Thành tựu tổng hợp của công nghệ gốc Bitcoin: Phân tích sâu về giải pháp công nghệ Taproot Consensus

Vào ngày 20 tháng 5 năm 2024, một đội ngũ phát triển Layer2 Bitcoin chính thức phát hành tài liệu kỹ thuật có tiêu đề "Taproot Consensus: Một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này trình bày chi tiết cách thực hiện Taproot Consensus, cũng như cách sử dụng chữ ký Schnorr, MAST, các nút SPV Bitcoin và các công nghệ gốc của Bitcoin khác để xây dựng một giải pháp BTC Layer2 hoàn toàn phi tập trung.

Đọc toàn văn, có thể cảm nhận rằng giải pháp Taproot Consensus mà đội ngũ này đề xuất là sản phẩm tinh túy của công nghệ mở rộng gốc của Bitcoin. Nó không sửa đổi bất kỳ mã nào của Bitcoin, mà khéo léo kết hợp một số công nghệ cốt lõi của Bitcoin, với tư duy đơn giản và cấu trúc tinh tế.

Trước khi chính thức giải thích sách vàng, cần thiết phải xem lại quá trình phát triển kỹ thuật của Bitcoin để hiểu Taproot Consensus đã xuất hiện như thế nào từ tiến trình tiến hóa của Bitcoin.

Một, Lịch sử 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", chính thức đề xuất giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho Bitcoin. Chương tám của bài báo đề cập đến giải pháp SPV (Simple Payment Verification), 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 full node Bitcoin, chỉ cần lưu trữ 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 chính thức của Bitcoin đã sử dụng công nghệ chữ ký đường cong elliptic (ECDSA), thay vì công nghệ chữ ký Schnorr phù hợp hơn với Bitcoin. Lý do là vào thời điểm đó, chữ ký Schnorr vẫn chưa được mở nguồn và vẫn đang trong thời gian bảo vệ bằng sáng chế.

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

Năm 2018, sau nhiều năm kiểm tra, các nhà phát triển lõi của Bitcoin 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, Bitcoin bước vào kỷ nguyên đa chữ ký phi tập trung hoàn toàn mới.

Ngoài chữ ký Schnorr, bản nâng cấp Taproot còn giới thiệu MAST (Cây cú pháp trừu tượng Merkelized), tức là cây cú pháp trừu tượng Merkle. Đây là một công nghệ mang lại chức năng giống như hợp đồng thông minh cho Bitcoin, bằng cách tổ chức logic hợp đồng với nhiều nhánh điều kiện thành dạng cây Merkle, cho phép mã Bitcoin thực hiện chức năng giống như hợp đồng thông minh (nhưng chỉ giới hạn trong xác minh thanh toán Bitcoin, khác với hợp đồng thông minh phức tạp của Ethereum).

Chữ ký Schnorr có thể mở rộng địa chỉ đa chữ ký của Bitcoin lên đến 1000+, trong khi MAST có thể thúc đẩy địa chỉ chữ ký Schnorr để thực hiện đa chữ ký thông qua các chương trình Bitcoin. Do đó, sự kết hợp giữa chữ ký Schnorr + MAST có thể đạt được mạng đa chữ ký Bitcoin phi tập trung được điều khiển bởi các lệnh mã Bitcoin mà không cần chữ ký thủ công.

Điều này có nghĩa là Bitcoin có thể vượt qua một lớp hạn chế theo cách không cần tin cậy, thực hiện các kịch bản kinh doanh phức tạp và phong phú hơn ở lớp hai.

Và giải pháp Taproot Consensus mà đội ngũ này đưa ra chính là thành quả tổng hợp của 13 năm công nghệ phát triển của Bitcoin từ năm 2008 đến năm 2021.

Hai, Tóm tắt giải pháp đồng thuận Taproot

Tài liệu trắng về công nghệ Taproot Consensus mở đầu với việc chỉ ra: "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 kịch bản trên 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 xây dựng giải pháp mở rộng Layer2 chỉ từ lớp kịch bản Bitcoin là không khả thi."

Đoạn mô tả này tóm tắt cao độ tính không hoàn hảo về Turing của mạng Bitcoin, cũng như đặc điểm rằng hợp đồng script Bitcoin chỉ có thể thực hiện các thao tác chuyển Bitcoin. Do đó, hướng phát triển đúng đắn cho sự mở rộng Bitcoin không phải là làm việc trên mạng lớp một của Bitcoin, 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 cho Bitcoin.

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

Ba, Giải thích kiến trúc đồng thuận Taproot

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

Schnorr+Mast kết hợp hai công nghệ gốc mà nâng cấp Taproot của Bitcoin mang lại, có thể thực hiện quản lý đa chữ ký phi tập trung của Bitcoin mà không cần thông qua chữ ký thủ công, mà thay vào đó sử dụng mã Bitcoin để điều khiển.

