ビットコインネイティブ拡張技術の新たなマイルストーン：デプス解析 タップルートコンセンサス技術方案

はじめに

2024年5月20日、重要なビットコインLayer2開発チームが技術黄皮書《Taproot Consensus: 一つの去中心化されたBTC Layer2ソリューション》を発表しました。この文書は、タップルートコンセンサスの実現機構を詳細に説明し、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統合し、完全に去中心化されたBTC Layer2ソリューションを構築する方法について述べています。

全文を通読すると、このチームが提案したタップルートコンセンサスの方案は、真の意味でビットコインのネイティブ拡張技術の集大成であることが感じられます。ビットコインのコードを何も変更することなく、いくつかのビットコインのコア技術を巧妙に組み合わせており、考え方は明確で、構造は精巧です。

黄皮書を深く解読する前に、ビットコインの技術的進化の過程を振り返ることが必要です。これは、タップルートコンセンサスがどのようにビットコインの発展の流れから徐々に形成されたのかを理解するのに役立ちます。

ボディ

一、ビットコイン技術の進化回顧

2008年10月31日

中本聡は「ビットコイン：ポイント・ツー・ポイントの電子現金システム」と題された論文を発表し、ビットコインの技術的実現方法を初めて完全に説明しました。

論文の第八章で、中本聡はSPV(Simple Payment Verification)という名の解決策、すなわち簡単な支払い検証を提案しました。これは、ビットコインの全ノードを実行することなく、ブロックヘッダーを保存するだけで支払いを検証できる技術手段です。

2009年1月3日

中本聡はヘルシンキの小型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、ビットコインの初期コードにおいて、中本聡が楕円曲線署名技術（ECDSA）を採用したことであり、ビットコインにより適したシュノア署名技術ではありませんでした。これは、楕円曲線署名がシュノア署名より優れているからではなく、その時点でシュノア署名がまだオープンソースではなく、特許保護期間中であったためです。したがって、中本聡は既にオープンソースである楕円曲線署名を選択しました。

シュノール署名は、楕円曲線署名のすべての機能と安全性の仮定を保持するだけでなく、楕円曲線署名のフレームワークの下でビットコインが最大15重のマルチシグに制限されるという制約を突破し、最終的には1000以上のアドレスがビットコインを共同管理できるようになり、署名速度に影響を与えません。

2018

数年にわたる反復検証の結果、一部のビットコインコア開発者が正式にBIPを提案し、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ことを推奨しました。

2021年11月14日

ビットコインがタップルートアップグレードを完了し、シュノール署名が正式にビットコインネットワークに組み込まれ、ビットコインは新たな非中央集権型マルチシグ時代を迎えました。

施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）、すなわちメルクル抽象構文木も導入しました。これはビットコインに類似のスマートコントラクト機能を与える技術であり、複数の条件分岐の契約ロジックをメルクルツリーの形式で組織化することによって実現され、ビットコインコードがスマートコントラクトの機能要件を満たすことができるようになります（ただし、ビットコインの支払い検証に限定され、イーサリアムの複雑なスマートコントラクトとは異なります）。

シノール署名はビットコインのマルチシグアドレスを1000以上に拡張できますが、MASTはビットコインプログラムを通じてシノール署名アドレスをマルチシグに駆動することができます。したがって、シノール署名+MASTは人工署名に依存せず、ビットコインコード命令によって駆動される分散型ビットコインマルチシグネットワークを実現できます。

これは、ビットコインが信頼を必要とせずにレイヤーの制限を突破できることを意味し、さらにレイヤー2でより複雑で豊富なビジネスシナリオを実現できることを意味します。

そして、このチームが提案したタップルートコンセンサスソリューションは、ビットコインが2008年から2021年の13年間の技術の進化の集大成です。

二、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のホワイトペーパーの冒頭では、"ビットコインネットワークの非チューリング完備の性質は、直接的にイーサリアムのロールアップのようなLayer2拡張ソリューションを実現することを制限しています。ビットコインネットワークのスクリプト契約層では、単純な送金操作しか行えず、より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。"

この説明は、ビットコインネットワークの非チューリング完全性と、ビットコインスクリプト契約がビットコインの送金操作のみを実行できるという制限を高度に要約しています。したがって、ビットコインの拡張の正しい方向性は、ビットコインのレイヤー1ネットワークでの改良ではなく、ビットコインの既存の能力を活用して、完全に分散化されたビットコインのレイヤー2拡張ソリューションを構築することです。

Taproot Consensusは、ビットコインのTaproot技術（Schnorr署名とMAST）、ビットコインSPV軽ノード、そしてBFT PoSコンセンサスメカニズムを融合させて、分散化され高度に一貫性のあるLayer2ネットワークを構築したものです。

三、タップルートコンセンサスアーキテクチャの詳細説明

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3つの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この2つのネイティブ技術を組み合わせることで、ビットコインの分散型マルチシグ管理を実現し、手動署名を必要とせず、ビットコインコードを使用して駆動します。

