Cột mốc mới của công nghệ mở rộng gốc Bitcoin: Phân tích sâu về giải pháp công nghệ Taproot Consensus

Giới thiệu

Vào ngày 20 tháng 5 năm 2024, một đội ngũ phát triển Bitcoin Layer2 quan trọng đã công bố tài liệu kỹ thuật mang tên "Taproot Consensus: một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này trình bày chi tiết cơ chế thực hiện của Taproot Consensus, cũng như cách tích hợp chữ ký Schnorr, MAST, và các công nghệ gốc của Bitcoin như nút SPV Bitcoin, để xây dựng một giải pháp BTC Layer2 hoàn toàn phi tập trung.

Đọc toàn bộ nội dung, có thể cảm nhận rằng giải pháp Taproot Consensus mà đội ngũ này đưa ra thực sự là thành tựu tổng hợp của công nghệ mở rộng gốc Bitcoin. Nó không sửa đổi bất kỳ mã nào của Bitcoin, mà thay vào đó khéo léo kết hợp một số công nghệ cốt lõi của Bitcoin, với tư duy rõ ràng và cấu trúc tinh tế.

Trước khi đi sâu vào việc giải thích sách vàng, chúng ta cần xem xét quá trình tiến hóa công nghệ của Bitcoin, điều này sẽ giúp hiểu Taproot Consensus đã hình thành như thế nào từ mạch phát triển của Bitcoin.

Văn bản

Một. Tổng quan về sự tiến hóa công nghệ Bitcoin

31 tháng 10 năm 2008

Satoshi Nakamoto đã công bố bài báo có tiêu đề "Bitcoin: Một hệ thống tiền điện tử ngang hàng", lần đầu tiên giải thích đầy đủ cách thức triển khai công nghệ của Bitcoin.

Trong chương 8 của luận văn, Satoshi Nakamoto đã đề xuất một giải pháp có tên là 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 nút Bitcoin đầy đủ, chỉ cần lưu trữ tiêu đề khối.

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.

Cần lưu ý rằng, trong mã nguồn ban đầu của Bitcoin, Satoshi Nakamoto đã sử dụng công nghệ chữ ký đường cong ellip (ECDSA), thay vì công nghệ chữ ký Schnorr, vốn phù hợp hơn với Bitcoin. Điều này không phải vì chữ ký đường cong ellip tốt hơn chữ ký Schnorr, mà vì vào thời điểm đó, chữ ký Schnorr vẫn chưa được mã nguồn mở và vẫn đang trong thời gian bảo vệ bằng sáng chế. Do đó, Satoshi Nakamoto đã chọn chữ ký đường cong ellip đã được mã nguồn mở.

Chữ ký Schnorr không chỉ duy trì toàn bộ chức năng và giả định an ninh của chữ ký đường elip, mà còn vượt qua giới hạn của chữ ký đường elip trong việc chỉ cho phép Bitcoin thực hiện tối đa 15 chữ ký đa tầng, cuối cùng có thể quản lý hơn 1000 địa chỉ cùng lúc mà không ảnh hưởng đến tốc độ ký.

2018

Sau nhiều năm kiểm tra lặp đi lặp lại, một số nhà phát triển cốt lõi Bitcoin chính thức đề xuất BIP, khuyến nghị đưa chữ ký Schnorr vào mạng Bitcoin.

14 tháng 11 năm 2021

Bitcoin hoàn thành nâng cấp Taproot, chữ ký Schnorr chính thức được đưa vào mạng Bitcoin, Bitcoin đã mở ra một kỷ nguyên 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 Merkle. Đây là một công nghệ mang lại cho Bitcoin chức năng tương tự như hợp đồng thông minh, thông qua việc tổ chức logic hợp đồng với nhiều nhánh điều kiện thành dạng cây Merkle, giúp mã Bitcoin đáp ứng nhu cầu chức năng tương tự 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 Bitcoin lên hơn 1000, trong khi MAST có thể điều khiển địa chỉ chữ ký Schnorr để thực hiện đa chữ ký thông qua các chương trình Bitcoin. Do đó, chữ ký Schnorr + MAST có thể tạo ra một mạng lưới đa chữ ký Bitcoin phi tập trung không phụ thuộc vào chữ ký của con người, 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, từ đó 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 đề xuất chính là thành quả tổng hợp của 13 năm phát triển công nghệ Bitcoin từ 2008 đến 2021.

