Tác phẩm tổng hợp của công nghệ mở rộng gốc Bitcoin: Phân tích sâu về công nghệ Taproot Consensus

Vào ngày 20 tháng 5 năm 2024, một nhóm tập trung vào phát triển Bitcoin Layer2 đã phát hành một tài liệu kỹ thuật có tên "Taproot Consensus: Một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này mô tả chi tiết cách 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.

Sau khi đọc toàn bộ văn bản, cảm giác mà người ta có được là giải pháp Taproot Consensus mà đội ngũ này đề xuất thực sự là thành tựu tổng hợp của công nghệ mở rộng gốc Bitcoin. Nó không thay đổi bất kỳ mã code nào của Bitcoin, mà khéo léo tích hợp một số công nghệ cốt lõi của Bitcoin, với ý tưởng rõ ràng và cấu trúc tinh tế.

Trước khi phân tích sâu về sách vàng, chúng ta cần xem lại quá trình phát triển kỹ thuật của Bitcoin, điều này sẽ giúp hiểu Taproot Consensus đã ra đời như thế nào từ dòng chảy tiến hóa của Bitcoin.

Lịch sử tiến hóa công nghệ Bitcoin

Vào ngày 31 tháng 10 năm 2008, Satoshi Nakamoto đã công bố một bài báo có tiêu đề "Bitcoin: Một hệ thống tiền điện tử ngang hàng", lần đầu tiên trình bày đầy đủ về giải pháp kỹ thuật của Bitcoin. Chương thứ tám của bài báo đề cập đến giải pháp SPV (Xác minh Thanh toán Đơn giản), 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 đầy đủ, 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, Phần Lan, đánh dấu sự ra đời chính thức của Bitcoin. Đáng chú ý là mã nguồn ban đầu của Bitcoin 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 bằng sáng chế.

Chữ ký Schnorr giữ lại tất cả các chức năng và giả định an ninh của chữ ký đường elip, đồng thời vượt qua giới hạn mà chữ ký đường elip trong Bitcoin chỉ có thể thực hiện tối đa 15 chữ ký đa ký, cuối cùng có thể quản lý hơn 1000 địa chỉ cùng một lúc mà không ảnh hưởng đến tốc độ ký.

Năm 2018, sau nhiều năm kiểm tra lặp đi lặp lại, các nhà phát triển cốt lõi của Bitcoin chính thức đề xuất việc đưa chữ ký Schnorr vào mạng lưới Bitcoin.

Vào ngày 14 tháng 11 năm 2021, Bitcoin đã hoàn thành nâng cấp Taproot, chính thức đưa chữ ký Schnorr vào mạng lưới, mở ra kỷ nguyên đa chữ ký phi tập trung hoàn toàn mới. Ngoài chữ ký Schnorr, nâng cấp Taproot còn giới thiệu MAST (Merkelized Abstract Syntax Trees), tức là cây cú pháp trừu tượng Merkel, đây là một công nghệ giúp Bitcoin có chức năng tương tự như hợp đồng thông minh.

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 chương trình Bitcoin. Do đó, sự kết hợp của 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 tưởng, 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 tác phẩm tổng hợp của sự phát triển công nghệ Bitcoin trong 13 năm từ 2008 đến 2021.

Tổng quan về giải pháp đồng thuận Taproot

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

Đoạn mô tả này tóm tắt cao độ tính không hoàn chỉnh của mạng Bitcoin, cũng như đặc điểm của hợp đồng script Bitcoin chỉ có thể thực hiện các thao tác chuyển Bitcoin. Do đó, hướng đi đúng đắn để mở rộng Bitcoin không phải là làm việc trên một mạng lưới lớp thứ nhất, mà là tận dụng khả năng hiện có của Bitcoin để xây dựng một giải pháp mở rộng lớp thứ hai hoàn toàn phi tập trung.

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 để xây dựng một mạng lưới Layer2 phi tập trung và đồng nhất cao.

Giải thích kiến trúc đồng thuận Taproot

Đội ngũ này đề xuất Taproot Consensus bao gồm tổng cộng 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 thông qua con người để ký tên, mà là sử dụng mã Bitcoin để điều khiển.

