比特币原生拓展技术集大成者——BEVM技术黄皮书全面解读

律动BlockBeats2024/05/20 08:04

作者:律动BlockBeats

前言：

2024 年 5 月 20 日，比特币 Layer2 开发团队 BEVM 正式发布了技术黄皮书《Taproot Consnesus 一种去中心化的 BTC Layer2 解决方案》

黄皮书详尽描述了 Taproot Consnesus 的实现方式，以及如何结合施诺尔签名、MAST、比特币 SPV 节点等比特币原生技术来构建完全去中心化的 BTC Layer2 解决方案。

通篇读完，笔者感受到 BEVM 团队提出的 Taproot Consnesus 解决方案，是真正意义上的比特币原生拓展技术的集大成者。Taproot Consnesus 没有对比特币的代码进行任何的修改和增减，而是充分对比特币的几大原生技术进行了组合式创新，思路简洁，结构巧妙。

在正式解读黄皮书之前，我们有必要回顾下比特币的技术迭代史，从而方便理解 Taproot Consnesus 是如何一步步从比特币的发展脉络中脱胎而出的。

正文：

一、比特币技术迭代史

2008 年 10 月 31 日

中本聪发表题为《比特币：一种点对点的电子现金系统》的论文，正式提出了比特币完整的技术实现方式。

在论文的第八章，中本聪提到名为 SPV ( Simple Payment Verification ) 的解决方案，即简单支付验证，是一种不需要运行比特币全节点，只需保存区块头，也可以验证支付的技术手段。

2009 年 1 月 3 日

中本聪在位于赫尔辛基的一台小型服务器上挖出了创世区块，这标志着比特币正式诞生。

值得一提的是，在比特币的正式代码里，中本聪使用了椭圆曲线签名技术（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，简称 ECDSA），却没有采用更适合比特币的施诺尔签名技术（即 Schnorr Signature），究其原因，并非椭圆曲线签名比施诺尔签名技术更优，而是，当时施诺尔签名并没有开源，仍在专利保护期，因此，中本聪退而求其次，选择了已经开源的椭圆曲线签名。

施诺尔签名保留了椭圆曲线签名的所有功能和安全假设，同时，可以突破在椭圆曲线签名的技术框架下比特币最多只能实现 15 重多签的束缚，最终实现 1000+地址共同管理比特币且不影响签名速度。

2018 年

经过多年的反复验证，比特币核心开发者 Gregory Maxwell 等人正式提出 BIP，建议把施诺尔签名引入比特币网络。

2021 年 11 月 14 日

比特币正式完成 Taproot 升级，施诺尔签名被正式纳入比特币网络，比特币开启了全新的去中心化多签时代。

除了施诺尔签名，Taproot 升级还引入了 MAST（Merkelized Abstract Syntax Trees），即默克尔抽象语法树，这是一种让比特币具备类似智能合约功能的技术，它通过将多个条件分支的合约逻辑组织成 Merkle 树的形式来实现，即可以让比特币代码来实现类似智能合约的功能需求（但是，仅限于比特币支付验证，区别于以太坊复杂的智能合约）。

施诺尔签名可以把比特币的多签地址达到 1000+，而 MAST 可以通过比特币程序来驱动施诺尔签名地址进行多签，因此，施诺尔签名+MAST，可以实现不需要人来签名而是通过比特币代码指令来驱动的去中心化比特币多签网络。

这意味着比特币可以去信任的方式摆脱一层的束缚，进而到比特币二层实现更复杂更丰富的业务场景。

而 BEVM 团队提出的 Taproot Consnesus 解决方案，正是对比特币从 2008 年-2021 年这 13 年技术迭代的集大成。

二、Taproot Consnesus 解决方案概要：

Taproot Consnesus 技术黄皮书开篇提到：「比特币网络的非图灵完备性质限制了其直接实现类似以太坊 Rollup 的 Layer2 扩展方案。比特币网络的脚本合约层只能进行简单的转账操作，无法支持更复杂的智能合约功能。因此，单纯从比特币脚本层面来构建 Layer2 扩展方案是不可行的」

开篇这段描述具有高度概括性，指出了比特币网络的非图灵完美性，且比特币脚本合约只能执行比特币转账操作，因此，比特币拓展的正确方向不是在比特币一层网络作文章，而是要使用比特币已有的能力，来构建一个完全去中心化的比特币二层扩展方案。

