La réalisation ultime des innovations technologiques de Bitcoin : analyse approfondie de la solution technique Taproot Consensus

Le 20 mai 2024, une équipe de développement Layer2 de Bitcoin a publié un livre blanc technique intitulé "Taproot Consensus : une solution BTC Layer2 décentralisée". Ce document décrit en détail la manière dont Taproot Consensus est mis en œuvre, ainsi que comment utiliser des technologies natives de Bitcoin telles que les signatures Schnorr, MAST et les nœuds SPV de Bitcoin pour construire une solution BTC Layer2 entièrement décentralisée.

Après avoir lu l'ensemble du texte, on peut ressentir que ce plan de consensus Taproot est effectivement la quintessence de la technologie d'extension native de Bitcoin. Il n'a apporté aucune modification au code de Bitcoin, mais a plutôt intégré habilement plusieurs technologies clés de Bitcoin, avec une pensée claire et une structure raffinée.

Avant d'interpréter en profondeur le livre jaune, il est nécessaire de passer en revue l'évolution technologique du Bitcoin afin de comprendre comment le Consensus Taproot est né de l'évolution du Bitcoin.

I. Revue du développement technologique de Bitcoin

Le 31 octobre 2008, Satoshi Nakamoto a publié le document "Bitcoin : un système de monnaie électronique de pair à pair", dans lequel il a présenté le plan technique complet de Bitcoin. Le chapitre 8 du document mentionne la solution SPV (Simple Payment Verification), c'est-à-dire la vérification simple des paiements, qui est une méthode technique permettant de vérifier les paiements sans avoir besoin de faire fonctionner un nœud complet de Bitcoin, il suffit de conserver l'en-tête de bloc.

Le 3 janvier 2009, Satoshi Nakamoto a miné le bloc de genèse sur un petit serveur à Helsinki, marquant la naissance officielle de Bitcoin. Il est à noter que dans le code initial de Bitcoin, Satoshi Nakamoto a utilisé la technologie de signature à courbe elliptique (ECDSA), plutôt que la technologie de signature de Schnorr, qui serait plus adaptée à Bitcoin. Cela est dû au fait que la signature de Schnorr n'était pas encore open source à l'époque et était toujours protégée par un brevet.

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

Le 14 novembre 2021, Bitcoin a achevé la mise à niveau Taproot, et les signatures Schnorr ont été officiellement intégrées au réseau Bitcoin, ouvrant ainsi une nouvelle ère de signatures multiples décentralisées. En plus des signatures Schnorr, la mise à niveau Taproot a également introduit MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), c'est-à-dire les arbres de syntaxe abstraite de Merkel, qui est une technologie conférant à Bitcoin des fonctionnalités similaires à celles des contrats intelligents.

La signature Schnorr peut étendre les adresses multi-signatures de Bitcoin à plus de 1000, tandis que MAST peut piloter les adresses de signature Schnorr pour effectuer des multi-signatures via le code Bitcoin. Ainsi, la combinaison de la signature Schnorr et de MAST permet de réaliser un réseau multi-signature décentralisé de Bitcoin qui ne nécessite pas de signature manuelle, mais qui est piloté par des instructions de code Bitcoin.

Cela signifie que le Bitcoin peut dépasser une couche de limites de manière décentralisée, réalisant des scénarios d'affaires plus complexes et plus riches au second niveau. La solution Taproot Consensus est le fruit de 13 ans d'itérations technologiques du Bitcoin, de 2008 à 2021.

Deux, aperçu de la solution de consensus Taproot

Le livre blanc de la technologie Taproot Consensus commence par indiquer que la nature 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 du réseau Bitcoin ne peut effectuer que des opérations de transfert simples et ne peut pas prendre en charge des fonctionnalités de contrats intelligents plus complexes. Par conséquent, il n'est pas possible de construire des solutions d'extension Layer2 uniquement à partir du niveau de script de Bitcoin.

Cette description résume bien la non-complétude de Turing du réseau Bitcoin, ainsi que le fait que les contrats script Bitcoin ne peuvent exécuter que des opérations de transfert de Bitcoin. Par conséquent, la bonne direction pour l'extension de Bitcoin n'est pas de jouer sur la couche réseau de Bitcoin, mais d'utiliser les capacités existantes de Bitcoin pour construire une solution d'extension de Bitcoin de deuxième couche totalement décentralisée.

Le Consensus Taproot intègre la technologie Taproot de Bitcoin (signature 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 : Schnorr+Mast, Bitcoin SPV et Aura+Grandpa.

Schnorr+Mast utilise les deux technologies natives apportées par la mise à niveau Taproot de Bitcoin pour combiner la gestion décentralisée des signatures multiples de Bitcoin, sans avoir besoin de signatures manuelles, mais en utilisant le code Bitcoin pour le pilotage.

Alors, qui va piloter ces codes ? La réponse est que cela est piloté par le consensus atteint via le réseau de couche 2.

Comment les réseaux de deuxième couche parviennent-ils à un consensus et comment ce consensus se synchronise-t-il avec l'état de la première couche Bitcoin ? C'est là que le consensus Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa) entre en jeu.

