ビットコイン原生技術の集大成:タップルートコンセンサス解決策全面解析

2024年5月20日、あるビットコインLayer2開発チームが「Taproot Consensus: 一つの去中心化されたBTC Layer2ソリューション」という題名の技術的黄皮書を発表しました。この黄皮書では、タップルートコンセンサスの実現方法や、スニール署名、MAST、ビットコインSPVノードなどのビットコイン原生技術を統合し、完全に去中心化されたBTC Layer2ソリューションを構築する方法について詳述されています。

全文を通読すれば、Taproot Consensus方案がビットコインのネイティブな拡張技術の集大成であることは明らかです。それはビットコインのコードに対して何の修正も行わず、ビットコインのいくつかのコア技術を巧妙に組み合わせており、考え方が明確で、構造が巧妙です。

黄皮書を深く解釈する前に、ビットコインの技術的発展の歴史を振り返る必要があります。そうすることで、タップルートコンセンサスがビットコインの進化の文脈からどのように生まれたのかをよりよく理解できるようになります。

一、ビットコイン技術発展回顧

2008年10月31日、中本聪は「ビットコイン: 一種のピアツーピア電子現金システム」という論文を発表し、ビットコインの完全な技術実現方案を初めて提案しました。論文の第八章で、中本聪はSPV(Simple Payment Verification)という解決策、つまり簡単な支払い確認について言及しました。これはビットコインのフルノードを運用することなく、ブロックヘッダーだけを保存することで支払いを確認できる技術手段です。

2009年1月3日、サトシ・ナカモトはヘルシンキの小型サーバーで創世ブロックを採掘し、ビットコインが正式に誕生しました。注目すべきは、ビットコインの初期コードにおいて、サトシ・ナカモトが楕円曲線署名技術(ECDSA)を採用したことであり、ビットコインにより適したシュノル署名技術ではなかったことです。これは当時、シュノル署名がオープンソース化されておらず、特許保護期間内だったためです。

シュノーア署名は、楕円曲線署名のすべての機能とセキュリティ仮定を保持しつつ、楕円曲線署名フレームワークの下でビットコインが最大15重のマルチシグに制限されるという制約を突破しました。最終的には、1000以上のアドレスがビットコインを共同管理でき、署名速度に影響を与えません。

2018年、長年の検証を経て、ビットコインのコア開発者はビットコインネットワークにシュノール署名を導入する提案を正式に行いました。

2021年11月14日、ビットコインはタップルートアップグレードを完了し、シュノア署名が正式にビットコインネットワークに組み込まれ、全く新しい分散型マルチシグ時代が始まりました。シュノア署名に加えて、タップルートアップグレードはMAST(マーヘル化抽象構文木)、つまりメルケル抽象構文木を導入しました。これはビットコインに類似のスマートコントラクト機能を付与する技術です。

シュノール署名とMASTの結合により、ビットコインはコード指令によって駆動される方法で分散型のマルチシグネットワークを実現できるようになり、ビットコインが一層の制限を突破し、二層でより複雑で豊かなビジネスシーンを実現するための基盤が築かれました。

二、タップルートコンセンサス方案概述

タップルートコンセンサステクノロジーのホワイトペーパーの冒頭で、ビットコインネットワークの非チューリング完全性が、イーサリアムのロールアップのようなLayer2拡張ソリューションの直接実現を制限していることが指摘されています。ビットコインネットワークのスクリプト契約層は、単純な送金操作しか行えず、より複雑なスマートコントラクト機能をサポートすることができません。したがって、ビットコインスクリプトのレベルでLayer2拡張ソリューションを構築することは不可能です。

この説明はビットコインネットワークの限界を高度に要約しており、ビットコインの拡張の正しい方向は第一層ネットワークで工夫をすることではなく、ビットコインの既存の能力を活用して完全に分散化された第二層拡張ソリューションを構築することだと指摘しています。

Taproot Consensusは、ビットコインのタップルート技術(Schnorr署名とMAST)、ビットコインSPVライトノード、そしてBFT PoSコンセンサスメカニズムを融合させ、分散化され高度に一貫したLayer2ネットワークを構築しました。

