發展,人們將逐漸意識到,真正去中心化的比特幣二層解決方案才是比特幣生態發展的必經之路,而 Taproot Consensus 這種解決方案將真正的大放光彩。

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