一文讀懂比特幣原生可擴(kuò)展性方案SegWit和Taproot
一文讀懂比特幣原生擴(kuò)容方案SegWit和Taproot！比特幣是世界上最早、最安全、最去中心化、市值最高的區(qū)塊鏈。然而，其較低的每秒交易量 (TPS) 和有限的編程能力經(jīng)常受到批評(píng)，難以支持大規(guī)模應(yīng)用，嚴(yán)重阻礙了比特幣生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。作為比特幣生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)者，本文將帶領(lǐng)你了解比特幣擴(kuò)容解決方案的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。
今天腳本之家小編給大家分享的是比特幣可擴(kuò)展性系列文章的第一篇，主要介紹比特幣主網(wǎng)上歷史上實(shí)現(xiàn)的原生擴(kuò)容解決方案。下一篇文章將討論具有更高擴(kuò)容性的鏈下擴(kuò)容方案。敬請(qǐng)期待。
增加區(qū)塊大小限制
2010 年，中本聰在bitcoin-core中引入了1MB 的區(qū)塊大小限制。之后十多年這一明確限制一直未曾修改。
有趣的是，中本聰并沒(méi)有公開(kāi)解釋他提出區(qū)塊大小限制的原因，這個(gè)限制“隱藏”在代碼合并的 PR 中，沒(méi)有詳細(xì)解釋。在中本聰離開(kāi)幾年后，社區(qū)在區(qū)塊大小限制問(wèn)題上出現(xiàn)了嚴(yán)重分歧，對(duì)更大區(qū)塊的需求引發(fā)了廣泛的討論。
區(qū)塊越大，容納的交易數(shù)量越多。假設(shè)共識(shí)時(shí)間不變，區(qū)塊越大，TPS 越高。
為什么TPS這么重要？因?yàn)樵?MB的區(qū)塊限制下，以當(dāng)時(shí)的交易規(guī)模，每秒能完成的交易數(shù)量只能有3-7筆，對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)比特幣“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)”的愿景。
然而，更大的區(qū)塊也帶來(lái)不同程度的問(wèn)題。
首先，更大的區(qū)塊對(duì)存儲(chǔ)、計(jì)算和帶寬等硬件的要求更高，導(dǎo)致全節(jié)點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)成本增加。比特幣的歷史交易數(shù)據(jù)迅速擴(kuò)展，需要新的全節(jié)點(diǎn)花費(fèi)更多時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)同步。這些要求降低了用戶操作全節(jié)點(diǎn)的意愿，從而降低了去中心化程度。
其次，區(qū)塊越大，節(jié)點(diǎn)間的同步時(shí)間越長(zhǎng)，出現(xiàn)孤塊的可能性越大，導(dǎo)致區(qū)塊重組更加頻繁，分叉風(fēng)險(xiǎn)增大，大大降低安全性。
后來(lái)這個(gè)問(wèn)題被Vitalik稱為區(qū)塊鏈不可能三角，即區(qū)塊鏈無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)去中心化、可擴(kuò)展性和安全性。區(qū)塊越大，可擴(kuò)展性就越強(qiáng)，但代價(jià)是去中心化和安全性越弱。
最重要的是，修改區(qū)塊大小限制需要硬分叉，這就要求全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級(jí)，否則將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分 裂。這對(duì)于依賴去中心化共識(shí)的比特幣來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)好的選擇。在中本聰?shù)挠绊懴?，避免硬分叉似乎已?jīng)成為比特幣事實(shí)上的原則。
不幸的是，分 裂確實(shí)發(fā)生了。盡管社區(qū)內(nèi)部缺乏共識(shí)，但一些礦工和開(kāi)發(fā)人員還是更改了客戶端中的區(qū)塊大小限制，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分叉。2016 年，Bitcoin Classic 采用 BIP 109 將區(qū)塊大小限制分叉至 2MB；2016 年，Bitcoin XT 客戶端采用 BIP 101，將區(qū)塊大小提高至 8MB。然而，絕大多數(shù)礦工和用戶仍留在我們現(xiàn)在所知的比特幣主網(wǎng)上。
通過(guò)硬分叉明確增加區(qū)塊大小的努力失敗了。
隔離見(jiàn)證
如果硬分叉不可接受，那么軟分叉可以作為解決方案嗎？SegWit 就是其中一種方法。
見(jiàn)證是解鎖UTXO的憑證，長(zhǎng)期以來(lái)，見(jiàn)證被放置在UTXO的輸入腳本字段中以完成交易。然而，這種方式存在循環(huán)依賴、第三方交易延展性、第二方交易延展性等潛在問(wèn)題。
早在 2011 年，開(kāi)發(fā)者就注意到了這個(gè)問(wèn)題，并提出了隔離見(jiàn)證（SegWit）的解決方案，即將見(jiàn)證與其他交易數(shù)據(jù)分開(kāi)。但當(dāng)時(shí)的硬分叉提案并未獲得支持，直到 2015 年 SegWit 軟分叉的提出才最終實(shí)現(xiàn)合并。
SegWit是如何通過(guò)軟分叉實(shí)現(xiàn)向后兼容的呢？這主要包括以下兩個(gè)方面：
- 新版本節(jié)點(diǎn)可以識(shí)別并接受舊版本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的區(qū)塊和交易。
