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比特币 Taproot 升级终于要来了!一文了解它的过去、现在与未来

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大约两周后,比特币将迎来它最重要的技术升级之一:Taproot。

什么是 Taproot?维基百科上给出的普通定义是:

“主根(taproot)是一个大的、中心的、占优势的根,而其它的根会从其侧面发芽。通常,主根有些直,然后形状逐渐变细,并直接向下生长。在例如胡萝卜这样的植物中,主根是一种非常发达的贮藏器官,其已被作为蔬菜栽培。”

那比特币即将采用的 Taproot 技术方案到底是什么?它的名字是如何来的?

1 比特币 Taproot 名字的由来

“我一直认为这个名字的由来是‘利用 Merkle 根‘,但我实际上并不知道 Gregory Maxwell 的想法是什么。’ —— Pieter Wuille

“我最初不得不查这个词,但我把它理解成了关键路径,因为它是你制作美味的胡萝卜汤的核心,而默克尔化的脚本将是你希望忽略的其他较小的根。” —— Anthony Towns

而 Taproot 方案提出者 Gregory Maxwell 给出的答案‌则是:

“这个词起源于一棵树的形象化,这颗树的中央有一个像蒲公英主根一样粗壮的中心(这项技术非常有用,因为假设有一条高概率路径,其余的路径就模糊化了)。我认为这是一个很好的方法,因为它通过利用根中隐藏的 commitment 来验证脚本路径的花费。……唉,将具有已排序内部节点的哈希树称为“桃金娘树”(Myrtle tree)并没有流行起来。(Myrtle tree 是包括 Melaleuca 树、茶树(tea-tree)在内的树家族,这听起来像 ‘merkle’。:p)”

因此,当谈论比特币 taproot 时,我们脑海中浮现出来的图像应该是下面这个样子的:

来源:SHUTTERSTOCK

2 Taproot 升级对比特币的影响是什么?

早在 18 年初,在 Gregory Maxwell 提出 Taproot 方案之后,国内比特币社区便对该方案进行了早期的报道‌,当时社区的关注点在于:

“实施 taproot 升级后,闪电网络将变得更加私密,这使得 LN 交易与所有比特币交易无法区分开来,因此人们将无法区分比特币的链上交易和闪电网络的链下交易”。

而要应用 Taproot 的前提,是需要先让 Schnorr 签名方案落地。

到了 2019 年,除了提高比特币的隐私性之外,Taproot 方案又被社区赋予了新的使命 —— 扩展比特币智能合约的灵活性。也因此,Taproot 升级以及 Schnorr 签名被提升为“比特币在下一阶段的重要技术‌”。

2020 年 1 月份,Bitcoin core 代码库维护者之一 Pieter Wuille 正式发布了包含 Taproot/Schnorr 软分叉升级的 BIP 340‌、BIP 341‌以及 BIP 342‌,由此,这两个升级提案开始逐渐进入比特币用户们的视野。

今年 6 月份,比特币全网支持 Taproot 升级的算力超过了 90%,达到了锁定升级的最低要求,这也意味着 Taproot 将在比特币区块高度达到 709,632 (预计将在北京时间 11 月 13 日前后)时正式与大家见面。

3 关于 Taproot 和 Schnorr 签名的一些趣事

1、比特币最初使用的是 ECDSA 签名方案,但实际上 Schnorr 签名要比 ECDSA 签名更早诞生,我们说 Schnorr 签名是对比特币原始 ECDSA 签名的升级,是因为其可以更容易地实现各种密码学技巧。在时间顺序上,Schnorr 签名算法的诞生,要早于 ECDSA 所基于的 DSA 算法。而中本聪使用 DSA 的部分目的是为了规避 Claus Peter Schnorr 的 Schnorr 签名专利,而他的专利在 2011 年到期了。

2、虽然没有成功,但在比特币采用 Schnorr 签名的早期发展中,有人建议不应将 Claus-Peter Schnorr 的名字与比特币关联起来,因为他的专利导致这种有价值的密码学技术在 20 多年的时间里没有被广泛使用。Pieter Wuille 曾表示‌:

“我们确实考虑过用 DLS (离散对数签名)来称呼 BIP340,但我们最终没有这样做,因为 Schnorr 的名字已经被谈论得太多了。”

3、Pay to contract:Ilja Gerhardt 和 Timo Hanke 创建了一个名为 Pay to contract‌的协议,该协议由 Hanke 在 2013 年的圣何塞比特币会议上提出,其允许一笔支付承诺其合约的哈希值。任何拥有该合约副本和用于避免某些攻击的 nonce 的人,都可以验证这个承诺(commitment),但对其他人来说,这种付款看起来与其他的比特币付款类似。

2014 年关于侧链的论文‌中包含了对这种 pay-to-contract (P2C) 协议的轻微改进,其中承诺还包括原始的支付公钥,而 Taproot 使用了相同的结构。

4 Taproot 落地之后,未来可能的比特币共识改变

那在激活 Taproot 之后,开发者们会在它的基础之上对比特币进行哪些共识层的改进呢?

