A obra-prima da tecnologia de expansão nativa do Bitcoin: Análise profunda do livro branco da tecnologia Taproot Consensus

Introdução

Recentemente, uma equipe de desenvolvimento chamada BEVM lançou um white paper técnico intitulado "Taproot Consensus: uma solução BTC Layer2 descentralizada". O documento detalha o método de implementação do Taproot Consensus, bem como como usar assinaturas Schnorr, MAST, nós SPV do Bitcoin e outras tecnologias nativas do Bitcoin para construir uma solução BTC Layer2 completamente descentralizada.

Após ler o texto na íntegra, não é difícil perceber que a proposta de Consenso Taproot é uma síntese das tecnologias nativas de expansão do Bitcoin. Ela não modificou o código do Bitcoin, mas integrou de forma inteligente várias tecnologias centrais do Bitcoin, demonstrando uma abordagem de design simples e engenhosa.

Antes de uma análise aprofundada do livro amarelo, é necessário revisitar o desenvolvimento tecnológico do Bitcoin, para melhor compreender como o Consenso Taproot surgiu da evolução do Bitcoin.

Texto

Uma revisão do desenvolvimento da tecnologia Bitcoin

Em 31 de outubro de 2008, Satoshi Nakamoto publicou o artigo "Bitcoin: Um Sistema de Dinheiro Eletrônico Peer-to-Peer", que descreveu pela primeira vez de forma completa a implementação técnica do Bitcoin. O oitavo capítulo do artigo apresenta a solução SPV (Simple Payment Verification), que é a verificação de pagamentos simples, uma técnica que permite validar pagamentos sem a necessidade de executar um nó completo, apenas armazenando o cabeçalho do bloco.

No dia 3 de janeiro de 2009, Satoshi Nakamoto minerou o bloco gênese em um pequeno servidor em Helsinque, marcando o nascimento oficial do Bitcoin. É importante notar que o código inicial do Bitcoin utilizou a tecnologia de assinatura de curva elíptica (ECDSA), em vez da tecnologia de assinatura de Schnorr, que seria mais adequada para o Bitcoin. Isso se deve ao fato de que, na época, a assinatura de Schnorr ainda não havia sido open-source e estava sob proteção de patente.

A assinatura Schnorr mantém todas as funcionalidades e suposições de segurança da assinatura de curva elíptica, ao mesmo tempo que ultrapassa a limitação de múltiplas assinaturas de até 15 que o Bitcoin pode realizar sob o quadro de assinatura de curva elíptica, permitindo finalmente a gestão conjunta de mais de 1000 endereços de Bitcoin sem afetar a velocidade da assinatura.

Em 2018, após anos de validação, os desenvolvedores principais do Bitcoin, Gregory Maxwell e outros, apresentaram oficialmente o BIP, sugerindo a introdução de assinaturas Schnorr na rede Bitcoin.

No dia 14 de novembro de 2021, o Bitcoin completou a atualização Taproot, com as assinaturas Schnorr oficialmente integradas à rede Bitcoin, inaugurando uma nova era de multi-assinatura descentralizada. Além das assinaturas Schnorr, a atualização Taproot também introduziu o MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), ou seja, árvores de sintaxe abstrata de Merkle, que é uma tecnologia que confere ao Bitcoin funcionalidades semelhantes a contratos inteligentes.

A combinação da assinatura Schnorr com o MAST permite que o Bitcoin seja impulsionado por uma rede de múltiplas assinaturas descentralizada, conduzida por instruções de código, abrindo caminho para a implementação de cenários de negócios mais complexos e ricos na segunda camada do Bitcoin.

E a solução de consenso Taproot é a culminação de 13 anos de iteração tecnológica do Bitcoin.

Dois, Visão Geral da Solução de Consenso Taproot

O white paper da tecnologia Taproot Consensus começa apontando que a natureza não Turing-completa da rede Bitcoin limita sua capacidade de implementar diretamente soluções de escalonamento Layer2 semelhantes ao Rollup do Ethereum. A camada de contratos de script da rede Bitcoin só pode realizar operações de transferência simples, não conseguindo suportar funcionalidades de contratos inteligentes mais complexas. Portanto, construir uma solução de escalonamento Layer2 apenas a partir da camada de scripts do Bitcoin não é viável.

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

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

Três, Detalhes da Estrutura do Consenso Taproot

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

Schnorr+MAST utiliza as duas tecnologias nativas trazidas pela atualização Taproot do Bitcoin para combinar e implementar a gestão descentralizada de múltiplas assinaturas do Bitcoin, sem a necessidade de assinaturas manuais, mas sim impulsionada pelo código do Bitcoin.

