ビットコイン原生拡張技術の集大成：深入り解析 TAPROOT コンセンサス技術ホワイトペーパー

はじめに

最近、BEVMというビットコインLayer2開発チームが『Taproot Consensus：分散型BTC Layer2ソリューション』というタイトルの技術ホワイトペーパーを発表しました。この文書では、タップルートコンセンサスの実現方法や、シュノール署名、MAST、ビットコインSPVノードなどのビットコインネイティブ技術を利用して完全に分散型のBTC Layer2ソリューションを構築する方法について詳しく説明されています。

全文を通読すると、タップルートコンセンサス方案はビットコインのネイティブ拡張技術の集大成であることがわかります。ビットコインのコードに対して何の修正も行わず、ビットコインのいくつかのコア技術を巧みに統合し、シンプルで巧妙なデザイン思想を示しています。

黄皮書を深く解読する前に、ビットコインの技術発展の歴史を振り返る必要があり、タップルートコンセンサスがどのようにビットコインの進化から生まれたのかをよりよく理解するためです。

ボディ

一、ビットコイン技術発展回顧

2008年10月31日、中本聡は「ビットコイン：点対点電子キャッシュシステム」という論文を発表し、ビットコインの技術実装方法を初めて完全に説明しました。論文の第8章では、SPV（Simple Payment Verification）ソリューション、つまり簡単な支払い検証が提案されました。これは、完全なノードを実行することなく、ブロックヘッダーを保存するだけで支払いを検証できる技術手段です。

2009年1月3日、中本聡はヘルシンキの小型サーバーで創世ブロックを採掘し、ビットコインの正式な誕生を示しました。注目すべきは、ビットコインの初期コードが楕円曲線署名技術（ECDSA）を採用しており、ビットコインにより適したシュノール署名技術ではないことです。これは当時、シュノール署名がまだオープンソースではなく、特許保護期間中だったためです。

シュノール署名は、楕円曲線署名のすべての機能とセキュリティ仮定を保持しつつ、ビットコインが楕円曲線署名フレームワークの下で最大15重のマルチ署名しか実現できない制限を突破し、最終的に1000以上のアドレスがビットコインを共同管理でき、署名速度に影響を与えません。

2018年、何年もの検証を経て、ビットコインのコア開発者グレゴリー・マクスウェルらが正式にBIPを提案し、シュノール署名をビットコインネットワークに導入することを推奨しました。

2021年11月14日、ビットコインはタップルートアップグレードを完了し、シュノール署名が正式にビットコインネットワークに組み込まれ、全く新しい分散型マルチシグ時代が始まりました。シュノール署名に加えて、タップルートアップグレードはMAST（Merkelized Abstract Syntax Trees）、すなわちマークル抽象構文木を導入しました。これはビットコインにスマートコントラクトに似た機能を付与する技術です。

シュノール署名とMASTの組み合わせにより、ビットコインはコード指示に基づく分散型マルチシグネットワークを通じて、ビットコインのレイヤー2でより複雑で豊かなビジネスシナリオの実現への道を開きました。

そして、Taproot Consensus ソリューションは、ビットコインのこの 13 年間の技術的進化の集大成です。

二、タップルートコンセンサス解決策の概要

Taproot Consensus 技術のホワイトペーパーの冒頭では、ビットコインネットワークの非チューリング完全性が、イーサリアムの Rollup のような Layer2 拡張ソリューションを直接実現することを制限していると指摘しています。ビットコインネットワークのスクリプト契約層は単純な送金操作しか行えず、より複雑なスマートコントラクト機能をサポートすることができません。したがって、ビットコインのスクリプト層だけから Layer2 拡張ソリューションを構築することは不可能です。

この説明は、ビットコインネットワークの制限を高度に要約しており、ビットコインの拡張の正しい方向は、一層のネットワークで工夫をするのではなく、ビットコインの既存の能力を活用して、完全に分散化された二層の拡張ソリューションを構築することを指摘しています。

Taproot Consensus は、ビットコインのタップルート技術（Schnorr署名とMAST）、ビットコインSPV軽ノード、そしてBFT PoSコンセンサスメカニズムを融合させ、分散型で高度に一貫性のあるLayer2ネットワークを構築しました。

三、タップルートコンセンサスアーキテクチャの詳細

タップルートコンセンサスは、Schnorr+MAST、ビットコインSPV、およびAura+Grandpaの三つの部分で構成されています。

Schnorr+MASTは、ビットコインのタップルートアップグレードによってもたらされたこの2つのネイティブ技術を利用して組み合わせ、ビットコインの非中央集権的マルチシグ管理を実現し、手動署名は不要で、ビットコインコードによって駆動されます。