Hai, Tổng quan về giải pháp đồng thuận Taproot

Tài liệu trắng về công nghệ Taproot Consensus mở đầu với việc chỉ ra: "Tính không hoàn chỉnh Turing của mạng Bitcoin đã hạn chế khả năng thực hiện trực tiếp các giải pháp mở rộng Layer2 tương tự như Rollup trên Ethereum. Lớp hợp đồng kịch bản của mạng Bitcoin chỉ có thể thực hiện các giao dịch chuyển tiền đơn giản và 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 khía cạnh kịch bản của Bitcoin là không khả thi."

Đoạn mô tả này tóm tắt cao về tính không hoàn chỉnh của mạng Bitcoin, cũng như giới hạn 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 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 lại với nhau, xây dựng một mạng Layer2 phi tập trung và đồng nhất cao.

Ba, Giải thích chi tiết kiến trúc Đồng thuận Taproot

Taproot Consensus tổng cộng bao gồm 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 chữ ký thủ công, mà thay vào đó sử dụng mã Bitcoin để điều khiển.

Vậy ai sẽ điều khiển những mã này? Đó là sự đồng thuận đạt được thông qua mạng lớp hai.

Mạng lớp hai làm thế nào để đạt được sự đồng thuận, và những sự đồng thuận này làm thế nào để đồng bộ trạng thái với lớp một của Bitcoin?

Đây là vai trò của Bitcoin SPV+BFT POS đồng thuận (Aura+Grandpa).

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

Aura+Grandpa là giao thức đồng thuận PoS nâng cao thực hiện lỗi Byzantine khá phổ biến, đảm bảo tính nhất quán cao của các nút mạng thông qua giao thức phân tán (các blockchain được xây dựng trên khung Substrate thường áp dụng Aura+Grandpa).

Do đó, tóm tắt nguyên lý hoạt động của ba phần Taproot Consensus:

"Trong hệ thống, mỗi xác thực viên đều sở hữu một khóa riêng BTC dùng cho chữ ký Schnorr. Đặc tính của chữ ký Schnorr cho phép thực hiện 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 giải pháp ký đa Musig2, hình thành một cây MAST (Merkle Abstract Syntax Tree) lớn."

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

Nói ngắn gọn:

Taproot Consensus sử dụng Schnorr+Mast để xây dựng quản lý đa ký BTC phi tập trung trên lớp một của Bitcoin, và chạy mạng lưới nút SPV Bitcoin trên lớp hai. Lấy một dự án làm ví dụ, toàn bộ mạng lưới lớp hai của nó chạy nút SPV Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ hóa trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, do đó cho phép thông tin giữa lớp hai và lớp một của Bitcoin được đồng bộ. Để đảm bảo an toàn và đáng tin cậy cho mạng lưới lớp hai, dự án này đã kết hợp mạng lưới nút SPV Bitcoin với Aura+Grandpa, tức là làm cho mạng lưới nút SPV Bitcoin có mức độ an toàn ở cấp độ đồng thuận BFT. Nói cách khác, việc quản lý tài sản của mạng lưới lớp hai không phụ thuộc vào một số người ký đa mà 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 của sách vàng

Ngoài khung kỹ thuật trên, tài liệu trắng 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 hiểu biết về công nghệ mới nhất của Bitcoin, tài liệu trắng này là một tài liệu học tập toàn diện và chi tiết.

Ngoài ra, sách vàng còn giải thích chi tiết quá trình triển khai Musig2 và sự khác biệt của nó so 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 Bitcoin đa ký để xây dựng một mạng chữ ký ngưỡng, cấu trúc này so với mạng phân tán truyền thống, có tính nhất quán mạnh mẽ hơn.

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

Giải pháp Taproot Consensus 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 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 Bitcoin mà còn đảm bảo tính an toàn và nhất quán của mạng lớp hai.

Tóm tắt

Tài liệu kỹ thuật này mô tả một cách hệ thống và toàn diện về kế hoạch thực hiện và chi tiết kỹ thuật của Taproot Consensus, cho chúng ta thấy một giải pháp lớp hai của Bitcoin hoàn toàn được xây dựng 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 bản nâng cấp của Bitcoin để thực hiện đổi mới theo cách kết hợp, là thành quả thực sự của công nghệ mở rộng gốc của Bitcoin.

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