Esse código é impulsionado pelo consenso alcançado pela rede de segunda camada. Como a rede de segunda camada alcança consenso e como esse consenso se sincroniza com o estado da camada um do Bitcoin é realizado através do consenso Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV é um método de validação de pagamentos simples proposto por Satoshi Nakamoto, que permite sincronizar e validar transações de Bitcoin sem a necessidade de executar um nó completo. Esta característica permite que o Consenso Taproot possa sincronizar o estado do BTC em um ambiente completamente descentralizado, sem necessidade de qualquer permissão.

Aura+Grandpa é um protocolo de consenso PoS avançado que implementa tolerância a falhas bizantinas, garantindo a alta consistência dos nós da rede através de um protocolo distribuído.

O funcionamento do Taproot Consensus pode ser resumido da seguinte forma:

No sistema, cada validador possui uma chave privada BTC para assinaturas Schnorr. As características das assinaturas Schnorr permitem a realização de agregação de assinaturas eficiente, aumentando a segurança e eficiência do sistema. A chave pública agregada Pagg gerada pelo esquema de assinatura múltipla Musig2 forma uma grande árvore MAST.

Após a geração do valor hash da raiz da árvore MAST, os validadores realizam transferências de BTC e operações de gravação para o endereço de assinatura de limite gerado pela árvore MAST, implementando a funcionalidade de submissão de dados da rede principal BTC para a rede de segunda camada. Ao mesmo tempo, cada validador atua como um nó leve SPV do Bitcoin, conseguindo sincronizar o estado da rede BTC de forma segura e sem permissão.

Em resumo, o consenso Taproot constrói a gestão descentralizada de BTC multi-assinatura na camada um do Bitcoin usando Schnorr+MAST, enquanto a camada dois opera a rede de nós SPV do Bitcoin. Tomando como exemplo a BEVM, toda a rede de camada dois da BEVM opera nós SPV do Bitcoin, que podem sincronizar o estado dos dados da camada um do Bitcoin, permitindo a sincronização de informações entre a BEVM e a camada um do Bitcoin. Para garantir a segurança e confiabilidade da rede de camada dois, a BEVM integra a rede de nós SPV do Bitcoin com Aura+Grandpa, conferindo à rede de nós SPV do Bitcoin um nível de segurança no âmbito do consenso BFT. Isso significa que não são certos multi-signatários que gerenciam os ativos da rede, mas sim que a gestão é impulsionada pelo consenso BFT, alcançando assim uma verdadeira descentralização.

Quatro, outros detalhes técnicos do livro amarelo

Além da estrutura técnica mencionada acima, o livro branco do Taproot Consensus também explica em detalhes a implementação de tecnologias como assinaturas Schnorr, MAST, nós leves SPV do Bitcoin, Aura+Grandpa, entre outras. Para aqueles que desejam aprender e entender as tecnologias mais recentes do Bitcoin, este livro branco é um material de estudo abrangente e detalhado.

Além disso, o livro amarelo explica detalhadamente o processo de implementação do Musig2, bem como as diferenças em relação ao conhecido projeto BTC Layer2 Mezo.

A estrutura técnica subjacente do Mezo é baseada no protocolo tBTC, utilizando assinaturas múltiplas do Bitcoin para construir uma rede de assinaturas em limite, que possui uma consistência mais forte em comparação com redes distribuídas tradicionais.

No entanto, o tBTC ainda é uma rede de múltiplas assinaturas que requer 9 assinaturas. Para realmente alcançar um sistema que não dependa de pessoas, mas sim de um consenso, é necessário combinar a rede de múltiplas assinaturas com um mecanismo de consenso BFT PoS.

A solução Taproot Consensus adotou este design mais avançado. Ao combinar assinaturas Schnorr, MAST, nós leves SPV Bitcoin e os mecanismos de consenso tolerantes a falhas bizantinas Aura e Grandpa, construiu-se uma solução de extensão descentralizada Layer2 com alta consistência e segurança. Esta fusão não só melhorou a escalabilidade e usabilidade da rede Bitcoin, mas também garantiu a segurança e consistência da rede de segunda camada.

Resumo

Este livro branco técnico descreve de forma abrangente o plano de 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 direção técnica original do Bitcoin, mas também combina inovações técnicas trazidas pelas atualizações do Bitcoin, sendo considerado a obra-prima da tecnologia de escalabilidade nativa do Bitcoin.

Com o contínuo desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, soluções de segunda camada verdadeiramente descentralizadas se tornarão um caminho obrigatório para o desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, enquanto a solução Taproot Consensus tem a esperança de brilhar no futuro.