La culminación de la tecnología nativa de Bitcoin: Análisis profundo de la solución técnica de consenso Taproot

El 20 de mayo de 2024, un equipo de desarrollo de Layer2 de Bitcoin publicó oficialmente el libro blanco técnico titulado "Taproot Consensus: una solución descentralizada de BTC Layer2". El documento detalla la forma de implementación de Taproot Consensus, así como cómo utilizar la firma Schnorr, MAST, nodos SPV de Bitcoin y otras tecnologías nativas de Bitcoin para construir una solución completamente descentralizada de BTC Layer2.

Al leer el texto completo, se puede sentir que la solución de consenso Taproot propuesta por este equipo es la culminación de la tecnología de expansión nativa de Bitcoin. No ha realizado ninguna modificación al código de Bitcoin, sino que ha combinado ingeniosamente varias tecnologías clave de Bitcoin, con un enfoque simple y una estructura ingeniosa.

Antes de interpretar oficialmente el libro amarillo, es necesario revisar el desarrollo técnico de Bitcoin para entender cómo el Consenso Taproot surgió de la evolución de Bitcoin.

I. Breve historia del desarrollo tecnológico de Bitcoin

El 31 de octubre de 2008, Satoshi Nakamoto publicó el documento "Bitcoin: un sistema de efectivo electrónico de igual a igual", proponiendo oficialmente el plan de implementación técnica completo de Bitcoin. El capítulo ocho del documento menciona la solución SPV (Simple Payment Verification), es decir, la verificación de pagos simple, que es un medio técnico para verificar pagos sin necesidad de ejecutar un nodo completo de Bitcoin, solo requiere almacenar el encabezado del bloque.

El 3 de enero de 2009, Satoshi Nakamoto minó el bloque génesis en un pequeño servidor en Helsinki, marcando el nacimiento oficial de Bitcoin. Cabe destacar que el código oficial de Bitcoin utiliza la técnica de firma de curva elíptica (ECDSA), en lugar de la técnica de firma de Schnorr, que es más adecuada para Bitcoin. Esto se debe a que en ese momento, la firma de Schnorr aún no estaba disponible como código abierto y seguía bajo protección de patente.

La firma Schnorr conserva todas las funciones y suposiciones de seguridad de la firma de curva elíptica, mientras que supera la limitación de que Bitcoin solo puede realizar hasta 15 firmas múltiples, permitiendo finalmente gestionar más de 1000 direcciones de forma conjunta para Bitcoin sin afectar la velocidad de la firma.

En 2018, después de años de validación, los desarrolladores principales de Bitcoin propusieron oficialmente el BIP, sugiriendo introducir la firma Schnorr en la red de Bitcoin.

El 14 de noviembre de 2021, Bitcoin completó la actualización Taproot, la firma Schnorr se incorporó oficialmente a la red de Bitcoin, y Bitcoin entró en una nueva era de multi-firma descentralizada.

Además de las firmas de Schnorr, la actualización de Taproot también introdujo MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), que son árboles de sintaxis abstracta de Merkle. Esta es una técnica que otorga a Bitcoin funcionalidades similares a contratos inteligentes, organizando la lógica de contrato de múltiples ramificaciones de condiciones en forma de un árbol de Merkle, lo que permite que el código de Bitcoin ejecute funciones similares a las de los contratos inteligentes (pero limitadas a la verificación de pagos de Bitcoin, a diferencia de los complejos contratos inteligentes de Ethereum).

La firma Schnorr puede expandir las direcciones de múltiples firmas de Bitcoin a más de 1000, mientras que MAST puede activar las direcciones de firma Schnorr para múltiples firmas a través de programas de Bitcoin. Por lo tanto, la combinación de firma Schnorr + MAST puede lograr una red descentralizada de múltiples firmas de Bitcoin que no requiere firmas manuales, sino que es impulsada por instrucciones de código de Bitcoin.

Esto significa que Bitcoin puede superar una capa de limitaciones de manera descentralizada, logrando escenarios de negocio más complejos y ricos en la segunda capa.

Y la solución de consenso Taproot propuesta por este equipo es la culminación de 13 años de iteraciones tecnológicas de Bitcoin desde 2008 hasta 2021.

II. Resumen de la solución de consenso Taproot

El documento técnico de Taproot Consensus comienza señalando: "La naturaleza no Turing completa de la red Bitcoin limita su capacidad para implementar directamente soluciones de escalado Layer2 similares a Rollup de Ethereum. La capa de contratos de script de la red Bitcoin solo puede realizar operaciones de transferencia simples y no puede soportar funciones de contratos inteligentes más complejas. Por lo tanto, construir una solución de escalado Layer2 puramente desde la capa de scripts de Bitcoin no es factible."

Esta descripción resume de manera concisa la no perfección de Turing de la red Bitcoin, así como la característica de que los contratos de script de Bitcoin solo pueden realizar operaciones de transferencia de Bitcoin. Por lo tanto, la dirección correcta de la expansión de Bitcoin no es hacer cambios en la red de primera capa de Bitcoin, sino utilizar las capacidades existentes de Bitcoin para construir una solución de escalado de segunda capa completamente descentralizada para Bitcoin.

Taproot Consensus es la fusión de la tecnología Taproot de Bitcoin (firmas Schnorr y MAST), nodos ligeros SPV de Bitcoin y el mecanismo de consenso BFT PoS, construyendo así una red Layer2 descentralizada y altamente coherente.

Tres, explicación detallada de la arquitectura del consenso Taproot

El Consenso Taproot se compone de tres partes: Schnorr+Mast, Bitcoin SPV y Aura+Grandpa.