これらのコードは、二層ネットワークによって達成されるコンセンサスによって駆動されています。二層ネットワークがどのようにコンセンサスを達成し、これらのコンセンサスがどのようにビットコインの一層と状態を同期させるかは、Bitcoin SPV+BFT POSコンセンサス（Aura+Grandpa）によって実現されています。

ビットコイン SPV は中本聪が提唱した簡単な支払い検証方式で、フルノードを実行することなくビットコインの取引を同期し検証できます。この特性により、タップルートコンセンサスは完全に分散化された環境下で、何の許可も必要なく BTC の状態を同期できます。

Aura+Grandpaは、ビザンチンフォールトトレランスを実現する高度なPoSコンセンサスプロトコルであり、分散型プロトコルを通じてネットワークノードの高度な一貫性を確保します。

タップルートコンセンサスの運用原理は次のように要約できます：

システム内では、各バリデーターがSchnorr署名用のBTCプライベートキーを保持しています。Schnorr署名の特性により、効率的な署名の集約が可能となり、システムの安全性と効率性が向上します。Musig2マルチ署名スキームによって生成された集約公開鍵Paggは、大規模なMASTツリーを形成します。

MASTツリーのルートハッシュ値が生成された後、検証者はMASTツリーから生成された閾値署名アドレスにBTCを送金し、刻印操作を行うことで、BTCメインネットからセカンドレイヤーネットワークにデータを提出する機能を実現します。同時に、各検証者はBitcoin SPV軽ノードとして、BTCネットワークの状態を安全かつ無許可で同期できる。

要するに、Taproot Consensus はビットコインのレイヤー1で Schnorr+MAST を使用して去中心化の BTC マルチシグ管理を構築し、レイヤー2では Bitcoin SPV ノードネットワークを運営します。BEVM を例に挙げると、BEVM のレイヤー2ネットワークはすべてビットコイン SPV ノードを運営しており、これらのノードはビットコインのレイヤー1のデータ状態を同期させ、BEVM とビットコインのレイヤー1の情報を同期させることができます。レイヤー2ネットワークの安全性と信頼性を確保するために、BEVM はビットコイン SPV ノードネットワークと Aura+Grandpa を統合し、ビットコイン SPV ノードネットワークに BFT コンセンサスの安全レベルを持たせます。これは、ネットワーク資産を管理するのは特定のマルチシグの人々ではなく、BFT コンセンサスに依存して推進されることを意味し、真の去中心化を実現します。

###第四に、イエローブックのその他の技術的な詳細

上記の技術フレームワークに加えて、Taproot Consensus のホワイトペーパーでは、シュノール署名、MAST、ビットコイン SPV ライトノード、Aura+Grandpa などの技術の実装の詳細が詳しく説明されています。ビットコインの最新技術を学び、理解したい人にとって、このホワイトペーパーは包括的で詳細な学習資料です。

さらに、黄皮書では Musig2 の実装プロセスと、著名な BTC Layer2 プロジェクト Mezo との違いについても詳しく説明されています。

Mezoの基盤技術構造はtBTCプロトコルに基づいており、ビットコインのマルチシグを利用して閾値署名ネットワークを構築しています。従来の分散型ネットワークに比べて、一貫性が強いです。

しかし、tBTCは依然として9人の署名を必要とするマルチシグネットワークです。本当に人に依存せず、合意に基づいて推進するためには、マルチシグネットワークとBFT PoSコンセンサスメカニズムを組み合わせる必要があります。

タップルートコンセンサスの方案は、このより高度な設計を採用しました。Schnorr署名、MAST、ビットコインSPV軽ノード、AuraおよびGrandpaビザンチンフォールトトレランスコンセンサスメカニズムを組み合わせることにより、高い一貫性と安全性を持つ分散型Layer2拡張方案を構築しました。この融合は、ビットコインネットワークの拡張性と可用性を向上させるだけでなく、二層ネットワークの安全性と一貫性を確保します。

まとめ

この技術ホワイトペーパーは、タップルートコンセンサスの実装方法と技術的詳細を体系的に説明し、ビットコインのネイティブ技術に完全に基づいて構築されたレイヤー2ソリューションを示しています。

タップルートコンセンサスは、ビットコインの元々の技術方向を尊重し継承するだけでなく、ビットコインの過去のアップグレードによってもたらされた技術を組み合わせて革新を行い、ビットコインのネイティブな拡張技術の集大成といえる作品です。

ビットコインエコシステムの不断の発展に伴い、真に分散化された二層ソリューションがビットコインエコシステムの発展における必須の道となるでしょう。そして、タップルートコンセンサスのようなソリューションは、将来大きな注目を集めることが期待されています。

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