Bitcoin SPV est un mode de vérification des paiements simple proposé par Satoshi Nakamoto, qui permet de synchroniser et de vérifier les transactions Bitcoin sans avoir à exécuter un nœud complet. Cette caractéristique permet au Consensus Taproot de synchroniser l'état de BTC dans un environnement entièrement décentralisé, sans aucune autorisation.

Aura+Grandpa est un protocole de consensus PoS avancé relativement général qui réalise une tolérance aux pannes byzantines, garantissant une grande cohérence entre les nœuds du réseau grâce à un protocole distribué.

Résumé du principe de fonctionnement des trois parties du consensus Taproot : dans le système, chaque validateur détient une clé privée BTC utilisée pour les signatures Schnorr. Les caractéristiques des signatures Schnorr permettent une agrégation efficace des signatures, ce qui améliore la sécurité et l'efficacité du système. La clé publique agrégée Pagg générée par le schéma de signature multiple Musig2 forme un grand arbre MAST.

Après la génération de la valeur de hachage racine de l'arbre MAST, les validateurs effectuent des transferts de BTC et des opérations de gravure vers l'adresse de signature de seuil générée par l'arbre MAST, réalisant ainsi la fonctionnalité de soumission de données du réseau principal BTC vers le réseau de deuxième couche. En même temps, chaque validateur agit comme un nœud léger SPV Bitcoin, lui permettant de synchroniser en toute sécurité et sans autorisation l'état du réseau BTC.

En résumé, le consensus Taproot utilise Schnorr+Mast pour construire une gestion décentralisée des signatures multiples BTC au niveau de la couche Bitcoin, tandis que la couche deux exécute un réseau de nœuds SPV Bitcoin. Prenons un exemple d'un réseau de couche deux qui fonctionne entièrement avec des nœuds SPV Bitcoin, ces nœuds peuvent synchroniser l'état des données de la couche Bitcoin, permettant ainsi la synchronisation des informations entre le réseau de couche deux et la couche Bitcoin. Pour garantir la sécurité et la fiabilité du réseau de couche deux, cette solution intègre le réseau de nœuds SPV Bitcoin et Aura+Grandpa, ce qui permet au réseau de nœuds SPV Bitcoin de bénéficier d'un niveau de sécurité au niveau du consensus BFT. Cela signifie que la gestion des actifs du réseau de couche deux n'est pas assurée par certains signataires multiples, mais repose sur le consensus BFT pour fonctionner, permettant ainsi une véritable décentralisation.

Quatre, autres détails techniques

En plus du cadre technique mentionné ci-dessus, le livre blanc Taproot Consensus explique également en détail les détails d'implémentation des technologies telles que les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers SPV Bitcoin, Aura+Grandpa, etc. Pour ceux qui souhaitent apprendre et comprendre les dernières technologies Bitcoin, ce livre blanc est un matériel d'apprentissage très complet et détaillé.

De plus, le livre jaune explique en détail le processus de mise en œuvre de Musig2, ainsi que les différences avec d'autres projets BTC Layer2 connus. Par exemple, la structure technologique sous-jacente d'un certain projet est basée sur le protocole tBTC. tBTC utilise des multi-signatures Bitcoin pour construire un réseau de signatures seuil, cette structure présentant une meilleure cohérence par rapport aux réseaux distribués traditionnels.

Cependant, tBTC reste un réseau de signatures multiples nécessitant 9 signatures. Pour réaliser véritablement un système qui ne dépend pas des individus mais plutôt de la conduite par le consensus, il est nécessaire de combiner le réseau de signatures multiples avec le mécanisme de consensus BFT PoS (preuve d'enjeu tolérante aux fautes byzantines). C'est aussi ce qui distingue les réseaux distribués de la blockchain : les réseaux distribués mettent l'accent sur la distribution, mais manquent d'un consensus tolérant aux fautes byzantines, tandis que la blockchain, bien qu'étant également un réseau distribué, s'appuie sur un consensus tolérant aux fautes byzantines pour fonctionner, et est donc un véritable réseau décentralisé.

Le plan de consensus Taproot adopte cette conception plus avancée. En combinant les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers SPV de Bitcoin ainsi que les mécanismes de consensus byzantins Aura et Grandpa, il a construit un schéma d'extension Layer2 décentralisé hautement cohérent et sécurisé. Cette fusion améliore non seulement l'évolutivité et la convivialité du réseau Bitcoin, mais garantit également la sécurité et la cohérence du réseau de deuxième couche.

Résumé

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

Taproot Consensus non seulement respecte et hérite de la direction technique originale de Bitcoin, mais il combine également les innovations techniques apportées par les mises à jour successives de Bitcoin, faisant de lui un véritable concentré de la technologie d'extension native de Bitcoin.

Avec le développement constant de l'écosystème Bitcoin, les gens commenceront à réaliser que de véritables solutions de couche 2 décentralisées pour Bitcoin sont le chemin incontournable du développement de l'écosystème Bitcoin, et que des solutions comme Taproot Consensus brilleront vraiment.