Bitcoin : une synthèse des technologies natives : analyse approfondie de la solution technique Taproot Consensus

Le 20 mai 2024, une équipe de développement de Layer2 de Bitcoin a officiellement publié le livre blanc technique intitulé "Taproot Consensus : une solution BTC Layer2 décentralisée". Ce document explique en détail la méthode de mise en œuvre de Taproot Consensus, ainsi que la manière d'utiliser des technologies natives de Bitcoin telles que les signatures Schnorr, MAST et les nœuds SPV de Bitcoin pour construire une solution BTC Layer2 complètement décentralisée.

Après avoir lu l'intégralité du texte, on peut sentir que la solution Taproot Consensus proposée par cette équipe est une œuvre maîtresse de la technologie d'extension native de Bitcoin. Elle ne modifie aucun code de Bitcoin, mais combine habilement plusieurs technologies clés de Bitcoin, avec une idée simple et une structure raffinée.

Avant de procéder à l'interprétation officielle du livre jaune, il est nécessaire de revoir l'évolution technologique de Bitcoin afin de comprendre comment le Consensus Taproot a émergé de l'évolution de Bitcoin.

I. Brève histoire du développement de la technologie Bitcoin

Le 31 octobre 2008, Satoshi Nakamoto a publié le document "Bitcoin : un système de monnaie électronique de pair à pair", présentant officiellement le plan technique complet pour Bitcoin. Le chapitre huit du document mentionne la solution SPV (Simple Payment Verification), c'est-à-dire la vérification de paiement simple, qui est une méthode technique permettant de vérifier les paiements sans avoir à exécuter un nœud complet de Bitcoin, il suffit de conserver l'en-tête du bloc.

Le 3 janvier 2009, Satoshi Nakamoto a miné le bloc de genèse sur un petit serveur à Helsinki, marquant la naissance officielle de Bitcoin. Il convient de noter que le code officiel de Bitcoin a utilisé la technologie de signature à courbe elliptique (ECDSA), plutôt que la technologie de signature Schnorr, qui serait plus adaptée à Bitcoin. Cela est dû au fait que la signature Schnorr n'était pas encore open source à l'époque et était toujours sous protection par brevet.

La signature Schnorr conserve toutes les fonctionnalités et hypothèses de sécurité de la signature par courbe elliptique, tout en dépassant la limite de 15 signatures multiples que peut réaliser Bitcoin, permettant finalement à plus de 1000 adresses de gérer Bitcoin conjointement sans affecter la vitesse de signature.

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

Le 14 novembre 2021, Bitcoin a achevé la mise à niveau Taproot, les signatures Schnorr ont été officiellement intégrées au réseau Bitcoin, et Bitcoin est entré dans une nouvelle ère de multi-signatures décentralisées.

En plus de la signature Schnorr, la mise à niveau Taproot a également introduit MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), c'est-à-dire des arbres de syntaxe abstraite de Merkle. C'est une technologie qui donne à Bitcoin des fonctionnalités similaires à celles des contrats intelligents, en organisant la logique contractuelle avec plusieurs branches conditionnelles sous la forme d'un arbre de Merkle, permettant au code Bitcoin d'exécuter des fonctions similaires à celles des contrats intelligents (mais limitées à la validation des paiements Bitcoin, contrairement aux contrats intelligents complexes d'Ethereum).

La signature Schnorr peut étendre les adresses multi-signatures Bitcoin à plus de 1000, tandis que MAST peut piloter les adresses de signature Schnorr pour la multi-signature via des programmes Bitcoin. Par conséquent, la combinaison de la signature Schnorr + MAST peut réaliser un réseau de multi-signatures Bitcoin décentralisé, piloté non par des signatures humaines, mais par des instructions de code Bitcoin.

Cela signifie que le Bitcoin peut dépasser une couche de limitations de manière décentralisée, permettant la réalisation de scénarios d'affaires plus complexes et plus riches au niveau deux.

Et la solution de consensus Taproot proposée par cette équipe est le summum des itérations technologiques du Bitcoin de 2008 à 2021.

Deux, aperçu de la solution de consensus Taproot

Le livre blanc de la technologie Taproot Consensus commence par souligner : "La nature non-Turing complète du réseau Bitcoin limite sa capacité à réaliser directement des solutions d'extension Layer2 similaires aux Rollups d'Ethereum. La couche de contrat script du réseau Bitcoin ne peut effectuer que des opérations de transfert simples, et ne peut pas soutenir des fonctionnalités de contrats intelligents plus complexes. Par conséquent, il est impraticable de construire une solution d'extension Layer2 uniquement à partir de la couche de script de Bitcoin."

Cette description résume de manière concise la non-turing-completude du réseau Bitcoin et les caractéristiques des contrats script de Bitcoin qui ne peuvent exécuter que des opérations de transfert de Bitcoin. Par conséquent, la bonne direction pour l'expansion de Bitcoin n'est pas de travailler sur le réseau de première couche de Bitcoin, mais plutôt d'utiliser les capacités existantes de Bitcoin pour construire une solution d'extension de deuxième couche entièrement décentralisée.

