L'aboutissement de la technologie d'extension native du Bitcoin : Analyse approfondie du livre blanc de la technologie Taproot Consensus

Introduction

Récemment, une équipe de développement de Layer2 Bitcoin nommée BEVM a publié un livre blanc technique intitulé "Taproot Consensus : une solution BTC Layer2 décentralisée". Ce document décrit en détail la méthode de mise en œuvre de Taproot Consensus, ainsi que comment utiliser des technologies natives de Bitcoin telles que les signatures Schnorr, MAST, et les nœuds SPV Bitcoin pour construire une solution BTC Layer2 complètement décentralisée.

Après avoir lu l'ensemble du texte, il n'est pas difficile de constater que le projet de consensus Taproot est une synthèse des technologies d'extension natives de Bitcoin. Il n'a apporté aucune modification au code de Bitcoin, mais a plutôt intégré de manière astucieuse plusieurs technologies clés de Bitcoin, mettant en avant une conception à la fois simple et ingénieuse.

Avant d'analyser en profondeur le livre jaune, il est nécessaire de revoir l'évolution technique de Bitcoin afin de mieux comprendre comment le Consensus Taproot a émergé de l'évolution de Bitcoin.

Texte

Une rétrospective sur le développement de la technologie Bitcoin

Le 31 octobre 2008, Satoshi Nakamoto a publié le document « Bitcoin : un système de monnaie électronique peer-to-peer », qui a présenté pour la première fois de manière complète la manière technique dont Bitcoin est réalisé. Le chapitre huit du document propose la solution SPV (Simple Payment Verification), qui est une méthode de vérification des paiements simple qui ne nécessite pas de faire fonctionner un nœud complet, mais qui peut vérifier les paiements simplement en conservant les en-têtes de bloc.

Le 3 janvier 2009, Satoshi Nakamoto a extrait le bloc de genèse sur un petit serveur à Helsinki, marquant la naissance officielle de Bitcoin. Il est à noter que le code initial de Bitcoin 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 encore sous protection par brevet.

La signature Schnorr conserve toutes les fonctionnalités et hypothèses de sécurité de la signature elliptique, tout en dépassant la limite de 15 signatures multiples que le Bitcoin peut réaliser dans le cadre de la signature elliptique. Elle permet finalement la gestion commune de plus de 1000 adresses pour le Bitcoin sans affecter la vitesse de signature.

En 2018, après de nombreuses années de validation, les développeurs principaux de Bitcoin, dont Gregory Maxwell, ont officiellement proposé le BIP, suggérant d'introduire la signature Schnorr dans le réseau Bitcoin.

Le 14 novembre 2021, Bitcoin a terminé la mise à niveau Taproot, et la signature Schnorr a été officiellement intégrée au réseau Bitcoin, ouvrant une nouvelle ère de signatures multiples décentralisées. En plus de la signature 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, une technologie qui confère à Bitcoin des fonctionnalités similaires à celles des contrats intelligents.

La combinaison de la signature Schnorr et de MAST permet à Bitcoin de fonctionner comme un réseau multi-signature décentralisé piloté par des instructions de code, ouvrant la voie à des scénarios d'affaires plus complexes et riches pour la mise en œuvre de la seconde couche de Bitcoin.

La solution Taproot Consensus est en effet le résultat de 13 années d'itération technologique sur Bitcoin.

Deux, aperçu de la solution de consensus Taproot

Le livre blanc sur la technologie Taproot Consensus commence par souligner que la nature non Turing-complete du réseau Bitcoin limite sa capacité à mettre en œuvre 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 fonctions de contrats intelligents plus complexes. Par conséquent, il n'est pas possible de construire une solution d'extension Layer2 uniquement à partir du niveau des scripts Bitcoin.

Cette description résume bien les limites du réseau Bitcoin, soulignant que la bonne direction pour l'expansion de Bitcoin n'est pas de travailler sur une couche de réseau, mais plutôt d'exploiter les capacités existantes de Bitcoin pour construire une solution d'extension de deuxième couche entièrement décentralisée.

Le Consensus Taproot est en fait une intégration de la technologie Taproot de Bitcoin (signatures Schnorr et MAST), des nœuds légers SPV de Bitcoin et du mécanisme de consensus BFT PoS, construisant ainsi un réseau Layer2 décentralisé et hautement cohérent.

