Bitcoin, le maître de la technologie d'expansion native : Analyse de la technologie Taproot Consensus

Le 20 mai 2024, l'équipe BEVM a publié le livre blanc technique intitulé « Taproot Consensus : une solution décentralisée de BTC Layer2 ». Ce livre blanc détaille la manière dont Taproot Consensus est mis en œuvre, ainsi que la façon dont il combine des technologies natives de Bitcoin telles que les signatures Schnorr, MAST et les nœuds SPV Bitcoin pour construire une solution BTC Layer2 entièrement décentralisée.

La solution Taproot Consensus est l'aboutissement de la technologie d'extension native de Bitcoin. Elle n'apporte aucune modification au code de Bitcoin, mais combine habilement plusieurs technologies natives de Bitcoin, avec une idée simple et une structure astucieuse. Pour mieux comprendre le processus d'évolution de Taproot Consensus, il est nécessaire de revenir sur l'histoire du développement technologique de Bitcoin.

Bitcoin : jalons du développement technologique

Le 31 octobre 2008, Satoshi Nakamoto a publié le document « Bitcoin : un système de monnaie électronique de pair à pair », proposant pour la première fois un plan technique complet pour Bitcoin. Le huitième chapitre du document présente la technologie de vérification de paiement simple (SPV - Simple Payment Verification), qui permet de vérifier les paiements sans avoir à exécuter un nœud complet, mais seulement en conservant les en-têtes de blocs.

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

La signature Schnorr conserve toutes les fonctionnalités et hypothèses de sécurité de la signature à courbe elliptique, tout en dépassant la limitation de 15 signatures multiples de Bitcoin, permettant ainsi à plus de 1000 adresses de gérer des Bitcoins sans affecter la vitesse de signature.

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

Le 14 novembre 2021, Bitcoin a achevé sa mise à niveau Taproot, introduisant officiellement les signatures Schnorr et ouvrant une nouvelle ère de signatures multiples décentralisées. En plus des signatures Schnorr, la mise à niveau Taproot a également introduit la technologie MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), permettant à Bitcoin de posséder des fonctionnalités similaires à celles des contrats intelligents.

La combinaison des signatures Schnorr et de MAST permet à Bitcoin de créer un réseau multi-signatures décentralisé piloté par du code, posant ainsi les bases du développement du réseau de seconde couche de Bitcoin.

Aperçu de la solution de consensus Taproot

Le livre blanc de la technologie Taproot Consensus souligne que la nature non Turing-complete du réseau Bitcoin limite sa capacité à mettre en œuvre directement des solutions d'extension Layer2 similaires aux Rollups d'Ethereum. La couche des contrats script du réseau Bitcoin ne peut effectuer que des opérations de transfert simples et ne peut pas prendre en charge des fonctionnalités de contrats intelligents complexes. Par conséquent, il n'est pas possible de construire une solution d'extension Layer2 uniquement à partir de la couche de script de Bitcoin.

Le plan de consensus Taproot intègre la technologie Taproot de Bitcoin (signatures Schnorr et MAST), les nœuds légers SPV de Bitcoin et le mécanisme de consensus BFT PoS pour construire un réseau Layer2 décentralisé et hautement cohérent.

Détails de l'architecture de consensus Taproot

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

Schnorr+Mast utilise la technologie native apportée par la mise à niveau Taproot de Bitcoin pour réaliser la gestion décentralisée des signatures multiples de Bitcoin, pouvant être pilotée par le code plutôt que par des signatures manuelles.

Bitcoin SPV est une méthode de vérification des paiements simples proposée par Satoshi Nakamoto, qui permet de synchroniser et de vérifier les transactions Bitcoin sans avoir à exécuter un nœud complet. Cela permet au Consensus Taproot de synchroniser l'état de BTC dans un environnement entièrement décentralisé, sans autorisation.

Aura+Grandpa est un protocole de consensus PoS avancé à tolérance de pannes byzantines générique, garantissant une haute cohérence des nœuds du réseau.

Le principe de fonctionnement du consensus Taproot est le suivant :

Dans le système BEVM, chaque validateur possède une clé privée BTC utilisée pour la signature Schnorr. La clé publique agrégée Pagg, générée par le schéma de signature multiple Musig2, forme un grand arbre MAST. Les validateurs effectuent des transferts BTC et des opérations de gravure en envoyant à l'adresse de signature de seuil générée par l'arbre MAST, réalisant ainsi la soumission de données du réseau principal BTC vers le réseau BEVM. De plus, chaque validateur agit en tant que nœud léger SPV de Bitcoin, capable de synchroniser en toute sécurité et sans autorisation l'état du réseau BTC.

En résumé, le consensus Taproot utilise Schnorr+Mast pour construire une gestion décentralisée des multi-signatures BTC au niveau de la couche un de Bitcoin, tandis que la couche deux exécute un réseau de nœuds SPV Bitcoin. Prenons BEVM comme exemple, le réseau de couche deux de BEVM fonctionne entièrement avec des nœuds SPV Bitcoin, permettant de synchroniser l'état des données de la couche un de Bitcoin. BEVM fusionne le réseau de nœuds SPV Bitcoin avec Aura+Grandpa, lui conférant un niveau de sécurité en termes de consensus BFT, réalisant ainsi une véritable décentralisation.

Détails techniques et innovations

Le livre blanc Taproot Consensus explique également en détail les détails de mise en œuvre des technologies telles que les signatures Schnorr, MAST, les nœuds légers PSV de Bitcoin, Aura+Grandpa, ainsi que le processus de mise en œuvre de Musig2.

Le livre blanc compare également les différences entre le projet Layer2 BTC renommé Mezo et Taproot Consensus. Mezo est basé sur le protocole tBTC et utilise la multi-signature Bitcoin pour construire un réseau de signature de seuil. Cependant, tBTC nécessite toujours un réseau de multi-signataires de 9 personnes, tandis que Taproot Consensus combine le réseau de multi-signatures avec le mécanisme de consensus BFT PoS, réalisant ainsi une véritable décentralisation.

Résumé

Le livre blanc technique de l'équipe BEVM décrit en détail la mise en œuvre et les détails techniques du Consensus Taproot, montrant une solution de deuxième couche entièrement construite sur la technologie native de Bitcoin. Le Consensus Taproot non seulement hérite de la direction technique de Bitcoin, mais innove également en combinant les technologies apportées par les mises à niveau successives de Bitcoin, constituant ainsi l'aboutissement des technologies d'extension natives de Bitcoin.

Avec le développement de l'écosystème Bitcoin, les solutions de deuxième couche véritablement décentralisées pour Bitcoin deviendront une tendance inévitable, des solutions comme Taproot Consensus devraient briller à l'avenir.