A culminação da tecnologia nativa do Bitcoin: Análise profunda da solução técnica Taproot Consensus

No dia 20 de maio de 2024, uma equipe de desenvolvimento de Bitcoin Layer2 lançou oficialmente o white paper técnico intitulado "Taproot Consensus: uma solução BTC Layer2 descentralizada". O documento detalha a forma de implementação do Taproot Consensus, bem como como utilizar assinaturas Schnorr, MAST, nós SPV de Bitcoin e outras tecnologias nativas do Bitcoin para construir uma solução BTC Layer2 completamente descentralizada.

Após ler o texto completo, pode-se sentir que a solução Taproot Consensus proposta por esta equipe é a culminação da tecnologia de expansão nativa do Bitcoin. Ela não modifica o código do Bitcoin, mas combina de forma inteligente várias tecnologias centrais do Bitcoin, com uma abordagem simples e uma estrutura engenhosa.

Antes de interpretar oficialmente o livro amarelo, é necessário rever o percurso de desenvolvimento técnico do Bitcoin, para entender como o Consenso Taproot surgiu da evolução do Bitcoin.

I. Breve História do Desenvolvimento da Tecnologia Bitcoin

No dia 31 de outubro de 2008, Satoshi Nakamoto publicou o artigo "Bitcoin: um sistema de dinheiro eletrônico peer-to-peer", apresentando formalmente a implementação técnica completa do Bitcoin. O oitavo capítulo do artigo menciona a solução SPV (Simple Payment Verification), que é a verificação de pagamento simples, uma técnica que permite verificar pagamentos sem a necessidade de executar um nó completo do Bitcoin, bastando guardar 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. Vale ressaltar que o código oficial do Bitcoin utiliza 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 liberada como código aberto e ainda estava sob proteção de patente.

As assinaturas Schnorr mantiveram todas as funções e suposições de segurança das assinaturas de curva elíptica, ao mesmo tempo que superaram a limitação do Bitcoin de poder realizar no máximo 15 assinaturas múltiplas, 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 centrais do Bitcoin propuseram oficialmente o BIP, sugerindo a introdução de assinaturas Schnorr na rede Bitcoin.

Em 14 de novembro de 2021, o Bitcoin concluiu a atualização Taproot, com a assinatura Schnorr oficialmente integrada na rede Bitcoin, levando o Bitcoin a uma nova era de multi-assinatura descentralizada.

Além das assinaturas Schnorr, a atualização Taproot também introduziu o MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), ou árvores de sintaxe abstrata de Merkle. Esta é uma tecnologia que confere ao Bitcoin funcionalidades semelhantes a contratos inteligentes, organizando a lógica contratual de múltiplos ramos condicionais na forma de uma árvore de Merkle, permitindo que o código do Bitcoin execute funcionalidades semelhantes a contratos inteligentes (mas limitadas à validação de pagamentos em Bitcoin, diferenciando-se dos complexos contratos inteligentes do Ethereum).

A assinatura Schnorr pode expandir endereços multi-assinatura de Bitcoin para mais de 1000, enquanto o MAST pode acionar endereços de assinatura Schnorr para múltiplas assinaturas através de programas de Bitcoin. Assim, a combinação de assinatura Schnorr + MAST pode realizar uma rede de multi-assinaturas de Bitcoin descentralizada que é acionada por instruções de código Bitcoin, sem a necessidade de assinaturas manuais.

Isso significa que o Bitcoin pode ultrapassar uma camada de limitações de forma não confiável, realizando cenários de negócios mais complexos e ricos na segunda camada.

E a solução de consenso Taproot proposta por esta equipe é, de fato, a culminação de 13 anos de iterações tecnológicas do Bitcoin, de 2008 a 2021.

Dois, Visão Geral da Solução de Consenso Taproot

O livro branco da tecnologia Taproot Consensus começa afirmando: "A natureza não Turing completa da rede Bitcoin limita a sua capacidade de implementar diretamente soluções de escalabilidade Layer2 semelhantes ao Rollup do Ethereum. A camada de contratos de script da rede Bitcoin só pode realizar operações simples de transferência, não suportando funcionalidades mais complexas de contratos inteligentes. Portanto, é inviável construir soluções de escalabilidade Layer2 puramente a partir da camada de script do Bitcoin."

Esta descrição resume de forma concisa a não Turing-completude da rede Bitcoin, bem como a característica de que os contratos de script Bitcoin só podem executar operações de transferência de Bitcoin. Assim, a direção correta para a expansão do Bitcoin não é trabalhar na rede de camada um do Bitcoin, mas sim utilizar as capacidades existentes do Bitcoin para construir uma solução de escalonamento de camada dois totalmente descentralizada para Bitcoin.

Taproot Consensus é a fusão da tecnologia Taproot do Bitcoin (assinaturas Schnorr e MAST), dos nós leves SPV do Bitcoin e do mecanismo de consenso BFT PoS, criando uma rede Layer2 descentralizada e altamente consistente.

Três, Detalhes da Arquitetura do Consenso Taproot

O consenso Taproot é composto por três partes: Schnorr+Mast, Bitcoin SPV e Aura+Grandpa.

