ビットコイン原生技術の集大成：デプス解析 タップルート コンセンサス 技術方案

2024年5月20日、あるビットコインLayer2開発チームが正式に《TAPROOT CONSENSUS：分散型BTC Layer2ソリューション》技術ハンドブックを発表しました。本書では、タップルートコンセンサスの実現方法や、シュノーア署名、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が詳細に説明されています。

全文を通読すると、このチームが提案したタップルートコンセンサスソリューションが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感じられます。ビットコインのコードに対して何の修正も行っておらず、ビットコインのいくつかのコア技術を巧妙に組み合わせており、シンプルな発想と精緻な構造を持っています。

正式なホワイトペーパーの解釈に入る前に、ビットコインの技術的発展の歴史を振り返ることが重要です。これにより、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の文脈から生まれたのかを理解できます。

一、ビットコイン技術発展簡史

2008年10月31日、中本聡は「ビットコイン：ある点対点の電子現金システム」という論文を発表し、ビットコインの完全な技術実現方案を正式に提案しました。論文の第八章ではSPV (Simple Payment Verification)解決策、すなわち簡単支払い検証について言及しています。これはビットコインの全ノードを運用することなく、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マイニングし、ビットコインの正式な誕生を示しました。注目すべきは、ビットコインの正式なコードが楕円曲線署名技術（ECDSA）を採用していることで、ビットコインにより適したシュノア署名技術ではないということです。これは当時、シュノア署名がまだオープンソースではなく、特許保護期間中であったためです。

シノール署名は、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ながら、ビットコインが最大で15重のマルチシグに制限されるという制約を突破し、最終的に1000以上のアドレスでビットコインを共同管理することが可能であり、署名速度には影響を与えません。

2018年、長年の検証を経て、ビットコインのコア開発者は正式に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勧めました。

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、ビットコインは新たな分散型マルチシグ時代に突入しました。

施ノール署名に加えて、Taproot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類似のスマートコントラクト機能を付与する技術であり、複数の条件分岐の契約ロジックをマークルツリーの形に整理することで実現し、ビットコインコードがスマートコントラクトに類似した機能を実行できるようにします（ただし、ビットコインの支払い検証に限られ、イーサリアムの複雑なスマートコントラクトとは異なります）。

シュノール署名はビットコインのマルチシグアドレスを1000以上に拡張でき、MASTはビットコインプログラムを通じてシュノール署名アドレスによるマルチシグを駆動することができます。したがって、シュノール署名 + MASTの組み合わせにより、人工的な署名を必要とせず、ビットコインコード命令によって駆動される分散型ビットコインマルチシグネットワークを実現できます。

これは、ビットコインが信頼を必要とせずに制限を突破し、セカンドレイヤーでより複雑で豊かなビジネスシナリオを実現できることを意味します。

そして、このチームが提案したタップルートコンセンサスソリューションは、ビットコインが2008年から2021年までの13年間の技術の進化の集大成です。

二、タップルートコンセンサス解決策の概要

Taprootコンセンサステクニカルイエローペーパーは次のように始まります: 「ビットコインネットワークの非チューリング完全の性質により、イーサリアムロールアップと同様のレイヤー2スケーリングスキームを直接実装する能力が制限されます。 ビットコインネットワークのスクリプトコントラクトレイヤーは、単純な転送操作しか実行できず、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はできません。 したがって、純粋にビットコインスクリプトレイヤーからレイヤー2拡張ソリューションを構築することは現実的ではありません。」

この説明は、ビットコインネットワークの非チューリング完全性と、ビットコインスクリプト契約がビットコイン送金操作のみを実行できる特性を高度に要約しています。したがって、ビットコインの拡張の正しい方向性は、ビットコインの第一層ネットワークで作業をするのではなく、ビットコインの既存の能力を利用して、完全に分散化されたビットコインの第二層拡張ソリューションを構築することです。

Taproot Consensusは、ビットコインのTaproot技術（Schnorr署名とMAST）、ビットコインSPVライトノード、およびBFT PoSコンセンサスメカニズムを統合し、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、TAPROOTコンセンサスアーキテクチャの詳細説明

