Phân tích toàn diện về sự tiến hóa công nghệ Bitcoin và giải pháp đồng thuận Taproot

Vào ngày 20 tháng 5 năm 2024, một đội ngũ phát triển Layer2 Bitcoin đã phát hành một tài liệu kỹ thuật có tên "Taproot Consensus: một giải pháp BTC Layer2 phi tập trung". Tài liệu này giải thích chi tiết cơ chế thực hiện của Taproot Consensus, cũng như cách tích hợp 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.

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

Trước khi đi sâu vào việc giải thích sách vàng, chúng ta cần xem xét lại quá trình phát triển công nghệ của Bitcoin để hiểu cách mà Taproot Consensus đã ra đời trong quá trình tiến hóa của Bitcoin.

Một, Lịch sử phát triển 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 đề xuất một cách hoàn chỉnh về giải pháp kỹ thuật của Bitcoin. Trong chương thứ tám của bài báo, Satoshi Nakamoto đã giới thiệu 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 phải chạy nút toàn bộ Bitcoin, 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, đánh dấu sự ra đời chính thức của Bitcoin. Đáng chú ý, trong mã nguồn chính thức của Bitcoin, Satoshi Nakamoto đã sử dụng công nghệ chữ ký đường cong 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 mở nguồn và vẫn đang trong thời gian bảo vệ bằng sáng chế, vì vậy Satoshi Nakamoto chỉ có thể chọn chữ ký đường cong elip đã được mở nguồn.

Chữ ký Schnorr giữ lại tất cả các chức năng và giả thuyết an ninh của chữ ký đường cong elliptic, đồng thời vượt qua giới hạn của chữ ký đường cong elliptic, nơi Bitcoin chỉ có thể thực hiện tối đa 15 chữ ký đa ký, cuối cùng có thể quản lý hơn 1000 địa chỉ Bitcoin 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 như Gregory Maxwell chính thức đề xuất BIP, khuyến nghị đưa chữ ký Schnorr vào mạng lưới Bitcoin.

Ngày 14 tháng 11 năm 2021, Bitcoin đã hoàn thành nâng cấp Taproot, chữ ký Schnorr chính thức được đưa vào mạng Bitcoin, Bitcoin đã khởi đầu 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), tức là cây cú pháp trừu tượng Merkel, đây là một công nghệ giúp Bitcoin có chức năng giống như hợp đồng thông minh. Nó thực hiện điều này bằng cách tổ chức logic hợp đồng với nhiều nhánh điều kiện thành dạng cây Merkle, cho phép mã Bitcoin đáp ứng những yêu cầu chức năng giống 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 nâng số lượng địa chỉ đa ký của Bitcoin lên trên 1000+, trong khi MAST có thể thúc đẩy địa chỉ ký Schnorr thực hiện đa ký thông qua chương trình Bitcoin. Do đó, chữ ký Schnorr + MAST có thể tạo ra một mạng đa ký Bitcoin phi tập trung không cần người ký 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 những tình huống kinh doanh phức tạp và phong phú hơn ở lớp thứ hai.

Và giải pháp Taproot Consensus mà đội ngũ phát triển này đưa ra 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 chỉ ra: "Tính chất không hoàn chỉnh Turing của mạng Bitcoin đã hạn chế khả năng thực hiện trực tiếp các kế hoạch mở rộng Layer2 giống như Rollup của Ethereum. Lớp hợp đồng script của mạng Bitcoin chỉ có thể thực hiện các giao dịch chuyển tiền đơn giản, không thể hỗ trợ các chức năng hợp đồng thông minh phức tạp hơn. Do đó, việc chỉ xây dựng kế hoạch mở rộng Layer2 từ lớp script của Bitcoin là không khả thi."

Đoạn mô tả này tóm tắt cao độ về tính không hoàn thiện của mạng Bitcoin, cũng như đặc điểm của hợp đồng script Bitcoin chỉ có thể thực hiện các hoạt động chuyển tiền Bitcoin. Do đó, hướng đúng đắn cho việc mở rộng Bitcoin không phải là làm việc trên một mạng lớp một, 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.

Taproot Consensus 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 Layer2 phi tập trung và đồng nhất cao.

Ba, Giải thích chi tiết kiến trúc đồng thuận Taproot

Taproot Consensus được cấu thành từ ba phần: Schnorr+MAST, Bitcoin SPV và Aura+Grandpa.

