Tác phẩm tổng hợp của công nghệ mở rộng bản gốc Bitcoin: Phân tích sâu tài liệu kỹ thuật Taproot Consensus

Lời mở đầu

Gần đây, một nhóm phát triển Layer2 Bitcoin có tên là BEVM đã phát hành một tài liệu kỹ thuật có tiêu đề "Taproot Consensus: Một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này trình bày chi tiết phương pháp thực hiện Taproot Consensus, cũng như cách sử dụng chữ ký Schnorr, MAST, nút SPV Bitcoin và các công nghệ gốc khác của Bitcoin để xây dựng một giải pháp BTC Layer2 hoàn toàn phi tập trung.

Đọc toàn văn, không khó để nhận ra rằng giải pháp Taproot Consensus là một sự tổng hợp hoàn hảo của công nghệ mở rộng gốc của Bitcoin. Nó không sửa đổi bất kỳ mã nào của Bitcoin, mà khéo léo tích hợp một số công nghệ cốt lõi của Bitcoin, thể hiện một tư duy thiết kế đơn giản và tinh tế.

Trước khi đi sâu vào phân tích sách vàng, chúng ta cần xem xét lại quá trình phát triển công nghệ của Bitcoin để hiểu rõ hơn về cách mà Taproot Consensus đã ra đời từ sự tiến hóa của Bitcoin.

Nội dung

Một, sự phát triển công nghệ Bitcoin

Vào ngày 31 tháng 10 năm 2008, Satoshi Nakamoto đã công bố bài báo "Bitcoin: Một hệ thống tiền điện tử ngang hàng", lần đầu tiên trình bày đầy đủ cách thức thực hiện công nghệ của Bitcoin. Chương 8 của bài báo đưa ra giải pháp SPV (Xác minh thanh toán đơn giản), tức là xác minh thanh toán đơn giản, đây là một phương pháp kỹ thuật cho phép xác minh thanh toán mà không cần chạy nút đầy đủ, chỉ bằng cách lưu giữ tiêu đề khối.

Vào ngày 3 tháng 1 năm 2009, Satoshi Nakamoto đã khai thác khối genesis trên một máy chủ nhỏ ở Helsinki, đánh dấu sự ra đời chính thức của Bitcoin. Đáng chú ý là mã nguồn ban đầu của Bitcoin sử dụng công nghệ chữ ký đường ellip (ECDSA), chứ không phải công nghệ chữ ký Schnorr phù hợp hơn với Bitcoin. Điều này là do vào thời điểm đó, chữ ký Schnorr vẫn chưa được mã nguồn mở và vẫn đang trong thời gian bảo hộ bằng sáng chế.

Chữ ký Schnorr giữ lại tất cả các chức năng và giả định an toàn của chữ ký đường cong ellip, đồng thời vượt qua giới hạn tối đa chỉ có thể thực hiện 15 chữ ký đa ký trong khung chữ ký đường cong ellip của Bitcoin, cuối cùng có thể quản lý hơn 1000 địa chỉ cùng một lúc mà không ảnh hưởng đến tốc độ ký.

Vào năm 2018, sau nhiều năm kiểm tra, các nhà phát triển cốt lõi của Bitcoin như Gregory Maxwell chính thức đề xuất BIP, khuyến nghị đưa chữ ký Schnorr vào mạng Bitcoin.

Vào ngày 14 tháng 11 năm 2021, Bitcoin đã hoàn thành nâng cấp Taproot, chữ ký Schnorr chính thức được đưa vào mạng Bitcoin, mở ra một kỷ nguyên mới của đa chữ ký phi tập trung. Ngoài chữ ký Schnorr, nâng cấp Taproot còn giới thiệu MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), tức là cây cú pháp trừu tượng Merkel, một công nghệ cung cấp chức năng tương tự như hợp đồng thông minh cho Bitcoin.

