比特幣原生擴展技術的集大成之作：深入解析Taproot Consensus技術

2024年5月20日，一個專注於比特幣Layer2開發的團隊發布了一份名爲《Taproot Consensus：一種去中心化的BTC Layer2解決方案》的技術黃皮書。這份文檔詳細闡述了Taproot Consensus的實現方式，以及如何利用施諾爾籤名、MAST、比特幣SPV節點等比特幣原生技術來構建一個完全去中心化的BTC Layer2解決方案。

通讀全文後，給人的感覺是這個團隊提出的Taproot Consensus解決方案，堪稱比特幣原生擴展技術的集大成之作。它沒有對比特幣的代碼進行任何修改，而是巧妙地整合了比特幣的幾項核心技術，思路清晰，結構精妙。

在深入分析黃皮書之前，我們有必要回顧一下比特幣的技術發展歷程，這有助於理解Taproot Consensus是如何從比特幣的演進脈絡中應運而生的。

比特幣技術演進簡史

2008年10月31日，中本聰發表了題爲《比特幣：一種點對點的電子現金系統》的論文，首次完整闡述了比特幣的技術實現方案。論文第八章提到了SPV（Simple Payment Verification）解決方案，即簡單支付驗證，這是一種無需運行完整節點，僅保存區塊頭就能驗證支付的技術手段。

2009年1月3日，中本聰在芬蘭赫爾辛基的一臺小型服務器上挖出了創世區塊，標志着比特幣的正式誕生。值得注意的是，比特幣的初始代碼採用了橢圓曲線籤名技術（ECDSA），而非更適合比特幣的施諾爾籤名技術。這是因爲當時施諾爾籤名尚未開源，仍在專利保護期內。

施諾爾籤名保留了橢圓曲線籤名的所有功能和安全假設，同時突破了橢圓曲線籤名框架下比特幣最多只能實現15重多籤的限制，最終可以實現1000多個地址共同管理比特幣且不影響籤名速度。

2018年，經過多年的反復驗證，比特幣核心開發者正式提出將施諾爾籤名引入比特幣網路的建議。

2021年11月14日，比特幣完成了Taproot升級，正式將施諾爾籤名納入網路，開啓了全新的去中心化多籤時代。除了施諾爾籤名，Taproot升級還引入了MAST（Merkelized Abstract Syntax Trees），即默克爾抽象語法樹，這是一種讓比特幣具備類似智能合約功能的技術。

施諾爾籤名可以將比特幣的多簽地址擴展到1000+，而MAST可以通過比特幣程序來驅動施諾爾籤名地址進行多籤。因此，施諾爾籤名+MAST的組合可以實現不依賴人工籤名，而是通過比特幣代碼指令來驅動的去中心化比特幣多籤網路。

這意味着比特幣可以以去信任的方式突破一層的局限，在二層實現更復雜、更豐富的業務場景。而這個團隊提出的Taproot Consensus解決方案，正是對比特幣從2008年到2021年這13年技術迭代的集大成之作。

Taproot Consensus解決方案概述

Taproot Consensus技術黃皮書開篇指出：比特幣網路的非圖靈完備性質限制了其直接實現類似以太坊Rollup的Layer2擴展方案。比特幣網路的腳本合約層只能進行簡單的轉帳操作，無法支持更復雜的智能合約功能。因此，單純從比特幣腳本層面來構建Layer2擴展方案是不可行的。

這段描述高度概括了比特幣網路的非圖靈完備性，以及比特幣腳本合約僅能執行比特幣轉帳操作的特點。因此，比特幣擴展的正確方向不是在一層網路上做文章，而是要利用比特幣現有的能力，來構建一個完全去中心化的二層擴展方案。

Taproot Consensus正是將比特幣的Taproot技術（Schnorr籤名和MAST）、比特幣SPV輕節點以及BFT PoS共識機制融合在一起，構建出了一個去中心化且高度一致的Layer2網路。

Taproot Consensus架構詳解

這個團隊提出的Taproot Consensus總共由Schnorr+Mast、Bitcoin SPV和Aura+Grandpa三部分組成。

Schnorr+Mast利用比特幣Taproot升級帶來的這兩項原生技術進行組合，可以實現比特幣的去中心化多籤管理，且不需要通過人來籤名，而是使用比特幣代碼來驅動。