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、ビットコインタップルートのアップグレードによってもたらされるこの2つのネイティブ技術を組み合わせることで、ビットコインの非中央集権的なマルチシグ管理を実現し、人間の署名を介さず、ビットコインコードを使用して駆動します。

これらのコードは、二層ネットワークによって達成されたコンセンサスによって駆動されます。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ビットコインの一層とどのように状態を同期させるか、これが Bitcoin SPV+BFT POS コンセンサス（Aura+Grandpa）の役割です。

Bitcoin SPV は中本創が提案した簡単な支払い検証方法で、フルノードを実行することなくビットコイン取引を同期および検証できます。この特性により、タップルートコンセンサスは完全に非中央集権的な環境で、いかなる許可も必要とせずに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汎用の高度な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（Substrateフレームワークで構築されたブロックチェーンは基本的にAura+Grandpaを使用しています）。

Taproot Consensusの3つの部分がどのように機能するかをまとめると、以下のようになります。

システム内では、各バリデーターは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になり、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（Merkle Abstract Syntax Tree）ツリーを形成します。

MASTツリーのルートハッシュが生成された後、バリデーターはMASTツリーで生成された閾値署名アドレスにBTCを転送し、刻印操作を行うことで、BTCメインネットから第2層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、各バリデーターはBitcoin SPV（簡易支払い検証）軽ノードとして機能し、安全かつ無許可でBTCネットワークの状態を同期することができます。

簡潔に言うと：

Taproot Consensus はビットコインのレイヤー1で Schnorr+Mast を使用して、分散型の BTC マルチシグ管理を構築し、レイヤー2で Bitcoin SPV ノードネットワークを実行します。あるレイヤー2ネットワークを例にすると、全てのビットコイン SPV ノードが実行されており、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することができるため、レイヤー2ネットワークとビットコインのレイヤー1の情報の同期を実現します。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、この方案はビットコイン SPV ノードネットワークと Aura+Grandpa を統合し、つまりビットコイン SPV ノードネットワークが BFT コンセンサスの安全レベルを備えることを可能にします。これは、レイヤー2ネットワークの資産を管理するのは特定のマルチシグではなく、BFT コンセンサスに依存していることを意味し、真の分散化を実現します。

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 ホワイトペーパーでは、シュノール署名、MAST、ビットコイン PSV ライトノード、Aura+Grandpa などの技術の実装詳細についても詳しく説明しています。ビットコインの最新技術を学びたい人にとって、このホワイトペーパーは非常に包括的で詳細な学習資料です。

さらに、ハンドブックはMusig2の実装プロセスと、他の有名なBTC Layer2プロジェクトとの違いを詳しく説明しています。

特定のプロジェクトの基盤技術構造はtBTCプロトコルに基づいています。tBTCは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ました。この構造は従来の分散型ネットワークと比較して、より強い一貫性を持っています。

しかし、tBTC は依然として 9 人の署名が必要なマルチシグネットワークです。人に依存せず、合意駆動を実現するためには、マルチシグネットワークと BFT PoS（ビザンチン耐障害性プルーフ・オブ・ステーク）コンセンサス機構を組み合わせる必要があります。これが分散型ネットワークとブロックチェーンの違いです。分散型ネットワークは分散を強調しますが、ビザンチン耐障害性の合意が欠けています。一方、ブロックチェーンも分散型ネットワークの一種ですが、ビザンチン耐障害性合意に依存して駆動されるため、真の分散型ネットワークです。

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ています。Schnorr署名、MAST、ビットコインSPV軽ノード、そしてAuraとGrandpaのビザンチン障害耐性コンセンサスメカニズムを組み合わせることで、高度な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計画と技術的詳細を体系的かつ包括的に説明し、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ビットコインのレイヤー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、ビットコインの歴代アップグレードから得られた技術を組み合わせて革新を行っており、真の意味でのビットコインのネイティブ拡張技術の集大成です。

ビットコインエコシステムの不断の発展に伴い、人々は徐々に、真の分散化されたビットコインの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とって必然の道であることを認識するようになるでしょう。そして、タップルートコンセンサスのこのようなソリューションが真に大きな輝きを放つことになるでしょう。

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