Sự kết hợp giữa chữ ký Schnorr và MAST đã mở đường cho Bitcoin có thể kích hoạt các mạng đa ký phi tập trung thông qua các lệnh mã, từ đó cho phép Bitcoin Layer 2 thực hiện những kịch bản kinh doanh phức tạp và phong phú hơn.

Giải pháp Taproot Consensus chính là sản phẩm tổng hợp của 13 năm phát triển công nghệ Bitcoin.

Hai, Tổng quan về giải pháp đồng thuận Taproot

Bản trắng về công nghệ Taproot Consensus mở đầu chỉ ra rằng, tính không hoàn chỉnh của mạng Bitcoin đã hạn chế khả năng thực hiện trực tiếp các giải pháp mở rộng Layer2 tương tự như Rollup của Ethereum. Lớp hợp đồng script của mạng Bitcoin chỉ có thể thực hiện các giao dịch chuyển tiền đơn giản, không thể hỗ trợ các chức năng hợp đồng thông minh phức tạp hơn. Do đó, việc chỉ xây dựng các giải pháp mở rộng Layer2 từ lớp script của Bitcoin là không khả thi.

Mô tả này tóm tắt một cách cao độ những giới hạn của mạng Bitcoin, chỉ ra rằng hướng mở rộng đúng đắn của Bitcoin không phải là cải tiến trên một mạng lớp một, mà là tận dụng khả năng hiện có của Bitcoin để xây dựng một giải pháp mở rộng lớp hai hoàn toàn phi tập trung.

Taproot Consensus chính là sự kết hợp giữa công nghệ Taproot của Bitcoin (chữ ký Schnorr và MAST), nút nhẹ SPV Bitcoin và cơ chế đồng thuận BFT PoS, xây dựng một mạng lưới Layer2 phi tập trung và đồng nhất cao.

Ba, Chi tiết kiến trúc Đồng thuận Taproot

Taproot Consensus được cấu thành từ ba phần: Schnorr+MAST, Bitcoin SPV và Aura+Grandpa.

Schnorr+MAST kết hợp hai công nghệ gốc được mang lại bởi sự nâng cấp Taproot của Bitcoin để thực hiện quản lý đa chữ ký phi tập trung của Bitcoin, mà không cần chữ ký thủ công, mà được điều khiển bởi mã Bitcoin.

Những mã này được điều khiển bởi sự đồng thuận đạt được từ mạng lớp hai. Cách mà mạng lớp hai đạt được sự đồng thuận, cũng như cách mà sự đồng thuận này đồng bộ trạng thái với lớp một của Bitcoin, được thực hiện thông qua sự đồng thuận Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV là phương thức xác minh thanh toán đơn giản được Satoshi Nakamoto đề xuất, không cần chạy nút đầy đủ để đồng bộ và xác minh giao dịch Bitcoin. Tính năng này cho phép Taproot Consensus đồng bộ trạng thái BTC trong môi trường hoàn toàn phi tập trung mà không cần bất kỳ sự cho phép nào.

Aura+Grandpa là giao thức đồng thuận PoS cao cấp đạt được khả năng chịu lỗi Byzantine, đảm bảo tính nhất quán cao của các nút mạng thông qua giao thức phân tán.

Nguyên lý hoạt động của Taproot Consensus có thể được tóm tắt như sau:

Trong hệ thống, mỗi validator đều nắm giữ một khóa riêng BTC để ký Schnorr. Đặc điểm của chữ ký Schnorr cho phép thực hiện hợp nhất chữ ký hiệu quả, nâng cao tính bảo mật và hiệu quả của hệ thống. Khóa công khai hợp nhất Pagg được tạo ra thông qua giải pháp ký nhiều Musig2, tạo thành một cây MAST lớn.

Sau khi giá trị băm gốc của cây MAST được tạo ra, các xác thực viên thực hiện chuyển BTC và thao tác khắc bằng cách gửi đến địa chỉ chữ ký ngưỡng được tạo ra từ cây MAST, nhằm thực hiện chức năng gửi dữ liệu từ mạng chính BTC sang mạng lớp hai. Đồng thời, mỗi xác thực viên đều hoạt động như một nút nhẹ SPV Bitcoin, có khả năng đồng bộ hóa trạng thái mạng BTC một cách an toàn và không cần giấy phép.

