Taproot 101: 比特幣的最新升級如何增強隱私和可擴充性

即使你從早期就參與了加密貨幣領域,你可能也沒有聽說過這麼多重大的比特幣升級。

原因很簡單,比特幣是目前世界上最古老、最頂級的加密貨幣,其特點是擁有當今最具彈性的計算機網絡,正常運行時間接近99.99%,整個歷史上只有兩次停機(總共持續不到15小時)。 

因此,比特幣開發人員必須確保他們推出的升級在經歷了多輪嚴格的測試後是100% 穩定, 這樣他們就可以避免給比特幣社區帶來嚴重的後果。 

試想一下,如果比特幣代碼中的一個錯誤允許駭客重複消費比特幣或使大部分網絡癱瘓的情況下。 這將對比特幣和整個加密貨幣行業造成不可彌補的損失。

因此,一次比特幣升級通常需要多年的時間才會進行一次。 上一次網絡經歷重大變化是在2017年8月,當時礦工們啟動了隔離見證(SegWit),允許比特幣鏈上更有效地存儲數據的解決方案。 然而,這在社區中引發了激烈的辯論,導致了比特幣鏈的分裂和比特幣現金 (Bitcoin Cash)的硬分叉。

此外,由於比特幣的特點是一個龐大的社區,包括數以百萬計的終端使用者、礦工、投資者、企業和開發人員,因此很難就升級建議達成共識。 

也就是說,這一次,似乎大多數比特幣網絡參與者已經同意推出一個名為Taproot的新升級方案,該方案最近在礦工中達到了90%的關鍵共識水準。

Taproot預計將改善比特幣交易的隱私度,降低轉賬費用,允許更多的靈活性,並增強區塊鏈的可擴充性。

但甚麼是Taproot,它是如何運作的呢?

甚麼是Taproot升級(Taproot Upgrade)?它將如何惠及比特幣?

Taproot是一個軟分叉,計劃在第709,632個區塊進行,預計將在2021年11月14日左右發生。

Taproot最初由比特幣核心貢獻者(和前CTO)Gregory Maxwell在2018年提出,它將把比特幣目前的ECDSA數位簽名演算法改到Schnorr(後面會作更詳細介紹)。

簡單地說,通過改變演法,複雜的簽名(例如需要多方簽名的交易)可以組合在一起。 因此,複雜的交易現在看起來將與標準(使用者對使用者)的比特幣交易相同,增加了交易用戶之間的隱私。

此外,將單個交易中的眾多簽名合併成一個簽名(而不是將它們逐一納入到一個區塊),減少了必須在區塊鏈上傳輸和存儲的數據量。

由於數據存儲更有效,比特幣將能夠每秒處理更多的交易(TPS),而在Taproot升級後,複雜的傳輸成本亦預計會降低。

有趣的是,由於目前數位簽名的演算法將被改變,預計Taproot升級將在11月與新的Schnorr演算法一起實施。

Taproot是如何運作?

現在,你已經了解關於Taproot的基本知識以及升級比特幣的重要性。

接下來,我們將更深入地探討我們的主題,了解Taproot將如何改變網絡中的數位簽名。

數位簽章、P2SHECDSA

為了更深入地了解我們的主題,讓我們一起重溫一下比特幣網絡中交易的一些重要的基本知識。

你可能已經知道,加密貨幣利用了公鑰加密技術(因此而得名),其中你有兩把鑰匙:一把私人鑰匙和一把公開鑰匙。

雖然你可以分享你的公鑰來接收他人的比特幣,但私鑰是用來對交易進行數位簽名的(也可以用來使用你的資金和恢復你的錢包)。

數位簽名在比特幣生態系統中起著至關重要的作用,因為它們需要證明你對比特幣的擁有權,以及能使用它們。

在實際執行上,加密貨幣網絡中的所有加密貨幣都被代碼預設 「鎖定 」,這些代碼指的是交易中包含的幾行代碼,然後在成功得到礦工對區塊中其他轉移的處理後,接連上區塊鏈中。

比特幣網絡中的代碼決定了用戶在下一次交易中如何花費他們的比特幣。 最簡單的條件是通過用你的私鑰對轉賬進行數位簽名來證明你的比特幣擁有權。

然而,在比特幣生態系統中,不只是簡單的使用者對使用者的轉賬交易,還有其他更複雜的使用情況。  

其中的例子包括時間鎖 (Timelocks) 和多重簽名 (Multi-signature) 交易。前者允許用戶在特定的日期或區塊高度轉移他們的比特幣;而多重簽名則要求交易必須由預先確定的一組私鑰授權簽署才能通過及進行(例如需要五個簽名中的三個簽名才能成功地從多重簽名錢包向接收者發送比特幣)。

簡而言之,多重簽名交易一般應用於不同人士/組織集體控制資金的錢包,以分擔風險和加強安全。 例如,AAX將多重簽名技術應用於其強大的錢包系統,以消除單點故障,確保客戶的資金安全。

在比特幣交易方面,開發人嚶可以結合不同的條件來創建和實施複雜的智能合約(不同的人士/ 組織根據預先定下的規則自動執行的數位合約)。

例如,如果滿足以下任何條件就可以使用multisig錢包中的比特幣:

  • 雙方使用他們的私鑰進行簽署交易
  • 其中一方在兩天過後提供一個秘密號碼
  • 兩把私密金鑰中的一把在達到690,000塊的高度後用於簽署交易

2012年當Pay To Script Hash(P2SH)開始實施後,即比特幣網絡中的一種交易和位址類型,完整的代碼,包括消費條件等代碼並不對外公開,只有它的哈希值(一串很長的數位)可以在公共賬簿上看到。

