ビットコイン原生拡張技術の革新：デプス解析 TAPROOT コンセンサス技術黄皮書

2024年5月20日、BEVMというビットコインLayer2開発チームが技術報告書《Taproot Consensus：去中心化されたBTC Layer2ソリューション》を発表しました。この文書では、Taproot Consensusの実装方法と、シュノール署名、MAST、ビットコインSPVノードなどのネイティブ技術を組み合わせて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しく説明されています。

Taproot Consensusプランはビットコインのネイティブ拡張技術の集大成です。それはビットコインのコードに対して何の変更も行わず、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、シンプルで巧妙な革新のアイデアを示しています。

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ビットコイン技術の発展の回顧

2008年10月31日、中本聡は「ビットコイン：一つの点対点電子現金システム」という論文を発表し、ビットコインの完全な技術実装方法を提案しました。論文の第八章では、SPV（Simple Payment Verification）ソリューション、すなわち簡易支払い検証について紹介しています。これは、全ノードを運用することなく支払いを検証できる技術です。

2009年1月3日、中本聡はヘルシンキのサーバーで創世ブロックをマイニングし、ビットコインの正式な誕生を示しました。注目すべきは、ビットコインは当初、より適したシュノア署名技術ではなく、楕円曲線署名技術（ECDSA）を採用していたことです。これは当時、シュノア署名がオープンソース化されておらず、まだ特許保護期間内だったためです。

2018年、多年の検証を経て、ビットコインのコア開発者がシュノア署名をビットコインネットワークに導入する提案を正式に提出しました。

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、正式にシュノール署名を導入し、分散型マルチシグ時代が始まりました。タップルートアップグレードはMAST（Merkelized Abstract Syntax Trees）も導入し、ビットコインにスマートコントラクトのような機能を持たせました。

シュノール署名とMASTの組み合わせにより、ビットコインはコード駆動の分散型マルチシグネットワークを実現でき、ビットコインのレイヤー2ネットワークの発展の基礎を築きました。

タップルートコンセンサス方案概要

タップルートコンセンサス技術のホワイトペーパーは、ビットコインネットワークの非チューリング完全性が、直接的に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を実現することを制限していることを指摘しています。ビットコインのスクリプト契約層は単純な送金操作しか行えず、複雑なスマートコントラクト機能をサポートできません。したがって、単純にビットコインのスクリプトレベルからLayer2拡張ソリューションを構築することは不可能です。

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

タップルートコンセンサスアーキテクチャの詳細

タップルートコンセンサスは、Schnorr+Mast、ビットコインSPV、Aura+Grandpaの三つの部分から構成されています。

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ネイティブ技術を利用し、ビットコインの非中央集権的マルチシグ管理を実現し、コード駆動によるものであり、人間の署名ではありません。

ビットコインSPVは、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することを可能にし、タップルートコンセンサスが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します。

Aura+Grandpaは、ビザンチンフォールトトレランスを実現する高級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確保します。

BEVMシステムでは、各バリデーターがSchnorr署名用のBTCプライベートキーを保持しています。Musig2マルチシグネチャスキームによって生成された集合公開鍵Paggは、大規模なMASTツリーを形成します。バリデーターは、MASTツリー生成のしきい値署名アドレスにBTCを転送し、刻印操作を行うことで、BTCメインネットからBEVMネットワークにデータを送信する機能を実現します。同時に、各バリデーターはBitcoin SPVライトノードとして、BTCネットワークの状態を安全かつ許可なしに同期することができます。

簡単に言うと、Taproot Consensusはビットコインのレイヤー1でSchnorr+Mastを使用して分散型の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ます。BEVMのレイヤー2ネットワークはすべてビットコインSPVノードを運営し、ビットコインのレイヤー1とのデータ同期を実現します。レイヤー2ネットワークの安全性と信頼性を確保するために、BEVMはビットコインSPVノードネットワークとAura+Grandpaを融合させ、BFTコンセンサスの安全レベルを持たせています。

技術的な詳細とイノベーション

Taproot Consensusのホワイトペーパーでは、シュノール署名、MAST、ビットコインPSVライトノード、Aura+Grandpaなどの技術の実装詳細が詳しく説明されており、ビットコインの最新技術を深く理解したい人々にとって、包括的かつ詳細な学習資料を提供しています。

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との違いについて詳しく説明されています。MezoはtBTCプロトコルに基づき、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います。しかし、tBTCはまだ9人の署名者ネットワークのマルチシグが必要です。Taproot Consensusは、Schnorr署名、MAST、ビットコインSPVライトノード、AuraおよびGrandpaビザンチンフォールトトレランスコンセンサス機構を組み合わせた、より先進的なデザインを採用しており、高度な一貫性と安全性を持つ非中央集権的Layer2拡張ソリューションを構築しています。

まとめ

BEVMチームの技術ホワイトペーパーは、タップルートコンセンサスの実装方案と技術詳細を包括的に示しており、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ソリューションを提示しています。タップルートコンセンサスは、ビットコインの技術的方向性を引き継ぐだけでなく、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て革新を行っており、ビットコインのネイティブ拡張技術の集大成です。

ビットコインエコシステムの不断の発展に伴い、真に分散化されたビットコインの第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おいて必須の道となるでしょう。そして、タップルートコンセンサスというこのようなソリューションが未来において重要な役割を果たすことが期待されています。