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

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

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

Aura+Grandpa là giao thức đồng thuận PoS cao cấp có khả năng triển khai chịu lỗi Byzantine khá phổ biến, đảm bảo sự nhất quán cao giữa các nút mạng thông qua giao thức phân tán (các blockchain được xây dựng trên khung Substrate hầu hết đều sử dụng Aura+Grandpa)

Vì vậy, tóm tắt nguyên lý hoạt động của ba phần của Taproot Consensus:

Trong hệ thống này, 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 việc 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, người xác thực thực hiện chuyển BTC và thao tác khắc thông qua địa chỉ ký tên ngưỡng được tạo ra từ cây MAST, thực hiện chức năng gửi dữ liệu từ mạng chính BTC sang mạng Layer2. Đồng thời, mỗi người xác thực đều hoạt động như một nút nhẹ Bitcoin SPV (Xác thực Thanh toán Đơn giản), cho phép họ đồng bộ trạng thái mạng BTC một cách an toàn và không cần giấy phép.

Nói ngắn gọn:

Taproot Consensus sử dụng Schnorr+Mast để xây dựng quản lý BTC đa chữ ký phi tập trung trên lớp một của Bitcoin, và lớp hai chạy mạng nút SPV Bitcoin. Lấy một mạng Layer2 làm ví dụ, mạng này hoàn toàn chạy nút SPV Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, do đó, cho phép thông tin giữa Layer2 và lớp một Bitcoin được đồng bộ. Và để đảm bảo mạng lớp hai an toàn và đáng tin cậy, Layer2 này kết hợp mạng nút SPV Bitcoin với Aura+Grandpa, tức là làm cho mạng nút SPV Bitcoin có được mức độ an toàn của BFT trong khía cạnh đồng thuận. Nói cách khác, việc quản lý tài sản của mạng Layer2 không phải do một số người ký đa mà là dựa vào đồng thuận BFT để thúc đẩy, từ đó đạt được sự phi tập trung thực sự.

Các chi tiết kỹ thuật khác

Ngoài khung công nghệ đã đề cập ở trên, tài liệu trắng về Taproot Consensus còn giải thích chi tiết về việc thực hiện các công nghệ như chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ Bitcoin PSV, Aura+Grandpa. Đối với những ai muốn học hỏi và tìm hiểu về công nghệ mới nhất của Bitcoin, tài liệu trắng này là một tài liệu học tập rất toàn diện và chi tiết.

Ngoài ra, sách vàng cũng giải thích chi tiết quy trình thực hiện Musig2, cũng như sự khác biệt giữa nó và các giải pháp kỹ thuật của các dự án BTC Layer2 nổi tiếng khác.

Ví dụ, cấu trúc công nghệ nền tảng của một dự án dựa trên giao thức tBTC. tBTC sử dụng đa ký Bitcoin để xây dựng một mạng chữ ký ngưỡng, cấu trúc này có tính nhất quán mạnh mẽ hơn so với mạng phân phối truyền thống.

Tuy nhiên, tBTC vẫn là một mạng đa chữ ký cần 9 người ký. Để thực sự đạt được điều này mà không phụ thuộc vào con người mà dựa vào sự đồng thuận, cần phải kết hợp mạng đa chữ ký với cơ chế đồng thuận BFT PoS (Chứng minh 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 cũng là một mạng phân tán nhưng dựa vào sự đồng thuận chịu lỗi Byzantine để điều khiển, do đó, nó là một mạng thực sự phi tập trung.)

Giải pháp Taproot Consensus đã áp dụng thiết kế tiên tiến hơn. Bằng cách kết hợp chữ ký Schnorr, MAST, nút nhẹ SPV của Bitcoin cũng như cơ chế đồng thuận Byzantine Aura và Grandpa, đã xây dựng một giải pháp mở rộng Layer2 phân cấp với tính nhất quán và an toàn cao. Sự hòa trộn 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 Layer2.

Kết luận

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 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 mang lại từ các lần nâng cấp Bitcoin trước đây để tạo ra những đổi mới kết hợp, là sản phẩm tổng hợp 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 tất yếu cho sự phát triển của hệ sinh thái Bitcoin, và giải pháp Taproot Consensus này sẽ thực sự tỏa sáng.