Taproot Consensus est la fusion de la technologie Taproot de Bitcoin (signatures Schnorr et MAST), des nœuds légers SPV de Bitcoin et du mécanisme de consensus BFT PoS, créant ainsi un réseau Layer2 décentralisé et hautement cohérent.

Trois, explication détaillée de l'architecture du consensus Taproot

Le consensus Taproot est composé de trois parties : Schnorr+Mast, Bitcoin SPV et Aura+Grandpa.

Schnorr+Mast, en combinant ces deux technologies natives apportées par la mise à niveau Taproot de Bitcoin, permet une gestion décentralisée des signatures multiples pour Bitcoin, sans avoir besoin de signatures manuelles, mais en utilisant le code Bitcoin pour fonctionner.

Ces codes sont alimentés par le consensus atteint par le réseau de deuxième couche. Comment le réseau de deuxième couche atteint un consensus et comment ce consensus réalise la synchronisation d'état avec la couche un de Bitcoin, c'est là que réside le rôle du 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 besoin d'exécuter un nœud complet. Cette caractéristique permet au Consensus Taproot de synchroniser l'état du BTC dans un environnement complètement décentralisé, sans nécessiter aucune autorisation.

Aura+Grandpa est un protocole de consensus PoS avancé et générique qui réalise une tolérance aux pannes byzantines, garantissant une cohérence élevée des nœuds du réseau grâce à un protocole distribué (la plupart des blockchains construites sur le framework Substrate utilisent Aura+Grandpa).

Résumé des trois parties du fonctionnement du Consensus Taproot :

Dans le système, chaque validateur détient une clé privée BTC pour la signature Schnorr. Les caractéristiques de la signature Schnorr permettent une agrégation efficace des signatures, améliorant ainsi la sécurité et l'efficacité du système. La clé publique agrégée Pagg générée par le schéma de signature multi-signature Musig2 forme un grand arbre MAST (Merkle Abstract Syntax Tree).

Une fois que la valeur de hachage racine de l'arbre MAST est générée, les validateurs effectuent un transfert de BTC et une opération de gravure vers l'adresse de signature par 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 (Simplified Payment Verification) de Bitcoin, lui permettant de synchroniser en toute sécurité et sans autorisation l'état du réseau BTC.

En résumé :

Taproot Consensus 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 un exemple d'un réseau de couche deux qui exécute tous des nœuds SPV Bitcoin, ces nœuds peuvent synchroniser l'état des données de la couche Bitcoin, permettant ainsi la synchronisation de l'information entre le réseau de couche deux et la couche Bitcoin. Afin d'assurer la sécurité et la fiabilité du réseau de couche deux, ce plan intègre le réseau de nœuds SPV Bitcoin avec Aura+Grandpa, ce qui permet au réseau de nœuds SPV Bitcoin de bénéficier d'un niveau de sécurité au niveau du consensus BFT. Cela signifie que la gestion des actifs du réseau de couche deux n'est pas assurée par certains multi-signataires, mais repose sur le consensus BFT pour fonctionner, 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 spécificités techniques de la signature Schnorr, MAST, les nœuds légers PSV Bitcoin, Aura+Grandpa, etc. Pour ceux qui souhaitent apprendre et comprendre les dernières technologies de Bitcoin, ce livre blanc constitue un matériel d'apprentissage très complet et détaillé.

De plus, le livre jaune explique en détail le processus de mise en œuvre de Musig2, ainsi que les différences avec d'autres projets BTC Layer2 connus.

Certain projets sont basés sur la structure technique sous-jacente du protocole tBTC. tBTC utilise des signatures multiples de Bitcoin pour construire un réseau de signatures de seuil, cette structure 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 le mécanisme de consensus BFT PoS (preuve de participation tolérante aux pannes byzantines). C'est également la différence entre un réseau distribué et la blockchain : le réseau distribué met l'accent sur la distribution, mais manque d'un consensus tolérant aux pannes byzantines, tandis que la blockchain, bien qu'étant également un réseau distribué, repose sur un consensus tolérant aux pannes byzantines pour fonctionner, ce qui en fait un véritable réseau décentralisé.

Le plan de consensus Taproot adopte ce design plus avancé. En combinant les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers SPV Bitcoin et les mécanismes de consensus tolérants aux pannes byzantines Aura et Grandpa, il construit une solution d'extension décentralisée de Layer2 hautement cohérente et sécurisée. Cette fusion améliore non seulement l'évolutivité et l'utilisabilité du réseau Bitcoin, mais assure également la sécurité et la cohérence du réseau de deuxième couche.

Résumé

Ce livre blanc technique décrit de manière systématique et complète le plan de mise en œuvre et les détails techniques du consensus Taproot, montrant une solution de couche deux Bitcoin entièrement construite sur la technologie native de Bitcoin.

Taproot Consensus non seulement respecte et hérite de l'orientation technologique originale de Bitcoin, mais combine également les technologies apportées par les mises à niveau successives de Bitcoin pour une innovation combinatoire, représentant une véritable synthèse des technologies d'expansion nativement de Bitcoin.

Avec le développement continu de l'écosystème Bitcoin, les gens vont progressivement réaliser que la véritable solution de couche deux décentralisée pour Bitcoin est le chemin incontournable pour le développement de l'écosystème Bitcoin, et que la solution Taproot Consensus brillera véritablement.