Nói ngắn gọn, Taproot Consensus xây dựng quản lý đa ký BTC phi tập trung trên lớp một của Bitcoin bằng cách sử dụng Schnorr+MAST, và lớp hai chạy mạng nút SPV của Bitcoin. Lấy BEVM làm ví dụ, toàn bộ mạng lớp hai của BEVM chạy nút SPV của Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, đạt được đồng bộ thông tin giữa BEVM và lớp một Bitcoin. Để đảm bảo mạng lớp hai an toàn và đáng tin cậy, BEVM kết hợp mạng nút SPV của Bitcoin với Aura+Grandpa, khiến mạng nút SPV của Bitcoin có được mức độ an toàn ở cấp độ đồng thuận BFT. Điều này có nghĩa là không phải một số người đa ký quản lý tài sản mạng, mà là dựa vào đồng thuận BFT để thúc đẩy, từ đó đạt được phi tập trung thực sự.

Bốn, Các chi tiết kỹ thuật khác của sách vàng

Ngoài khung công nghệ đã nêu, sách trắng Taproot Consensus còn giải thích chi tiết về các kỹ thuật như chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ SPV Bitcoin, Aura+Grandpa và các chi tiết thực hiện khác. Đối với những ai muốn học hỏi và hiểu biết về công nghệ mới nhất của Bitcoin, sách trắng này là một tài liệu học tập toàn diện và chi tiết.

Ngoài ra, sách vàng còn giải thích chi tiết quá trình thực hiện của Musig2, cũng như sự khác biệt với dự án Mezo nổi tiếng trên Layer2 của BTC.

Cấu trúc công nghệ nền tảng của Mezo dựa trên giao thức tBTC, sử dụng Bitcoin multi-sign để xây dựng một mạng chữ ký ngưỡng, có tính nhất quán mạnh mẽ hơn so với mạng phân tán truyền thống.

Tuy nhiên, tBTC vẫn là một mạng lưới đa chữ ký cần 9 người ký. Để thực sự đạt được điều này mà không phụ thuộc vào con người mà dựa vào sự đồng thuận, cần kết hợp mạng lưới đa chữ ký với cơ chế đồng thuận BFT PoS.

Giải pháp Taproot Consensus đã áp dụng thiết kế tiên tiến hơn này. Bằng cách kết hợp chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ SPV Bitcoin và cơ chế đồng thuận Byzantine Aura và Grandpa, đã xây dựng một giải pháp mở rộng Layer2 phi tập trung với độ nhất quán và an toàn cao. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao khả năng mở rộng và tính khả dụng của mạng Bitcoin mà còn đảm bảo tính an toàn và nhất quán của mạng lớp hai.

Tóm tắt

Bản tài liệu kỹ thuật này mô tả một cách toàn diện kế hoạch triển khai và chi tiết kỹ thuật của Taproot Consensus, thể hiện một giải pháp lớp hai hoàn toàn được xây dựng dựa trên công nghệ gốc của Bitcoin.

Taproot Consensus không chỉ tôn trọng và kế thừa hướng công nghệ ban đầu của Bitcoin, mà còn kết hợp những công nghệ được cải tiến từ các lần nâng cấp của Bitcoin để tạo ra sự đổi mới, xứng đáng được coi là tác phẩm tổng hợp của công nghệ mở rộng gốc của Bitcoin.

Với sự phát triển không ngừng của hệ sinh thái Bitcoin, các giải pháp lớp hai thực sự phi tập trung sẽ trở thành con đường tất yếu cho sự phát triển của hệ sinh thái Bitcoin, trong khi giải pháp Taproot Consensus hứa hẹn sẽ tỏa sáng trong tương lai.