比特幣原生擴展技術的新高度：解析 Taproot Consensus 技術黃皮書

前言

近日，一個比特幣 Layer2 開發團隊發布了《Taproot Consensus：一種去中心化的 BTC Layer2 解決方案》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完全去中心化的 BTC Layer2 解決方案。

Taproot Consensus 方案展現了對比特幣原生擴展技術的深刻理解和創新應用。它沒有對比特幣的代碼進行任何修改，而是巧妙地組合了比特幣的幾項核心技術，思路清晰，結構精巧。

在深入探討這份黃皮書之前，我們有必要回顧一下比特幣的技術發展歷程，以便更好地理解 Taproot Consensus 是如何從比特幣的演進中應運而生的。

一、比特幣技術發展歷程

2008 年 10 月 31 日

比特幣白皮書《比特幣：一種點對點的電子現金系統》發表，首次提出了比特幣的完整技術實現方案。

白皮書第八章介紹了 SPV (Simple Payment Verification) 解決方案，即簡單支付驗證。這是一種無需運行比特幣全節點，僅保存區塊頭就能驗證支付的技術手段。

2009 年 1 月 3 日

比特幣創世區塊在赫爾辛基的一臺小型服務器上被挖出，標志着比特幣正式誕生。

值得注意的是，比特幣最初採用了橢圓曲線籤名技術（ECDSA），而非更適合的施諾爾籤名技術。這是因爲當時施諾爾籤名尚未開源，仍處於專利保護期。

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下比特幣最多只能實現 15 重多籤的限制，最終可實現 1000+ 地址共同管理比特幣且不影響籤名速度。

2018 年

經過多年驗證，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提案。

2021 年 11 月 14 日

比特幣完成 Taproot 升級，施諾爾籤名正式納入比特幣網路，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。這項技術賦予了比特幣類似智能合約的功能，通過將多個條件分支的合約邏輯組織成 Merkle 樹的形式來實現。

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，施諾爾籤名與 MAST 的結合，可以實現不需要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限制，在二層實現更復雜、更豐富的業務場景。

而 Taproot Consensus 解決方案，正是對比特幣這 13 年技術迭代的集大成之作。

二、Taproot Consensus 解決方案概要

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只能執行比特幣轉帳操作的限制。因此，比特幣擴展的正確方向不是在比特幣一層網路上做文章，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比特幣二層擴展方案。

Taproot Consensus 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。

三、Taproot Consensus 架構詳解

Taproot Consensus 由 Schnorr+Mast、Bitcoin SPV 和 Aura+Grandpa 三部分組成。

Schnorr+Mast 利用比特幣 Taproot 升級帶來的這兩大原生技術進行組合，實現比特幣的去中心化多籤管理，無需人工籤名，而是通過比特幣代碼驅動。

這些代碼由二層網路達成的共識來驅動。

二層網路如何達成共識，以及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。

Bitcoin SPV 是簡單支付驗證方式，無需運行全節點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。

Taproot Consensus 三部分的運行原理：

在系統中，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 主網向二層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。二層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，實現二層與比特幣一層的信息同步。爲了保障二層網路的安全可信，Taproot Consensus 將比特幣 SPV 節點網路和 Aura+Grandpa 融爲一體，使比特幣 SPV 節點網路具備了 BFT 共識層面的安全級別。這意味着管理二層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。

四、黃皮書其他技術細節

除了上述技術框架，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 BTC Layer2 項目技術方案的區別。

一些項目的底層技術結構基於 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。

然而，tBTC 仍是一個需要多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，還確保了二層網路的安全性和一致性。

總結

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，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者。

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是比特幣生態發展的必經之路，而 Taproot Consensus 這種解決方案將在未來發揮重要作用。