那麼，誰來驅動這些代碼？答案是通過二層網路達成的共識來驅動。

二層網路如何達成共識，且這些共識如何與比特幣一層實現狀態同步？這就是Bitcoin SPV+BFT POS共識（Aura+Grandpa）的作用所在。

Bitcoin SPV是中本聰提出的簡單支付驗證方式，在不運行全節點的情況下，也可以同步和驗證比特幣交易。這一特性使得Taproot Consensus能夠在完全去中心化的環境下，無需任何許可，同步BTC狀態。

Aura+Grandpa是較爲通用的實現拜佔庭容錯的高級PoS共識協議，通過分布式協議確保網路節點的高度一致性（以Substrate框架構建的區塊鏈基本都使用Aura+Grandpa）

因此，總結Taproot Consensus三部分的運行原理：

在這個系統中，每個驗證者均持有一個用於Schnorr籤名的BTC私鑰。Schnorr籤名的特性使其能夠實現高效的籤名聚合，從而提高系統的安全性和效率。通過Musig2多籤名方案生成的聚合公鑰Pagg，形成了一顆大型MAST（Merkle Abstract Syntax Tree）樹。

在MAST樹的根哈希值生成後，驗證者通過向MAST樹生成的門限籤名地址進行BTC轉帳和銘刻操作，實現BTC主網向Layer2網路提交數據的功能。同時每個驗證者均作爲Bitcoin SPV（Simplified Payment Verification）輕節點，使其能夠安全且無許可地同步BTC網路狀態。

簡而言之：

Taproot Consensus在比特幣一層使用Schnorr+Mast構建去中心化的BTC多籤管理，二層運行Bitcoin SPV節點網路。以某個Layer2網路爲例，該網路全部運行比特幣SPV節點，這些節點可以同步比特幣一層的數據狀態，因此，可以讓Layer2和比特幣一層信息同步。而爲了保障二層網路是安全可信的，該Layer2把比特幣SPV節點網路和Aura+Grandpa融爲一體，即讓比特幣SPV節點網路具備了BFT共識層面的安全級別。也就是說，管理Layer2網路資產的不是某些多籤人而是依靠BFT共識來驅動，從而實現真正的去中心化。

其他技術細節

除了上述技術框架外，Taproot Consensus黃皮書還詳細解釋了施諾爾籤名、MAST、比特幣PSV輕節點、Aura+Grandpa等技術的實現細節。對於想學習和了解比特幣最新技術的人來說，這份黃皮書是一個非常全面且詳細的學習資料。

此外，黃皮書還詳細解釋了Musig2的實現過程，以及與其他知名BTC Layer2項目技術方案的區別。

例如，某個項目的底層技術結構是基於tBTC協議。tBTC利用比特幣多籤構建了一個門限籤名網路，這種結構相比傳統分布式網路而言，具有較強的一致性。

但是，tBTC仍是一個需要9人籤名的多籤人網路，要想真正實現不依靠人而是依靠共識驅動，則需要把多籤網路與BFT PoS（拜佔庭容錯權益證明）共識機制相結合。（這也是分布式網路和區塊鏈的區別，分布式網路強調分布式，但是缺乏拜佔庭容錯的共識，而區塊鏈雖然也是一個分布式網路，但是依靠拜佔庭容錯共識來驅動，因此，是真正去中心化的網路）

Taproot Consensus方案則採取了這種更爲先進的設計。通過結合Schnorr籤名、MAST、比特幣SPV輕節點以及Aura和Grandpa拜佔庭容錯共識機制，構建了一個高度一致性和安全的去中心化Layer2擴展方案。這種融合不僅提升了比特幣網路的擴展性和可用性，還確保了Layer2網路的安全性和一致性。

結語

這份技術黃皮書系統且全面地描述了Taproot Consensus的實現方案和技術細節，向我們展現了一個完全基於比特幣原生技術構建的比特幣二層解決方案。

Taproot Consensus不僅尊重和繼承了比特幣原有的技術方向，同時，還結合比特幣歷次升級帶來的技術進行組合式創新，是真正意義上的比特幣原生擴展技術的集大成之作。

隨着比特幣生態的不斷發展，人們將逐漸意識到，真正去中心化的比特幣二層解決方案才是比特幣生態發展的必經之路，而Taproot Consensus這種解決方案將真正的大放光彩。