三、タップルートコンセンサスアーキテクチャの詳細説明

タップルートコンセンサスは主にSchnorr+Mast、ビットコインSPV、およびAura+Grandpaの3つの部分で構成されています。

Schnorr+Mastは、ビットコインのタップルートアップグレードによってもたらされた2つのネイティブ技術を利用し、ビットコインの非中央集権的なマルチシグ管理を実現します。手動署名は不要で、ビットコインコードによって駆動されます。

ビットコインSPVは中本聡が提案した簡単な支払い検証方法で、フルノードを実行することなくビットコイン取引を同期および検証できます。この特性により、タップルートコンセンサスは完全に分散化された環境で、許可なしにBTCの状態を同期できるようになります。

Aura+Grandpaは、ビザンチン耐障害性を実現する高度なPoSコンセンサスプロトコルであり、ネットワークノードの高度な一貫性を保証します。

タップルートコンセンサスの運用原理は次のように要約できます: 二層システムにおいて、各検証者はSchnorr署名用のBTC秘密鍵を保持します。Musig2マルチシグネチャスキームによって生成された集約公開鍵Paggを通じて、大規模なMASTツリーが形成されます。検証者はMASTツリーによって生成された閾値署名アドレスにBTCを転送し、刻印操作を行うことで、BTCメインネットから二層ネットワークにデータを提出する機能を実現します。同時に、各検証者はBitcoin SPV軽ノードとして、安全かつ許可なしにBTCネットワークの状態を同期することができます。

簡単に言うと、タップルートコンセンサスはビットコインのレイヤー1でSchnorr+Mastを使用して去中心化されたBTCマルチシグ管理を構築し、レイヤー2でBitcoin SPVノードネットワークを運営し、ビットコインのレイヤー1のデータ状態を同期させます。レイヤー2ネットワークの安全と信頼性を確保するために、ビットコインSPVノードネットワークとAura+Grandpaを統合し、BFTコンセンサスの安全レベルを持たせます。こうすることで、レイヤー2ネットワークの資産を管理するのは特定のマルチシグではなく、BFTコンセンサスに依存し、真の去中心化を実現します。

四、技術的な詳細についての議論

Taproot Consensus黄皮书では、スノール署名、MAST、ビットコインSPVライトノード、Aura+Grandpaなどの技術の実装詳細についても詳しく説明しており、ビットコインの最新技術を学び理解するための包括的で詳細な学習資料を提供しています。

さらに、ホワイトペーパーではMusig2の実装プロセスと、著名なBTC Layer2プロジェクトMezoとの違いについても説明されています。MezoはtBTCプロトコルに基づいており、ビットコインのマルチシグを利用して閾値署名ネットワークを構築しており、強い一貫性を持っています。しかし、tBTCは依然として9人の署名者が必要なマルチシグネットワークであり、人に依存せず合意ドリブンを実現するためには、マルチシグネットワークとBFT PoS合意メカニズムを組み合わせる必要があります。

Taproot Consensusは、このより進んだ設計を採用し、Schnorr署名、MAST、ビットコインSPVライトノード、AuraおよびGrandpaビザンチン耐障害コンセンサスメカニズムを組み合わせることによって、高度な一貫性と安全性を持つ分散型Layer2拡張ソリューションを構築しました。この統合は、ビットコインネットワークの拡張性と可用性を向上させるだけでなく、二層ネットワークの安全性と一貫性を確保します。

サマリー

タップルートコンセンサス技術のホワイトペーパーは、その実現方案と技術詳細を包括的に記述しており、完全にビットコインのネイティブ技術に基づいて構築されたレイヤー2ソリューションを示しています。それはビットコインの元々の技術方針を尊重し継承するだけでなく、ビットコインの歴史的なアップグレードから得られた技術を組み合わせた革新を行い、ビットコインのネイティブな拡張技術の集大成となっています。

ビットコインエコシステムの不断の発展に伴い、真の非中央集権の二層ソリューションがビットコインエコシステムの発展にとって必須の道となり、TAPROOT Consensusのようなソリューションが将来大いに輝くことになるだろう。

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