1、交叉输入(Cross-input)签名聚合:Schnorr 签名使几个不同的公钥和私钥对的所有者可轻松地创建单个签名,以证明所有密钥所有者在创建签名时都进行了协作。随着未来共识的变化,这可能允许交易包含单个签名,该签名可用于证明在该交易中使用的所有 UTXO 的所有者已授权使用。在第一次输入后,这将为每个密钥路径(keypath) 花费节省大约 16 虚拟字节(vbytes),从而为整合以及 coinjoin 节省开销。它甚至可使基于 coinjoin‌的支出比常规的支出更便宜,从而提供一种温和的激励,以鼓励人们更多地去使用隐私交易。

2、SIGHASH_ANYPREVOUT:每一笔正常的比特币交易都包含一个或多个输入,并且这些输入中的每一个都使用其 txid 引用前一笔交易的输出。这告诉了全验证节点(例如 Bitcoin Core)这笔交易可以花费多少钱,以及需要满足哪些条件才能证明支出是经过授权的。为比特币交易生成签名的所有方式,无论有没有 taproot,要么提交到 prevout 中的 txid,要么根本不牵扯到 prevout。对于不想使用精确的预先安排的一系列交易的多用户协议来说,这是一个问题。如果任何用户可以跳过特定交易,或更改除 witness 验证数据之外的任何交易的任何细节,这将更改任何后续交易的 txid。而更改 txid 会使之前为以后交易创建的任何签名无效。这迫使链下协议实施机制来惩罚任何提交旧交易的用户(例如 LN 的惩罚机制)。

而 SIGHASH_ANYPREVOUT‌可通过允许签名跳过提交到 prevout txid 来消除这个问题。这使得为闪电网络(LN) 实施 eltoo 层‌以及对 vault 金库‌和其他合约协议的改进成为可能。

3、委托(Delegation)和归纳:在你创建一个脚本(taproot 或其它)之后,除了将私钥授予其他人(非常危险),你几乎无法授权他人使用该脚本。此外,对于想要使用密钥路径(keypath)花费加上少量基于脚本条件的用户来说,可以使 taproot 变得更经济。开发者们已经提出了几种通过归纳和提供签名者委托来增强 taproot 的方法:

(1) Graftroot:在 taproot 的想法诞生后不久,Graftroot 就被提出了,该方案将为任何能够制作 taproot 路径的人提供一项额外的功能。密钥路径(keypath)签名者可以签署一个脚本,描述资金可使用的新条件,将支出权限委托给任何能够满足该脚本要求的人,而不是直接支出资金。签名、脚本以及满足脚本所需的任何数据,都将在支出交易中提供。密钥路径(keypath)签名者可通过这种方式委托给无限数量的脚本,而无需创建任何链上数据,直到发生实际支出。

(2)广义 taproot (g’root): 几个月后,Anthony Towns 提出‌了一种使用公钥点(public key points)来承诺多种不同支出条件的方法,而不必使用类似 MAST 的结构。这种广义 taproot (g’root) 构造“在 taproot 假设不成立的情况下可能更有效”,此外,它还提供了一种构建软分叉安全交叉输入聚合系统的简单方法。

(3) Entroot:Graftroot 和 g’root 的最新合成方案‌,它简化了许多情况,使它们更具带宽效率。

4、新的和旧的操作码(opcode):taproot 软分叉包含了对 tapscript 的支持,它提供了一种向比特币添加新操作码的改进方法,即 OP_SUCCESSx 操作码。一些拟议的新操作码包括:

(1)恢复旧操作码:由于担心安全漏洞,2010 年开发者禁用了一些数学和字符串操作的操作码。许多开发人员希望在安全审查后重新启用这些操作码,并且(在某些情况下)可能会扩展操作码以处理更大的数字。

(2) OP_CAT:值得特别提及的一个先前禁用的操作码是 OP_CAT‌,研究人员发现它可单独在比特币上实现各种有趣的行为,或者它还能以有趣的方式与其他新操作码进行组合。

(3) OP_TAPLEAF_UPDATE_VERIFY:当与 taproot 的密钥路径和脚本路径功能一起使用时,OP_TLUV 操作码能以一种特别高效和强大的方式启用契约(covenants‌)。这可用于实现 JoinPool‌、Vault 以及其他安全和隐私改进。它还可以与 OP_CHECKTEMPLATEVERIFY‌很好地结合。

注意,以上所有的想法仍然只是提议,没有人能保证它们会成功应用,这需要研究人员和开发人员完成每一项提案,然后由用户决定这些功能是否值得去改变比特币的共识规则。

相关资料:

1、https://bitcoinops.org/en/newsletters/2021/10/27/

2、https://bitcoinops.org/en/newsletters/2021/10/20/

3、https://www.8btc.com/article/223681

4、https://www.8btc.com/article/351969

 

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