Tác phẩm tổng hợp của đổi mới công nghệ 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 đã phát hành một tài liệu kỹ thuật có tên "Taproot Consensus: Một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này giải thích chi tiết về cách thức 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 thực sự là sự tổng hợp của các công nghệ mở rộng gốc của Bitcoin. Nó không thay đổi bất kỳ mã nào của Bitcoin, mà khéo léo tích hợp một số công nghệ cốt lõi của Bitcoin, tư duy rõ ràng, cấu trúc tinh xảo.

Trước khi đi sâu vào việc giải thích sách vàng, chúng ta cần xem xét lại quá trình phát triển công nghệ của Bitcoin để hiểu Taproot Consensus đã xuất hiện như thế nào từ bối cảnh tiến hóa của Bitcoin.

Một, Tổng quan về sự 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 kế hoạch triển khai công nghệ 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, là một phương pháp kỹ thuật cho phép xác minh thanh toán mà không cần chạy nút đầy đủ của 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, trong mã nguồn ban đầu của Bitcoin, Satoshi đã sử dụng công nghệ chữ ký đường elip (ECDSA), thay vì công nghệ chữ ký Schnorr phù hợp hơn với Bitcoin. Điều này là do vào thời điểm đó, chữ ký Schnorr vẫn chưa được mã nguồn mở và vẫn đang trong thời gian bảo vệ bản quyền.

Năm 2018, sau nhiều năm thử nghiệm và xác minh, các nhà phát triển cốt lõi Bitcoin như Gregory Maxwell đã 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 đã bước vào kỷ nguyên ký đa chữ ký phi tập trung hoàn toàn mới. Ngoài chữ ký Schnorr, nâng cấp Taproot còn giới thiệu MAST (Cây cú pháp trừu tượng Merkel hóa), tức là cây cú pháp trừu tượng Merkel, đây là một công nghệ mang lại cho Bitcoin các chức năng tương tự hợp đồng thông minh.

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

Điều này có nghĩa là Bitcoin có thể vượt qua một lớp hạn chế theo cách không cần tin cậy, đạt được các tình huống kinh doanh phức tạp và phong phú hơn ở lớp thứ hai. Giải pháp Taproot Consensus chính là sự tổng hợp của sự phát triển công nghệ Bitcoin từ năm 2008 đến năm 2021 trong 13 năm.

Hai, Tổng quan về giải pháp đồng thuận Taproot

Tài liệu trắng về công nghệ Taproot Consensus mở đầu với việc chỉ ra rằng: tính phi Turing hoàn chỉnh của mạng Bitcoin 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 của mạng Bitcoin chỉ có thể thực hiện các thao tác chuyển tiền đơn giản, không thể hỗ trợ các chức năng hợp đồng thông minh phức tạp hơn. Do đó, việc chỉ xây dựng giải pháp mở rộng Layer2 từ lớp kịch bản của Bitcoin là không khả thi.

Đoạn mô tả này tóm tắt cao độ tính không hoàn chỉnh Turing của mạng Bitcoin, cũng như đặc điểm của hợp đồng kịch bản Bitcoin chỉ có thể thực hiện các thao tác chuyển tiền Bitcoin. Do đó, hướng mở rộng đúng đắn của Bitcoin không phải là làm việc trên mạng lớp một của Bitcoin, mà là sử 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 Bitcoin và cơ chế đồng thuận BFT PoS, tạo ra một mạng Layer2 phi tập trung và đồng nhất cao.

Ba, Giải thích chi tiết về kiến trúc đồng thuận Taproot

Taproot Consensus tổng cộng由 Schnorr+Mast, Bitcoin SPV và Aura+Grandpa ba phần.

Schnorr+Mast sử dụng hai công nghệ gốc được mang lại bởi việc nâng cấp Taproot của Bitcoin để kết hợp, cho phép quản lý chữ ký đa năng phi tập trung của Bitcoin mà không cần chữ ký thủ công, mà thay vào đó là sử dụng mã Bitcoin để điều khiển.

Vậy ai sẽ điều khiển những mã này? Câu trả lời là được thúc đẩy bởi sự đồng thuận đạt được qua mạng lớp hai.

Mạng lớp hai đạt được sự đồng thuận như thế nào, và sự đồng thuận này đồng bộ trạng thái với lớp một của Bitcoin ra sao? Đây chính là vai trò của sự đồng thuận Bitcoin SPV+BFT POS (Aura+Grandpa).