Schnorr+Mast, al combinar estas dos grandes tecnologías nativas que trae la actualización de Taproot de Bitcoin, puede lograr una gestión de múltiples firmas descentralizada de Bitcoin, sin necesidad de firmas manuales, sino utilizando el código de Bitcoin para impulsarla.

Estos códigos son impulsados por el consenso alcanzado por redes de segunda capa. Cómo alcanzan consenso las redes de segunda capa, y cómo estos consensos se sincronizan en estado con la capa uno de Bitcoin, es la función del consenso Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV es un método de verificación de pagos simple propuesto por Satoshi Nakamoto, que permite sincronizar y verificar transacciones de Bitcoin sin necesidad de ejecutar un nodo completo. Esta característica permite que el Consenso Taproot se sincronice con el estado de BTC en un entorno completamente descentralizado, sin necesidad de ningún permiso.

Aura+Grandpa es un protocolo de consenso PoS avanzado y general que implementa la tolerancia a fallos bizantinos, asegurando una alta consistencia entre los nodos de la red a través de un protocolo distribuido (casi todas las cadenas de bloques construidas con el marco Substrate utilizan Aura+Grandpa).

Resumen del funcionamiento de las tres partes del Consenso Taproot:

En el sistema, cada validador posee una clave privada de BTC para la firma Schnorr. Las características de la firma Schnorr permiten lograr una agregación de firmas eficiente, mejorando así la seguridad y la eficiencia del sistema. La clave pública agregada Pagg generada a través del esquema de firmas múltiples Musig2 forma un gran árbol MAST (Merkle Abstract Syntax Tree).

Después de generar el valor hash raíz del árbol MAST, los validadores realizan transferencias de BTC y operaciones de grabado a la dirección de firma umbral generada por el árbol MAST, logrando así la funcionalidad de enviar datos desde la red principal de BTC a la red de segunda capa. Al mismo tiempo, cada validador actúa como un nodo ligero SPV (Verificación de Pago Simplificada) de Bitcoin, lo que le permite sincronizar de manera segura y sin permisos el estado de la red BTC.

En resumen:

Taproot Consensus utiliza Schnorr+Mast en la capa uno de Bitcoin para construir una gestión descentralizada de BTC multisig, operando una red de nodos SPV de Bitcoin en la capa dos. Tomando como ejemplo una red de capa dos, toda ella opera nodos SPV de Bitcoin, los cuales pueden sincronizar el estado de los datos de la capa uno de Bitcoin, logrando así la sincronización de información entre la red de capa dos y la capa uno de Bitcoin. Para garantizar la seguridad y fiabilidad de la red de capa dos, este esquema fusiona la red de nodos SPV de Bitcoin con Aura+Grandpa, es decir, dotando a la red de nodos SPV de Bitcoin de un nivel de seguridad en el ámbito del consenso BFT. Esto significa que los activos de la red de capa dos no son gestionados por ciertos firmantes multisig, sino que dependen del consenso BFT para operar, logrando así una verdadera descentralización.

Cuatro, otros detalles técnicos del libro amarillo

Además del marco técnico mencionado anteriormente, el libro blanco de Taproot Consensus también explica en detalle la implementación de tecnologías como las firmas Schnorr, MAST, nodos ligeros PSV de Bitcoin, Aura+Grandpa, entre otras. Para aquellos que desean aprender y entender las últimas tecnologías de Bitcoin, este libro blanco es un material de estudio muy completo y detallado.

No solo eso, el libro amarillo también explica detalladamente el proceso de implementación de Musig2 y las diferencias con otros conocidos proyectos de BTC Layer2.

La estructura técnica subyacente de ciertos proyectos se basa en el protocolo tBTC. tBTC utiliza la firma múltiple de Bitcoin para construir una red de firma umbral, cuya estructura tiene una mayor consistencia en comparación con las redes distribuidas tradicionales.

Sin embargo, tBTC sigue siendo una red de múltiples firmas que requiere 9 firmas. Para lograr realmente un sistema que no dependa de personas, sino que esté impulsado por el consenso, es necesario combinar la red de múltiples firmas con el mecanismo de consenso BFT PoS (Prueba de Participación Bizantina). Esta es también la diferencia entre redes distribuidas y blockchain; las redes distribuidas enfatizan la distribución, pero carecen de un consenso de tolerancia a fallos bizantinos, mientras que la blockchain, aunque también es una red distribuida, se impulsa mediante un consenso de tolerancia a fallos bizantinos, lo que la convierte en una red verdaderamente descentralizada.

La solución Taproot Consensus adopta este diseño más avanzado. Al combinar firmas Schnorr, MAST, nodos ligeros SPV de Bitcoin y los mecanismos de consenso tolerantes a fallos de Byzantine Aura y Grandpa, se ha construido una solución de escalado descentralizada de Layer2 con alta consistencia y seguridad. Esta fusión no solo mejora la escalabilidad y la usabilidad de la red Bitcoin, sino que también garantiza la seguridad y consistencia de la red de segunda capa.

Resumen

Este libro blanco técnico describe de manera sistemática y completa el plan de implementación y los detalles técnicos del Consenso Taproot, mostrando una solución de segunda capa de Bitcoin completamente construida sobre la tecnología nativa de Bitcoin.

Taproot Consensus no solo respeta y hereda la dirección técnica original de Bitcoin, sino que también combina la innovación técnica traída por las actualizaciones de Bitcoin a lo largo del tiempo, siendo una verdadera obra maestra de la tecnología de expansión nativa de Bitcoin.

A medida que el ecosistema de Bitcoin continúa desarrollándose, las personas comenzarán a darse cuenta de que la verdadera solución de segunda capa descentralizada de Bitcoin es el camino inevitable para el desarrollo del ecosistema de Bitcoin, y soluciones como Taproot Consensus brillarán realmente.