- 雖然舊版本節(jié)點(diǎn)無(wú)法識(shí)別新版本引入的新規(guī)則和特性，但它們?nèi)匀粚⑿掳姹井a(chǎn)生的區(qū)塊視為有效。
SegWit 軟分叉允許新交易使用空輸入腳本，并在區(qū)塊結(jié)構(gòu)中添加見(jiàn)證字段以存儲(chǔ)見(jiàn)證。由于升級(jí)前的比特幣核心支持空輸入腳本，因此舊版本節(jié)點(diǎn)不會(huì)拒絕新版本生成的區(qū)塊。此外，通過(guò)使用版本字段，舊的交易類型仍可使用，并且節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)版本以不同的方式處理它們。
SegWit 中的擴(kuò)展是通過(guò)權(quán)重的形式實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)證字節(jié)的權(quán)重為 1，其他數(shù)據(jù)字節(jié)的權(quán)重為 4，從而限制每個(gè)區(qū)塊的最大權(quán)重為 400 萬(wàn)。為什么要為不同類型的數(shù)據(jù)分配不同的權(quán)重？一個(gè)常識(shí)性的想法是，見(jiàn)證數(shù)據(jù)在使用時(shí)只起到驗(yàn)證作用，不需要長(zhǎng)期保存在存儲(chǔ)中，因此成本相對(duì)較低，權(quán)重也較低。
這實(shí)際上是變相提高了區(qū)塊大小限制，理論上的區(qū)塊大小上限被提升到了 4MB（完全歸功于見(jiàn)證數(shù)據(jù)），平均下來(lái)區(qū)塊可以達(dá)到 2MB 左右。從舊區(qū)塊結(jié)構(gòu)來(lái)看，這還是秉承了中本聰當(dāng)初每個(gè)區(qū)塊不超過(guò) 1MB 的限制。
Taproot
利用比特幣的操作碼比如OP_IF，我們可以為比特幣的花費(fèi)腳本設(shè)置復(fù)雜的條件，比如時(shí)間鎖、多重簽名等。然而，復(fù)雜的花費(fèi)條件往往需要多次輸入和簽名進(jìn)行驗(yàn)證，從而增加區(qū)塊負(fù)載并降低交易速度，同時(shí)暴露所有的支付條件，導(dǎo)致隱私泄露。
Taproot 使用 MAST 來(lái)增強(qiáng)比特幣，用戶使用 Merkle Trie 來(lái)表示花費(fèi)條件。每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)花費(fèi)腳本，在花費(fèi)過(guò)程中，只需要提供實(shí)際執(zhí)行的腳本和相應(yīng)的 Merkle Path，而無(wú)需透露其他條件。這可以減少區(qū)塊空間消耗并提高隱私性。
Taproot 升級(jí)還引入了 Schnorr 簽名，該簽名具有加法同態(tài)特性，允許簽名聚合和批量驗(yàn)證，從而提高整體每秒交易數(shù) (TPS)。Schnorr 簽名的聚合簽名優(yōu)勢(shì)大大簡(jiǎn)化了驗(yàn)證多重簽名交易的邏輯。以前，ECDSA 簽名需要將多個(gè)簽名發(fā)送到鏈上才能與腳本匹配，而 Schnorr 簽名只需要將單個(gè)鏈下聚合簽名發(fā)送到鏈上，從而減少了多重簽名支付對(duì)鏈上空間的使用。
通過(guò)將 Schnorr 簽名與 MAST 相結(jié)合，并使用支付到合約 (Pay to Contract，P2C) 概念，通過(guò) MAST 根提交復(fù)雜的合約代碼，以調(diào)整并生成支持單一 Schnorr 簽名支付的標(biāo)準(zhǔn)比特幣公鑰。
有趣的是，由于 Schnorr 簽名的單個(gè)簽名和多個(gè)簽名在鏈上看起來(lái)相同，因此復(fù)雜腳本、多重簽名和單次簽名的邏輯在鏈上無(wú)法區(qū)分，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了隱私性。
結(jié)論
比特幣的可擴(kuò)展性解決方案反映了其在提高性能的同時(shí)保持去中心化和安全性的不斷發(fā)展的方法。
最初，考慮增加區(qū)塊大小，直接解決低交易率的問(wèn)題，但引發(fā)與節(jié)點(diǎn)成本和網(wǎng)絡(luò)分叉相關(guān)的問(wèn)題，對(duì)社區(qū)共識(shí)提出挑戰(zhàn)。
SegWit 的引入標(biāo)志著一項(xiàng)重大進(jìn)步，通過(guò)軟分叉優(yōu)化區(qū)塊容量，確保向后兼容性并避免分 裂的硬分叉。
隨后，Taproot 通過(guò) MAST 和 Schnorr 簽名進(jìn)一步完善了可擴(kuò)展性和隱私性，減少了交易空間并提高了驗(yàn)證效率。更重要的是，Taproot 可以在比特幣上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的腳本編程，為未來(lái)的擴(kuò)展嘗試鋪平了道路。
這些發(fā)展凸顯了比特幣謹(jǐn)慎而創(chuàng)新地向更具可擴(kuò)展性和更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)邁進(jìn)，這對(duì)其作為全球支付系統(tǒng)的未來(lái)至關(guān)重要。
然而，這些擴(kuò)容方案的影響還不足以實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)”的愿景。
以上就是腳本之家小編給大家分享的一文讀懂比特幣原生可擴(kuò)展性方案SegWit和Taproot的詳細(xì)解讀了，希望此篇教程能夠幫助大家更好的了解未來(lái)行情走勢(shì)。
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