Bitcoin SPV là phương thức xác minh thanh toán đơn giản được Satoshi Nakamoto đề xuất, không cần chạy nút đầy đủ cũng có thể đồng bộ và xác minh giao dịch Bitcoin. Tính năng này cho phép Taproot Consensus đồng bộ trạng thái BTC trong môi trường hoàn toàn phi tập trung, không cần bất kỳ sự cho phép nào.

Aura+Grandpa là một giao thức đồng thuận PoS nâng cao khá phổ biến, thực hiện sai lỗi Byzantine, đảm bảo tính nhất quán cao của các nút mạng thông qua các giao thức phân tán.

Tóm tắt nguyên lý hoạt động của ba phần Taproot Consensus: Trong hệ thống, mỗi người xác thực đều nắm giữ một khóa riêng BTC để ký Schnorr. Đặc điểm của chữ ký Schnorr cho phép thực hiện việc tổng hợp chữ ký một cách hiệu quả, từ đó nâng cao tính bảo mật và hiệu quả của hệ thống. Khóa công khai tổng hợp Pagg được tạo ra thông qua phương pháp ký nhiều Musig2, hình thành một cây MAST lớn.

Sau khi giá trị băm gốc của cây MAST được tạo ra, các xác thực viên thực hiện chuyển BTC và thao tác khắc trên địa chỉ ký tên ngưỡng được tạo ra từ cây MAST, nhằm thực hiện chức năng gửi dữ liệu từ mạng chính BTC tới mạng lớp hai. Đồng thời, mỗi xác thực viên đều hoạt động như một nút nhẹ SPV Bitcoin, giúp họ đồng bộ hóa trạng thái mạng BTC một cách an toàn và không cần giấy phép.

Nói một cách đơn giản, Taproot Consensus sử dụng Schnorr+Mast để xây dựng quản lý chữ ký đa Bitcoin BTC phi tập trung ở lớp một, và chạy mạng nút SPV Bitcoin ở lớp hai. Lấy một mạng lớp hai làm ví dụ, tất cả các nút của nó đều chạy nút SPV Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ hóa trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, từ đó đạt được sự đồng bộ hóa thông tin giữa mạng lớp hai và lớp một Bitcoin. Để đảm bảo an toàn và đáng tin cậy cho mạng lớp hai, giải pháp này kết hợp mạng nút SPV Bitcoin và Aura+Grandpa, tức là cho phép mạng nút SPV Bitcoin có được mức độ an toàn trong khía cạnh đồng thuận BFT. Điều này có nghĩa là, không phải một số người ký đa mà là dựa vào đồng thuận BFT để điều khiển tài sản của mạng lớp hai, từ đó đạt được sự phi tập trung thực sự.

Bốn, Các chi tiết kỹ thuật khác

Ngoài khung công nghệ đã nêu, tài liệu vàng Taproot Consensus còn giải thích chi tiết về các kỹ thuật như chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ SPV Bitcoin, Aura+Grandpa và các chi tiết thực hiện khác. Đối với những ai muốn học hỏi và tìm hiểu về công nghệ mới nhất của Bitcoin, tài liệu vàng này là một tài liệu học tập rất toàn diện và chi tiết.

Ngoài ra, sách vàng cũng giải thích chi tiết quá trình triển khai Musig2 và sự khác biệt với các dự án BTC Layer2 nổi tiếng khác. Ví dụ, cấu trúc công nghệ nền tảng của một dự án nào đó dựa trên giao thức tBTC. tBTC sử dụng chữ ký đa của Bitcoin để xây dựng một mạng chữ ký ngưỡng, cấu trúc này so với mạng phân tán truyền thống thì có tính nhất quán cao hơn.

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

Giải pháp Taproot Consensus 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, nó xây dựng một giải pháp mở rộng Layer2 phi tập trung với độ nhất quán và an toàn cao. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao khả năng mở rộng và tính khả dụng của mạng lưới Bitcoin mà còn đảm bảo tính an toàn và nhất quán của mạng lưới lớp hai.

Tóm tắt

Tài liệu kỹ thuật này mô tả một cách hệ thống và toàn diện về giải pháp triển khai và chi tiết kỹ thuật của Taproot Consensus, cho chúng ta thấy một giải pháp lớp hai của Bitcoin hoàn toàn dựa trên công nghệ gốc của Bitcoin.

Taproot Consensus không chỉ tôn trọng và kế thừa hướng kỹ thuật ban đầu của Bitcoin, mà còn kết hợp các công nghệ đến từ các lần nâng cấp Bitcoin để tạo ra đổi mới theo kiểu tổ hợp, là một trong những công nghệ mở rộng bản địa của Bitcoin theo đúng nghĩa.

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