ビットコインのネイティブスケーリング技術の集大成:Taprootコンセンサステクニカル分析

2024年5月20日、BEVMチームは「タップルートコンセンサス：分散型BTC Layer2ソリューション」技術ホワイトペーパーを発表しました。このホワイトペーパーでは、タップルートコンセンサスの実現方法と、シュノール署名、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組み合わせて完全に分散型のBTC Layer2ソリューションを構築する方法が詳述されています。

タップルートコンセンサス方案はビットコインのネイティブ拡張技術の集大成です。それはビットコインのコードに対して何の変更も行っていませんが、ビットコインのいくつかのネイティブ技術を巧妙に組み合わせており、考え方はシンプルで、構造は巧妙です。タップルートコンセンサスの進化過程をよりよく理解するために、ビットコインの技術発展の歴史を振り返る必要があります。

ビットコイン技術発展のマイルストーン

2008年10月31日、中本聡は「ビットコイン：あるピアツーピア電子キャッシュシステム」という論文を発表し、ビットコインの完全な技術実装計画を初めて提案しました。論文の第八章ではSPV（Simple Payment Verification）シンプルな支払い検証技術について紹介されており、この方法では全ノードを運用する必要はなく、ブロックヘッダーを保存するだけで支払いを検証できます。

2009年1月3日、中本聡はヘルシンキの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、ビットコインは最初に楕円曲線署名技術（ECDSA）を採用したことです。これは、当時シュノール署名がまだオープンソースではなく、特許保護期間内にあったためです。

シュノール署名は、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、ビットコインの最大15重のマルチシグ制限を突破し、1000以上のアドレスでビットコインを共同管理でき、署名速度に影響を与えません。

2018年、長年の検証を経て、ビットコインのコア開発者であるGregory Maxwell氏らが、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提案を正式に発表しました。

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、正式にシュノール署名を導入し、非中央集権的なマルチシグ時代が始まりました。シュノール署名に加えて、タップルートアップグレードはMAST（Merkelized Abstract Syntax Trees）メルケル抽象構文木技術も導入し、ビットコインはスマートコントラクトに似た機能を持つようになりました。

シュノール署名とMASTの組み合わせにより、ビットコインはプログラムコードによって駆動される分散型マルチシグネットワークを実現し、ビットコインのセカンドレイヤーネットワークの発展の基礎を築きました。

タップルートコンセンサス解決策の概要

タップルートコンセンサス技術ホワイトペーパーは、ビットコインネットワークの非チューリング完備性が、イーサリアムのRollupのようなLayer2拡張ソリューションを直接実現することを制限していることを指摘しています。ビットコインネットワークのスクリプト契約層は、単純な送金操作しか行えず、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、ビットコインのスクリプト層から単純にLayer2拡張ソリューションを構築することは不可能です。

Taproot Consensus方案は、ビットコインのタップルート技術（Schnorr署名とMAST）、ビットコインSPV軽ノード、およびBFT PoSコンセンサスメカニズムを組み合わせて、分散化されており、高度な整合性を持つLayer2ネットワークを構築しました。

タップルートコンセンサスアーキテクチャの詳細解説

タップルートコンセンサスは、Schnorr+Mast、ビットコインSPV、Aura+Grandpaの三部分で構成されています。

Schnorr+Mastは、ビットコインのタップルートアップグレードによってもたらされたネイティブ技術を利用して、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、コードによって駆動されることができ、人間の署名は不要です。

ビットコイン SPV は中本聡が提案した簡易支払い検証方式であり、フルノードを運用することなくビットコインの取引を同期および検証することができます。これにより、タップルート コンセンサスは完全に分散化された環境で、許可なしに BTC の状態を同期できるようになります。

Aura+Grandpaは汎用のビザンチン耐障害性の高度なPoSコンセンサスプロトコルであり、ネットワークノードの高い一貫性を保証します。

タップルートコンセンサスの運行原理は以下の通りです：

BEVMシステムでは、各検証者がSchnorr署名に使用されるBTCプライベートキーを保持しています。Musig2マルチシグネチャ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ツリーを形成します。検証者は、MASTツリーによって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BEVMネットワークへのデータ提出機能を実現します。同時に、各検証者はBitcoin SPVライトノードとして、BTCネットワークの状態を安全かつ無許可で同期することができます。

簡単に言うと、タップルートコンセンサス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ではビットコインSPVノードネットワークを運営します。BEVMを例にとると、BEVMレイヤー2ネットワークはすべてビットコインSPVノードを運営し、ビットコインのレイヤー1のデータ状態を同期できます。BEVMはビットコインSPVノードネットワークとAura+Grandpaを統合し、BFTコンセンサスの安全レベルを備え、真の分散化を実現します。

技術的な詳細とイノベーション

タップルートコンセンサスの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軽ノード、Aura+Grandpaなどの技術の実装詳細、及びMusig2の実装プロセスについて詳しく説明しています。

ホワイトペーパーでは、著名なBTC Layer2プロジェクトMezoとTaproot Consensusの違いが比較されています。MezoはtBTCプロトコルに基づいており、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ています。しかし、tBTCは依然として9人の署名者ネットワークが必要であり、Taproot ConsensusはマルチシグネットワークとBFT PoSコンセンサスメカニズムを組み合わせて、真の分散化を実現しています。

まとめ

BEVMチームの技術黄皮書は、タップルートコンセンサスの実現方案と技術的詳細を全面的に説明し、ビットコインのネイティブ技術に基づいて構築された完全な二層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、ビットコインの技術的方向性を継承するだけでなく、ビットコインの歴史的な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い、ビットコインのネイティブ拡張技術の集大成となっています。

ビットコインエコシステムの発展に伴い、真の非中央集権的なビットコインの第2層ソリューションが必然的なトレンドとなるでしょう。タップルートコンセンサスのようなソリューションは、将来的に大きな注目を集めることが期待されています。

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