Trois, Taproot Consensus Architecture Détails

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

Schnorr+MAST utilise ces deux technologies natives apportées par la mise à niveau Taproot de Bitcoin pour réaliser une gestion décentralisée des signatures multiples de Bitcoin, sans nécessiter de signatures manuelles, mais plutôt en étant piloté par le code Bitcoin.

Ces codes sont pilotés par le consensus atteint par le réseau de deuxième couche. Comment le réseau de deuxième couche atteint le consensus et comment ce consensus est synchronisé avec l'état de la couche un de Bitcoin est réalisé par le consensus Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV est une méthode de vérification de paiement simple proposée par Satoshi Nakamoto, permettant 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 complètement décentralisé, sans aucune autorisation.

Aura+Grandpa est un protocole de consensus PoS avancé qui réalise la tolérance aux pannes byzantines, garantissant une haute cohérence des nœuds du réseau grâce à un protocole distribué.

Le principe de fonctionnement de Taproot Consensus peut se résumer comme suit :

Dans le système, chaque validateur détient une clé privée BTC pour la signature Schnorr. Les caractéristiques des signatures Schnorr permettent d'implémenter une agrégation de signatures efficace, améliorant ainsi 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 couche deux. En même temps, chaque validateur agit en tant que nœud léger SPV Bitcoin, capable 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 multi-signatures BTC au niveau de la couche Bitcoin, tandis que le réseau de nœuds SPV Bitcoin fonctionne au niveau de la couche deux. Prenons l'exemple de BEVM, le réseau de couche deux de BEVM fonctionne entièrement avec des nœuds SPV Bitcoin, qui peuvent synchroniser l'état des données de la couche Bitcoin, réalisant ainsi une synchronisation d'informations entre BEVM et la couche Bitcoin. Pour garantir la sécurité et la fiabilité du réseau de couche deux, BEVM intègre le réseau de nœuds SPV Bitcoin avec Aura+Grandpa, permettant au réseau de nœuds SPV Bitcoin d'atteindre un niveau de sécurité au niveau du consensus BFT. Cela signifie que la gestion des actifs du réseau n'est pas assurée par certains multi-signataires, mais repose sur le consensus BFT pour opérer, réalisant ainsi une véritable décentralisation.

Quatre, autres détails techniques du livre jaune

En plus du cadre technique mentionné ci-dessus, le livre blanc Taproot Consensus explique également en détail les détails de mise en œuvre de la signature Schnorr, MAST, les nœuds légers SPV de Bitcoin, Aura+Grandpa, et d'autres technologies. Pour ceux qui souhaitent apprendre et comprendre les dernières technologies de Bitcoin, ce livre blanc est une ressource d'apprentissage complète et détaillée.

De plus, le livre jaune explique en détail le processus de mise en œuvre de Musig2, ainsi que la différence avec le projet Mezo, un projet BTC Layer2 bien connu.

La structure technique sous-jacente de Mezo est basée sur le protocole tBTC, utilisant des signatures multiples de Bitcoin pour construire un réseau de signatures de seuil, offrant une cohérence plus forte par rapport aux réseaux distribués traditionnels.

Cependant, tBTC reste un réseau multi-signatures nécessitant 9 signatures. Pour réaliser véritablement un système qui ne repose pas sur des individus mais sur un consensus, il est nécessaire de combiner le réseau multi-signatures avec un mécanisme de consensus BFT PoS.

Le projet Taproot Consensus adopte cette conception plus avancée. En combinant les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers SPV de Bitcoin ainsi que les mécanismes de consensus byzantin Aura et Grandpa, il construit une solution de mise à l'échelle décentralisée Layer2 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 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.

Le Consensus Taproot respecte et hérite non seulement de la direction technique originale de Bitcoin, mais il combine également les innovations technologiques apportées par les diverses mises à niveau de Bitcoin, ce qui en fait une réalisation complète de la technologie d'extension native de Bitcoin.

Avec le développement continu de l'écosystème Bitcoin, les solutions de couche deux véritablement décentralisées deviendront un passage obligé pour le développement de l'écosystème Bitcoin, et des solutions comme Taproot Consensus devraient briller à l'avenir.