では、これらのコードを駆動するのは誰ですか？それは、セカンドレイヤーネットワークを通じて達成されるコンセンサスによって駆動されます。

二層ネットワークはどのようにコンセンサスを達成し、これらのコンセンサスがビットコインの第一層とどのように状態同期を実現するのか？

そこで、ビットコインSPV + BFT POSコンセンサス(Aura + Grandpa)の出番です。

ビットコイン SPVは中本聰が提唱した簡易支払い検証方式で、全ノードを運用せずともビットコイン取引を同期し検証することができます。この特性により、タップルートコンセンサスは完全に非中央集権的な環境下で、いかなる許可も必要なく、BTCの状態を同期させることが可能です。

Aura+Grandpaは、比較的一般的な実装であるビザンチン耐障害性を持つ高度なPoSコンセンサスプロトコルであり、分散型プロトコルを通じてネットワークノードの高い一貫性を保証します（Substrateフレームワークで構築されたブロックチェーンは一般的にAura+Grandpaを採用しています）。

したがって、Taproot Consensusの三部構成の動作原理をまとめると：

"システム内では、各検証者はSchnorr署名用のBTCプライベートキーを保持しています。Schnorr署名の特性により、高効率な署名の集約が可能になり、システムの安全性と効率が向上します。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（Merkle Abstract Syntax Tree）ツリーを形成します。"

MASTツリーのルートハッシュ値が生成された後、検証者はMASTツリーが生成し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メインネットからレイヤー2ネットワークにデータを送信する機能を実現します。同時に、各検証者はBitcoin SPV（簡易支払い検証）ライトノードとして機能し、安全かつ無許可でBTCネットワークの状態を同期できるようにします。

要するに：

Taproot Consensus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Bitcoin SPVノードネットワークを運営します。あるプロジェクトを例に挙げると、そのレイヤー2ネットワークはすべてビットコインSPVノードを運営しており、これらのノードはビットコインのレイヤー1のデータ状態を同期することができるため、レイヤー2とビットコインのレイヤー1の情報を同期させることができます。レイヤー2ネットワークの安全性と信頼性を確保するために、そのプロジェクトはビットコインSPVノードネットワークとAura+Grandpaを統合し、ビットコインSPVノードネットワークにBFTコンセンサスの安全レベルを備えさせました。言い換えれば、レイヤー2ネットワークの資産を管理するのは特定のマルチシグ担当者ではなく、BFTコンセンサスによって駆動されることにより、真の分散化を実現しています。

第四、イエローブックのその他の技術的詳細

上記の技術フレームワークに加えて、タップルートコンセンサスのホワイトペーパーは、シュノール署名、MAST、ビットコインSPVライトノード、Aura+Grandpaなどの技術の実装詳細を詳しく説明しています。ビットコインの最新技術を学び、理解したい人にとって、このホワイトペーパーは包括的で詳細な学習資料です。

さらに、ホワイトペーパーはMusig2の実装プロセスと、他の著名なBTC Layer2プロジェクトとの違いを詳しく説明しています。

例えば、あるプロジェクトの基盤技術構造はtBTCプロトコルに基づいています。tBTCはビットコインのマルチシグを利用して、しきい値署名ネットワークを構築しました。この構造は従来の分散型ネットワークと比較して、より強い一貫性を持っています。

しかし、tBTCは依然として9人の署名が必要なマルチシグネットワークです。人に依存せず、合意によって駆動することを真に実現するには、マルチシグネットワークとBFT PoS（ビザンチン耐障害性プルーフ・オブ・ステーク）合意メカニズムを組み合わせる必要があります。これが分散型ネットワークとブロックチェーンの違いでもあり、分散型ネットワークは分散型を強調しますが、ビザンチン耐障害性の合意が欠けています。一方、ブロックチェーンも分散型ネットワークですが、ビザンチン耐障害性の合意に依存するため、真に分散化されたネットワークです。

タップルートコンセンサス案は、このより先進的なデザインを採用しています。Schnorr署名、MAST、ビットコインSPVライトノード、AuraおよびGrandpaビザンチンフォールトトレラントコンセンサスメカニズムを組み合わせることにより、高度な一貫性と安全性を持つ分散型Layer2拡張案を構築しました。この統合は、ビットコインネットワークの拡張性と可用性を向上させるだけでなく、二層ネットワークの安全性と一貫性を確保します。

まとめ

この技術ホワイトペーパーは、タップルートコンセンサスの実装プランと技術的詳細を体系的かつ包括的に説明しており、ビットコインのネイティブ技術に完全に基づいて構築されたビットコインのレイヤー2ソリューションを私たちに示しています。

タップルートコンセンサスは、ビットコインの既存の技術方向を尊重し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、真の意味でのビットコインのネイティブ拡張技術の集大成です。

ビットコインエコシステムの継続的な発展に伴い、人々は真の分散型ビットコイン第二層ソリューションがビットコインエコシステムの発展に不可欠な道であることを徐々に認識するようになるでしょう。そして、タップルートコンセンサスのこのようなソリューションが真に輝くことになるでしょう。

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