比特币原生技术的集大成：深度解析 Taproot Consensus 技术方案

2024 年 5 月 20 日，一个比特币 Layer2 开发团队正式发布了《Taproot Consensus：一种去中心化的 BTC Layer2 解决方案》技术黄皮书。该文详细阐述了 Taproot Consensus 的实现方式，以及如何利用施诺尔签名、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。

通读全文后，可以感受到这个团队提出的 Taproot Consensus 解决方案是比特币原生拓展技术的集大成之作。它没有对比特币的代码进行任何修改，而是巧妙地组合了比特币的几项核心技术，思路简洁而结构精妙。

在正式解读黄皮书之前，有必要回顾一下比特币的技术发展历程，以便理解 Taproot Consensus 是如何从比特币的演进脉络中应运而生的。

一、比特币技术发展简史

2008 年 10 月 31 日，中本聪发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》论文，正式提出了比特币的完整技术实现方案。论文第八章提到了 SPV (Simple Payment Verification) 解决方案，即简单支付验证，这是一种无需运行比特币全节点，仅需保存区块头就能验证支付的技术手段。

2009 年 1 月 3 日，中本聪在赫尔辛基的一台小型服务器上挖出了创世区块，标志着比特币正式诞生。值得注意的是，比特币的正式代码采用了椭圆曲线签名技术（ECDSA），而非更适合比特币的施诺尔签名技术。这是因为当时施诺尔签名尚未开源，仍在专利保护期内。

施诺尔签名保留了椭圆曲线签名的所有功能和安全假设，同时突破了比特币最多只能实现 15 重多签的限制，最终可实现 1000+ 地址共同管理比特币且不影响签名速度。

2018 年，经过多年验证，比特币核心开发者正式提出 BIP，建议将施诺尔签名引入比特币网络。

2021 年 11 月 14 日，比特币完成 Taproot 升级，施诺尔签名正式纳入比特币网络，比特币进入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。这是一种赋予比特币类似智能合约功能的技术，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，使比特币代码能够执行类似智能合约的功能（但仅限于比特币支付验证，区别于以太坊的复杂智能合约）。

施诺尔签名可以将比特币的多签地址扩展到 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 的组合可以实现无需人工签名，而是通过比特币代码指令驱动的去中心化比特币多签网络。

这意味着比特币可以以去信任的方式突破一层的限制，在二层实现更复杂、更丰富的业务场景。

而这个团队提出的 Taproot Consensus 解决方案，正是对比特币从 2008 年至 2021 年这 13 年技术迭代的集大成之作。

二、Taproot Consensus 解决方案概述

Taproot Consensus 技术黄皮书开篇指出："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"

这段描述高度概括了比特币网络的非图灵完美性，以及比特币脚本合约只能执行比特币转账操作的特点。因此，比特币拓展的正确方向不是在比特币一层网络上做文章，而是要利用比特币现有的能力，构建一个完全去中心化的比特币二层扩展方案。

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的 Layer2 网络。

三、Taproot Consensus 架构详解

Taproot Consensus 总共由 Schnorr+Mast、Bitcoin SPV 和 Aura+Grandpa 三部分组成。

Schnorr+Mast 利用比特币 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，且无需通过人工签名，而是使用比特币代码来驱动。

这些代码由二层网络达成的共识来驱动。二层网络如何达成共识，以及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）的作用。

Bitcoin SPV 是中本聪提出的简单支付验证方式，无需运行全节点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 是实现拜占庭容错的通用高级 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使用 Aura+Grandpa）。

总结 Taproot Consensus 三部分的运行原理：

在系统中，每个验证者都持有一个用于 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 主网向二层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。

简而言之：

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。以某个二层网络为例，其全部运行比特币 SPV 节点，这些节点可以同步比特币一层的数据状态，从而实现二层网络和比特币一层的信息同步。为了保障二层网络的安全可信，该方案将比特币 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。这意味着，管理二层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

除了上述技术框架外，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说，这份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，以及与其他知名 BTC Layer2 项目的区别。

某些项目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。

然而，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，还确保了二层网络的安全性和一致性。

总结

这份技术黄皮书系统且全面地描述了 Taproot Consensus 的实现方案和技术细节，展现了一个完全基于比特币原生技术构建的比特币二层解决方案。

Taproot Consensus 不仅尊重和继承了比特币原有的技术方向，同时还结合比特币历次升级带来的技术进行组合式创新，是真正意义上的比特币原生拓展技术的集大成之作。

随着比特币生态的不断发展，人们将逐渐意识到，真正去中心化的比特币二层解决方案才是比特币生态发展的必经之路，而 Taproot Consensus 这种解决方案将真正大放异彩。