而 Taproot Consensus 就是将比特币的 Taproot 技术（Schnorr 签名和 MAST）、比特币 SPV 轻节点以及 BFT PoS 共识机制融合在一起，构建出了一个去中心化且高度一致性的 Layer2 网络。

三、详解 Taproot Consnesus 架构

BEVM 团队提出的 Taproot consensus 总共由 Schnorr+Mast, Bitcoin SPV 和 Aura+Grandpa 三部分组成。

Schnorr+Mast 在前文我们已经提到，使用比特币 Taproot 升级带来的这两大原生技术进行组合，可以实现比特币的去中心化多签管理，且不需要通过人来签名，而是使用比特币代码来驱动。

那么，谁来驱动这些代码？是通过二层网络达成的共识来驱动。

那么，二层网络如何达成共识，且这些共识如何与比特币一层实现状态同步？

这就是 Bitcoin SPV+BFT POS 共识（Aura+Grandpa）的效用。

Bitcoin SPV 是中本聪提出的简单支付验证方式，在不运行全节点的情况下，也可以同步和验证比特币交易。这一特性使得 Taproot Consensus 能够在完全去中心化的环境下，无需任何许可，同步 BTC 状态。

Aura+Grandpa 是比较通用的实现拜占庭容错的高级 PoS 共识协议，通过分布式协议确保网络节点的高度一致性（以 Substrate 框架构建的区块链基本都用 Aura+Grandpa)

因此，总结，Taproot consensus 三部分的运行原理：

「在 BEVM 系统中，每个验证者均持有一个用于 Schnorr 签名的 BTC 私钥。Schnorr 签名的特性使其能够实现高效的签名聚合，从而提高系统的安全性和效率。通过 Musig2 多签名方案生成的聚合公钥 Pagg，形成了一颗大型 MAST（Merkle Abstract Syntax Tree）树。

在 MAST 树的根哈希值生成后，验证者通过向 MAST 树生成的门限签名地址进行 BTC 转账和铭刻操作，实现 BTC 主网向 BEVM 网络提交数据的功能。同时每个验证者均作为 Bitcoin SPV（Simplified Payment Verification）轻节点，使其能够安全且无许可地同步 BTC 网络状态」

简而概之：

Taproot consensus 在比特币一层使用 Schnorr+Mast 构建去中心化的 BTC 多签管理，二层运行 Bitcoin SPV 节点网络，以 BEVM 为例，BEVM 二层网络全部运行比特币 SPV 节点，这些节点可以同步比特币一层的数据状态，因此，可以让 BEVM 和比特币一层信息同步。而为了保障二层网络是安全可信的，BEVM 把比特币 SPV 节点网络和 Aura+Grandpa 融为一体，即让比特币 SPV 节点网络具备了 BFT 共识层面的安全级别。即，管理 BEVM 网络资产的不是某些多签人而是依靠 BFT 共识来驱动，从而实现真正的去中心化。

四、黄皮书其他技术细节

除了以上技术框架外，Taproot consensus 黄皮书还详细解释了施诺尔签名、MAST、比特币 PSV 轻节点、Aura+Grandpa 等技术的实现细节。对于想学习和了解比特币最新技术的人来讲，BEVM 团队出品的这个 Taproot consensus 黄皮书是一个非常全面且详细的学习资料。

不仅如此，黄皮书还详细解释了 Musig2 的实现过程，以及知名 BTC Layer2 项目 Mezo 与 Taproot consensus 的区别。

Mezo 的底层技术结构是基于 tBTC 协议。tBTC 利用比特币多签构建了一个门限签名网络, 这种结构相比传统分布式网络而言, 具有较强的一致性。

但是，tBTC 仍是一个需要 9 人签名的多签人网络，要想真正实现不依靠人而是依靠共识驱动，则需要把多签网络与 BFT PoS（拜占庭容错权益证明）共识机制相结合。（这也是分布式网络和区块链的区别，分布式网络强调分布式，但是缺乏拜占庭容错的共识，而区块链虽然也是一个分布式网络，但是依靠拜占庭容错共识来驱动，因此，是真正去中心化的网络）

Taproot Consensus 方案则采取了这种更为先进的设计。通过结合 Schnorr 签名、MAST、比特币 SPV 轻节点以及 Aura 和 Grandpa 拜占庭容错共识机制, 构建了一个高度一致性和安全的去中心化 Layer2 扩展方案。这种融合不仅提升了比特币网络的扩展性和可用性, 还确保了 BEVM 网络的安全性和一致性。