Schnorr+Mast, utilizando as duas grandes tecnologias nativas trazidas pela atualização Taproot do Bitcoin, pode realizar a gestão descentralizada de multi-assinaturas do Bitcoin, sem a necessidade de assinaturas manuais, mas sim utilizando o código do Bitcoin para impulsionar.

Este 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 isso que faz o consenso Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV é um método de verificação de pagamentos simples proposto por Satoshi Nakamoto, que permite sincronizar e verificar transações de Bitcoin sem a necessidade de executar um nó completo. Essa característica permite que o Consenso Taproot funcione em um ambiente totalmente descentralizado, sem necessidade de qualquer permissão, sincronizando o estado do BTC.

Aura+Grandpa é um protocolo de consenso PoS avançado e genérico que implementa a tolerância a falhas bizantinas, garantindo a alta consistência dos nós da rede através de um protocolo distribuído (blockchains construídas com a estrutura Substrate geralmente utilizam Aura+Grandpa).

Resumir o princípio de funcionamento das três partes do Consenso Taproot:

No sistema, cada validador possui uma chave privada BTC para assinatura Schnorr. As características da assinatura Schnorr permitem a realização de agregação de assinaturas de forma eficiente, melhorando assim a segurança e a eficiência do sistema. A chave pública agregada Pagg gerada pelo esquema de múltiplas assinaturas Musig2 forma uma grande árvore MAST (Merkle Abstract Syntax Tree).

Após a geração do valor hash da raiz da árvore MAST, os validadores realizam operações de transferência de BTC e gravação para o endereço de assinatura em grupo gerado pela árvore MAST, permitindo a submissão de dados da rede principal BTC para a rede de segunda camada. Ao mesmo tempo, cada validador atua como um nó leve SPV (Simplified Payment Verification) do Bitcoin, permitindo que sincronizem de forma segura e sem permissão o estado da rede BTC.

Resumidamente:

Taproot Consensus utiliza Schnorr+Mast para construir uma gestão descentralizada de múltiplas assinaturas de BTC na primeira camada do Bitcoin, enquanto a segunda camada opera uma rede de nós SPV do Bitcoin. Tomando como exemplo uma rede de segunda camada, todos os nós operam como nós SPV do Bitcoin, podendo sincronizar o estado dos dados da primeira camada do Bitcoin, permitindo assim a sincronização das informações entre a rede de segunda camada e a primeira camada do Bitcoin. Para garantir a segurança e confiabilidade da rede de segunda camada, esta proposta integra a rede de nós SPV do Bitcoin com Aura+Grandpa, ou seja, permite que a rede de nós SPV do Bitcoin possua um nível de segurança no aspecto de consenso BFT. Isso significa que a gestão dos ativos da rede de segunda camada não é feita por alguns signatários, mas sim impulsionada pelo consenso BFT, alcançando assim uma verdadeira descentralização.

Quatro, outros detalhes técnicos do livro amarelo

Além da estrutura técnica mencionada acima, o livro amarelo do Taproot Consensus explica detalhadamente os detalhes de implementação de tecnologias como assinaturas Schnorr, MAST, nós leves PSV do Bitcoin, Aura+Grandpa, entre outras. Para aqueles que desejam aprender e entender as últimas tecnologias do Bitcoin, este livro amarelo é um material de estudo muito abrangente e detalhado.

Além disso, o livro amarelo explica detalhadamente o processo de implementação do Musig2, bem como as diferenças em relação a outros projetos conhecidos de BTC Layer2.

A estrutura tecnológica subjacente de certos projetos é baseada no protocolo tBTC. O tBTC constrói uma rede de assinatura de limite utilizando a multi-assinatura do Bitcoin, e essa estrutura 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 o mecanismo de consenso BFT PoS (Prova de Participação Bizantina Tolerante a Falhas). Esta é também a diferença entre redes distribuídas e blockchain; as redes distribuídas enfatizam a distribuição, mas carecem de um consenso tolerante a falhas bizantinas, enquanto a blockchain, embora também seja uma rede distribuída, depende de um consenso tolerante a falhas bizantinas para funcionar, sendo assim uma rede verdadeiramente descentralizada.

O plano Taproot Consensus adotou esse design mais avançado. Ao combinar assinaturas Schnorr, MAST, nós leves SPV do Bitcoin e os mecanismos de consenso tolerantes a falhas bizantinas Aura e Grandpa, foi construído um plano de extensão Layer2 descentralizado com alta consistência e segurança. Essa fusão não apenas melhorou a escalabilidade e a usabilidade da rede Bitcoin, mas também garantiu a segurança e a consistência da rede de segunda camada.

Resumo

Este livro amarelo técnico descreve de forma sistemática e abrangente a implementação e os detalhes técnicos do Taproot Consensus, apresentando uma solução de segunda camada de Bitcoin 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 ao longo do tempo, sendo uma verdadeira obra-prima da tecnologia de expansão nativa do Bitcoin.

Com o contínuo desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, as pessoas gradualmente perceberão que a verdadeira solução de segunda camada descentralizada para Bitcoin é o caminho necessário para o desenvolvimento do ecossistema Bitcoin, e soluções como o Taproot Consensus brilharão verdadeiramente.