Các 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, và cách mà những đồng thuận này đồng bộ trạng thái với lớp một của Bitcoin, đó chính là vai trò của sự đồng thuận Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV là phương pháp xác thực thanh toán đơn giản được Satoshi Nakamoto đề xuất, không cần chạy nút đầy đủ cũng có thể đồng bộ và xác thực 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 tổng quát thực hiện độ lỗi Byzantine, đảm bảo sự nhất quán cao độ của các nút mạng thông qua giao thức phân tán (các blockchain được xây dựng trên khung Substrate hầu hết đều sử dụng Aura+Grandpa).

Tóm tắt nguyên lý hoạt động của ba phần Taproot Consensus:

Trong hệ thống, mỗi xác thực viên đều nắm giữ một khóa riêng BTC để ký Schnorr. Đặc tính của chữ ký Schnorr cho phép thực hiện việc tổng hợp chữ ký hiệu quả, từ đó nâng cao tính bảo mật và hiệu suất của hệ thống. Khóa công khai tổng hợp Pagg được tạo ra thông qua phương pháp ký nhiều Musig2, hình thành một cây MAST (Merkle Abstract Syntax Tree) lớn.

Sau khi giá trị băm gốc của cây MAST được tạo ra, người xác minh thực hiện việc chuyển BTC và khắc lên 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 người xác minh đều hoạt động như một nút nhẹ SPV (Xác minh thanh toán đơn giản) của Bitcoin, cho phép họ đồng bộ hóa trạng thái mạng BTC một cách an toàn và không cần sự cho phép.

Nói một cách đơn giản:

Taproot Consensus sử dụng Schnorr+Mast để xây dựng quản lý đa chữ ký BTC phi tập trung trên lớp một của Bitcoin, và vận hành mạng lưới nút SPV Bitcoin trên lớp hai. Lấy một mạng lưới lớp hai làm ví dụ, toàn bộ mạng lưới này chạy nút SPV Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, từ đó thực hiện đồng bộ thông tin giữa mạng lưới lớp hai và lớp một Bitcoin. Để đảm bảo sự an toàn và đáng tin cậy của mạng lưới lớp hai, giải pháp này kết hợp mạng lưới nút SPV Bitcoin và Aura+Grandpa thành một thể thống nhất, tức là cho phép mạng lưới nút SPV Bitcoin có được mức độ an toàn của tầng đồng thuận BFT. Điều này có nghĩa là, quản lý tài sản của mạng lưới lớp hai không phải là một số người đa chữ ký, mà là dựa vào đồng thuận BFT để điều khiển, từ đó đạt được sự phi tập trung thực sự.

Bốn, các chi tiết kỹ thuật khác trong sách vàng

Ngoài khung kỹ thuật đã đề cập ở trên, tài liệu vàng Taproot Consensus cũng giải thích chi tiết về các kỹ thuật như chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ PSV 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, tài liệu vàng này là một tài liệu học tập rất toàn diện và chi tiết.

Không chỉ vậy, sách vàng còn giải thích chi tiết về quá trình thực hiện Musig2, cũng như sự khác biệt với các dự án BTC Layer2 nổi tiếng khác.

Một số dự án có cấu trúc công nghệ nền tảng dựa trên giao thức tBTC. tBTC sử dụng ký quỹ Bitcoin để xây dựng một mạng chữ ký ngưỡng, cấu trúc này so với mạng phân tán truyền thống thì có tính nhất quán mạnh hơn.

Tuy nhiên, tBTC vẫn là một mạng lưới đa chữ ký cần 9 chữ ký. Để thực sự đạt được điều này không dựa vào con người mà dựa vào sự đồng thuận, cần phải kết hợp mạng lưới đa chữ ký với cơ chế đồng thuận BFT PoS (Bằng chứng cổ phần chịu lỗi Byzantine). Đây cũng là sự khác biệt giữa mạng lưới phân tán và blockchain, mạng lưới phân tán nhấn mạnh tính phân tán nhưng thiếu sự đồng thuận chịu lỗi Byzantine, trong khi blockchain cũng là một mạng lưới phân tán nhưng dựa vào sự đồng thuận chịu lỗi Byzantine để hoạt động, do đó là một mạng lưới thực sự phi tập trung.

Giải pháp Đồng thuận Taproot 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 tính 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 an toàn và tính nhất quán cho mạng lớp hai.

Tóm tắt

Tài liệu công nghệ này mô tả một cách hệ thống và toàn diện về kế hoạch thực hiện và chi tiết kỹ thuật của Taproot Consensus, thể hiện một giải pháp lớp hai cho Bitcoin hoàn toàn dựa trên công nghệ gốc của Bitcoin.

Taproot Consensus không chỉ tôn trọng và kế thừa hướng công nghệ nguyên bản của Bitcoin, mà còn kết hợp những công nghệ mang lại từ các lần nâng cấp của Bitcoin để thực hiện đổi mới theo cách kết hợp, là thành quả tổng hợp thực sự của công nghệ mở rộng nguyên bản Bitcoin.

Với sự phát triển không ngừng của hệ sinh thái Bitcoin, mọi người sẽ dần nhận ra rằng giải pháp lớp hai thực sự phi tập trung của Bitcoin mới là con đường tất yếu cho sự phát triển của hệ sinh thái Bitcoin, và giải pháp Taproot Consensus sẽ thực sự tỏa sáng.