然而,當發送人滿足其中一個執行交易和使用比特幣的條件時,它就會顯示整組代碼以及它所包含的所有數據,包括所有滿足和未滿足的條件,網絡參與者可以輕易通過使用代碼的初始哈希值,在區塊鏈上輕鬆審計。   

正如你所看到的,這可能會給傳送者帶來一些隱私問題,因為任何人都可以分析代碼的哈希值,看到裡面的條件,也可能顯示敏感資訊,例如用於轉移的錢包類型等。

除了源於P2SH的隱私問題,比特幣還面臨著進一步的匿名性和效率相關的問題。它目前的數位簽章演算法被稱為橢圓曲線數位簽章演算法(ECDSA),最初由中本聰建。

簡單地說,ECDSA的主要問題是,與交易有關的每個簽名都被單獨包括在內(例如如果在一個轉移中有十五個簽名,所有十五個簽名都被逐一包括在內)。

這樣做會增加了多個簽名和其他複雜交易類型的規模,隨著規模的增加,轉讓中包含的簽名愈多,成本就愈高。

此外,這些複雜的交易之後會被礦工處理成區塊,並記錄在區塊鏈上,當資料使用量增加後,它們減慢了網絡的速度,大大降低了其效率。

最重要的是,由於多個簽名在交易中被逐一添加,網絡參與者,包括從區塊鏈分析師、標準用戶和惡意程意人員等人士,都很容易發現多重簽名交易、智能合約和其他複雜的轉移內容。

以上的情況會對像CoinJoin這樣的加密貨幣幣混合器構成一個重大的問題,因為這類混合器致力允許用戶在轉移比特幣時實現更高的隱私水準。

然而,由於ECDSA演算法,CoinJoin交易在區塊鏈上的顯示與標準交易不同,這為分析師提供了識別它們的能力,使這種轉移的大部分隱私功能無法使用。

將這一點與P2SH的缺點結合起來,就很容易識別多重簽名交易,並了解花費資金的條件以及關於發送者的潛在細節。

Schnorr

Schnorr以其發明者、德國著名數學家和密碼學家Claus P. Schnorr命名,是一種數位簽章演算法,利用線性數學來聚合簽名。

換句話說,與ECDSA演算法的不同,Schnorr數位簽章是線性進行。

因此,所有的簽名和它們對應的公開鑰匙都可以匯總成一個單一的門檻式簽名和門檻式公開鑰匙。

由於這個原因,一個多重簽名交易只需要包含一個公開鑰匙和一個簽名(而不是幾個),使他們在資料存儲方面比ECDSA更便宜和更有效。由於比特幣區塊鏈的負載減少,它將能夠每秒處理更多交易。

最重要的是,Schnorr的聚合簽名和公開鑰匙看起來與標準簽名完全一樣,使比特幣網絡中的多重簽名交易與其他交易無法區分,增加了用戶的隱私度。

此外,Schnorr演算法允許開發人員在交易方面獲得更多的功能。

Taproot

有了Schnorr,簽名和它們對應的公開鑰匙可以結合在一起,使multisig和其他複雜的交易像普通交易一樣顯示在比特幣區塊鏈上。

利用Schnorr,Taproot以Merkelized Abstract Syntax Tree(MAST)為基礎,在隱私方面更進一步。簡單地說,在多重簽名交易的情況下,MAST只顯示花費比特幣之後所滿足的條件。

像其他基於MAST的結構一樣,Taproot包括了一個被稱為合作關閉的條件,在這個條件下,所有參與者就結果達成一致,共同簽署多重簽名交易並進行結算。

當合作關閉條件得到滿足時,所有參與者將他們的公開鑰匙和數位簽章結合起來,之後在修改門檻式鑰匙和簽名的代碼的幫助下,他們能一起使用比特幣。

在一併利用了Taproot和Schnorr的解決方案後,多重簽名交易看起來就像一個普通的交易,而不會透露任何條件或代碼本身。

但是,當另一個條件被滿足時(當參與者未能相互合作時)會發生甚麼事?

在這種情況下,未修改的門檻式公開鑰匙和調整它的代碼會在區塊鏈上顯示出來,作為交易中包含的加密貨幣在滿足替代條件之一的情況下可以被使用的證明。

也就是說,在所有參與者合作的正常情況下,Taproot可以完全隱藏交易的複雜元素,並將其偽裝成普通人。

Taproot: 比特幣自SegWit以來最重要的升級

Taproot顯然是自2017年8月推出SegWit以來最重要和最令人期待的網絡升級。

就像SegWit一樣,Taproot通過用Schnorr取代目前的ECDSA演算法,將眾多簽名批量化為一個簽名,使區塊鏈上的資料存儲更有效率。

它能大大降低複雜的交易,例如多重簽名傳輸、(第二層)閃電網絡操作、計時器和智能合約的成本,也使比特幣能夠提高其可擴展性和輸送量。

此外,由於Taproot隱藏了比特幣的使用條件,同時使複雜的交易與其他交易無法區分,因而增強了網絡參與者的隱私。

值得留的是,由於傳送者和接收者的比特幣位址仍然可以被公開審計,因此Taproot不會使比特幣的交易匿名。相反,它將在一定程度上增加了網路絡內的隱私。

比特幣很少推出重大升級,因為它需要確保其網絡的最大穩定性。與此同時,去中心化金融領域也正在進行許多實驗,而當中有一小部分可能會失敗。

然而,經過無數次的測試和試驗,最好的部份可能會成為成熟的比特幣功能,或者至少是讓比特幣能進一步分層的重要部分。

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