Sự kết hợp của Schnorr+MAST có thể thực hiện quản lý đa chữ ký phi tập trung của Bitcoin mà không cần thông qua con người để ký, mà sử dụng mã Bitcoin để điều khiển.

Các mã này được điều khiển bởi sự đồng thuận đạt được từ mạng lớp hai. Cách mà mạng lớp hai đạt được sự đồng thuận, và cách mà những sự đồng thuận này đồng bộ trạng thái với lớp một của Bitcoin, được thực hiện thông qua sự đồng thuận Bitcoin SPV+BFT POS (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 trong môi trường hoàn toàn phi tập trung mà không cần bất kỳ sự cho phép nào.

Aura+Grandpa là một giao thức đồng thuận PoS nâng cao thường được sử dụng để đạt được độ sai lệch Byzantine, đảm bảo tính nhất quán cao giữa các nút mạng thông qua giao thức phân tán.

Tóm tắt nguyên lý hoạt động của ba phần trong Taproot Consensus:

Trong hệ thống này, mỗi người xác thực đều nắm giữ một khóa bí mật BTC để 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 lớn.

Sau khi giá trị băm gốc của cây MAST được tạo ra, các xác thực viên thực hiện chuyển BTC và khắc vào địa chỉ ký hiệu ngưỡng do cây MAST tạo ra, nhằm thực hiện chức năng gửi dữ liệu từ mạng chính BTC đến mạng lớp hai. Đồng thời, mỗi xác thực viên đều là nút nhẹ SPV Bitcoin, giúp họ có thể đồng bộ hóa trạng thái mạng BTC một cách an toàn và không cần giấy phép.

Nói ngắn gọn, Taproot Consensus xây dựng quản lý nhiều chữ ký BTC phi tập trung trên lớp một của Bitcoin bằng cách sử dụng Schnorr+MAST, và lớp hai vận hành mạng nút SPV Bitcoin. Lấy một dự án làm ví dụ, toàn bộ mạng lớp hai của nó chạy các nút SPV Bitcoin, những nút này có thể đồng bộ trạng thái dữ liệu của lớp một Bitcoin, từ đó thông tin của lớp hai và lớp một Bitcoin được đồng bộ. Để đảm bảo an toàn và đáng tin cậy cho mạng lớp hai, dự án đã kết hợp mạng nút SPV Bitcoin và Aura+Grandpa lại với nhau, tức là làm cho mạng nút SPV Bitcoin có được mức độ an toàn ở cấp độ đồng thuận BFT. Điều này có nghĩa là, việc quản lý tài sản của mạng lớp hai không phải do một số người ký nhiều, mà là 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 công nghệ đã nêu, sách 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 tìm hiểu về công nghệ mới nhất của Bitcoin, sách trắng này là một tài liệu học tập rất toàn diện và chi tiết.

Ngoài ra, sách vàng còn giải thích chi tiết quá trình thực hiện Musig2, cũng như sự khác biệt với một dự án BTC Layer2 nổi tiếng khác.

Cấu trúc công nghệ nền tảng của dự án này 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 phối truyền thống có độ nhất quán mạnh mẽ hơn.

Tuy nhiên, tBTC vẫn là một mạng đa ký với 9 người ký. Để thực sự đạt được điều này mà 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 (Chứng minh cổ phần chịu lỗi Byzantine). Đây cũng là sự khác biệt giữa mạng phân tán và blockchain, mạng phân tán nhấn mạnh sự phân tán nhưng thiếu đồng thuận chịu lỗi Byzantine, trong khi blockchain cũng là một mạng phân tán nhưng dựa vào đồng thuận chịu lỗi Byzantine để vận hành, do đó là một mạng thực sự phi tập trung.

Giải pháp Taproot Consensus 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 tích hợp này không chỉ nâng cao khả năng mở rộng và tính khả dụng của mạng Bitcoin mà còn đảm bảo an toàn và tính nhất quán của mạng lớp hai.

Tóm tắt

Tài liệu kỹ thuật này mô tả một cách hệ thống và toàn diện về giải pháp và chi tiết kỹ thuật của Taproot Consensus, cho chúng ta thấy một giải pháp lớp hai cho 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 mang lại từ các lần nâng cấp của Bitcoin để thực hiện đổi mới theo cách kết hợp, là tác phẩm tổng hợp thực sự của công nghệ mở rộng bản địa Bitcoin.

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