Een technische analyse van Bitcoin Taproot Upgrade

Bitcoin zal in november een grote upgrade ondergaan. De upgrade omvat veel belangrijke veranderingen in de onderliggende technologie van Bitcoin, zoals vermeld in 3 BIP's (Bitcoin Improvement Proposals): BIP 340 voor Schnorr-handtekeningen, Taproot in BIP 341, en validatie van Taproot-scripts in BIP 342.

De upgrade, genaamd Taproot, was voorgestelde door een core Bitcoin-bijdrager en mede-oprichter en CTO bij Blockstream, Gregory Maxwell in 2018. Dit heeft tot doel de privacy, efficiëntie en Bitcoin-scriptingmethoden te verbeteren. Bepaalde nieuwe functies, waarop al lang wordt geanticipeerd, worden toegevoegd, zoals slimme contractmogelijkheden, Schnorr-handtekeningen, Merkle-filialen en nieuwe sighash-modi. De wijzigingen maken Bitcoin P2SH-transacties meer privé, waardoor onnodige aandacht voor transacties met grote volumes van hackers of misschien regelgevende instanties wordt vermeden.

Het is een zachte upgrade die in november 2021 wordt verwacht. Gebruikers hoeven hun portemonnee niet te upgraden. De oude knooppunten en bitcoins in omloop zal volledig onaangetast blijven. Maar als gebruikers ervoor kiezen om vóór 12 november 2021 niet te upgraden naar Taproot, kunnen ze kwetsbaar worden voor bepaalde aanvallen.

Op 12 juni werd de upgrade ondersteund en vergrendeld door 90% van alle op Bitcoin gedolven blokken. Om dit te ondersteunen, moesten gebruikers upgraden naar de nieuwste Bitcoin Core v 0.21.1. Met behulp van een soft fork-implementatiemethode, BIP9 en Speedy Trial, hebben de miners en mining pools gesignaleerd voor hun ondersteuning van de soft fork in hun gedolven blokken, in een blokperiode van 2016 (ongeveer 2 weken). Om te vergrendelen voor activering, moest 90% van de blokken signaleren. De Speedy Trial zou in augustus eindigen, maar de gemeenschap bereikte al vroeg de gewenste consensus.

De softfork Taproot-upgrade van Bitcoin is nu vergrendeld!!!https://t.co/2ENYz4eLZu#penwortel pic.twitter.com/XKdCkO8TuU

- BitMEX Research (@BitMEXResearch) 12 June 2021

Sinds vorig jaar heeft Bitcoin veel investeringen getrokken uit financiële instellingen en particuliere beleggers het geschikt achten als een nieuwe belegbare activaklasse. Met de juiste implementatie van Taproot zullen de nieuwe mogelijkheden om slimme contracten af ​​te handelen ontwikkelaars naar Bitcoin trekken. Net als fondsen kunnen de grote bedrijven overstappen op Bitcoin voor de ontwikkeling van slimme contracten in plaats van de newbie en minder veilige blockchains te gebruiken.

Bitcoin kan nu worden gebruikt in een groot aantal verschillende sectoren, zoals DeFi, NFT's, ICO's en IEO's, dan alleen een financieel instrument te zijn dat Bitcoins meer nut zal geven. Hopelijk zal deze stap er binnenkort toe bijdragen dat web 3.0 werkelijkheid wordt.

Wijzigingen in de volgende BIP's zijn opgenomen in Taproot:

Schnorr-handtekeningen: BIP-340

Bitcoin is gebaseerd op elliptische curve-cryptografie om de veiligheid en privacy te waarborgen. Het gebruikt momenteel Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) voor het ondertekenen van transacties.

Met de Taproot-upgrade migreert Bitcoin om een ​​ander digitaal handtekeningschema te gebruiken, Schnorr-handtekening genaamd, voor het verifiëren van transacties. Het is een veiliger en niet-kneedbaar handtekeningschema. ECDSA-handtekeningen zijn kneedbaar, waardoor elke derde partij een bestaande handtekening kan wijzigen in een andere geldige digitale handtekening. 

Privacy in P2SH-scripts: Met behulp van Schnorr-handtekening vervangt de upgrade P2SH-transacties door een algemene P2PKH-transactie. Een P2PKH-script (Pay-to-Public-Key-Hash) is het basistype van Bitcoin-transacties. Om een ​​uitvoer uit te geven die is vergrendeld door dit script, genaamd scriptPubKey, moet de gebruiker een ontgrendelingsscript opgeven, genaamd scriptSig, dat de openbare en digitale handtekening is met behulp van de bijbehorende privésleutel. Een P2SH (Pay-to-Script-Hash) is een geavanceerd script waarmee een afzender het geld aan de hash van een script kan vergrendelen. Het inwisselscript vermeldt de bestedingsvoorwaarde van het geld en vereist een ontgrendelingsscript om de output te besteden.

Het inwisselscript wordt alleen onthuld tijdens de bestedingstransactie. Op dat moment kan iedereen in het netwerk het volledige script en de identiteiten die erbij betrokken zijn, blootleggen, waardoor de privacy van de gebruiker wordt verminderd.

De scriptgrootte groeit ook als er meer gecompliceerde bestedingsvoorwaarden bij betrokken zijn. Grote scripts nemen meer ruimte in beslag in UTXO-ruimte wat een nadeel is voor de schaalbaarheid. Dit verhoogt ook de transactiekosten die de afzender moet betalen.

Sleutelaggregatie in transacties met meerdere partijen: Schnorr-handtekeningen zijn lineair. Met deze eigenschap kunnen meerdere partijen in een transactie samenwerken en een enkele handtekening produceren die geldig is voor de som van hun openbare sleutels. Elke transactie met meerdere partijen gespecificeerd door een P2SH-script kan worden geconverteerd naar een eenvoudige P2PKH-transactie. Meerdere handtekeningen kunnen worden geconverteerd naar slechts één handtekening met behulp van de sleutelaggregatie-eigenschap van Schnorr-handtekeningen. Verschillende openbare sleutels kunnen worden gecombineerd tot één sleutel die slechts één handtekening produceert.

Vanuit het perspectief van een verificateur zal elke N-of-N multi-handtekening niet verschillen van gewone handtekeningen. Elke handtekening hoeft niet langer te worden geverifieerd, wat de weg vrijmaakt voor snellere transactieverificatie. In het geval van een M-of-N multi-handtekening, met behulp van Schnorr, worden M-handtekeningen samengevoegd tot één handtekening. De transactie is geautoriseerd wanneer een drempelaantal openbare sleutels en handtekeningen wordt verstrekt, wat wordt weergegeven als een normale P2PKH-transactie. De geaggregeerde openbare sleutel kan nooit worden teruggekoppeld naar de deelnemers.

Slimme contractmogelijkheden: Schnorr-handtekening maakt ook laag-2-mogelijkheden bovenop het Bitcoin-protocol mogelijk, waardoor slimme contractontwikkeling mogelijk is met behulp van scriptloze scripts. Dit is een manier om slimme contracten te coderen in digitale handtekeningen. Dit maakt kleinere, efficiëntere, meer persoonlijke en schaalbare scripts mogelijk.

Atomaire swaps: Atomic swap-transacties die gebruikmaken van adapterhandtekeningen, worden ook weergegeven als een transactie met één ondertekenaar, waardoor ze meer privé worden. Atomic swap maakt de peer-to-peer uitwisseling van twee verschillende tokens op twee verschillende blockchain-netwerken mogelijk zonder dat er een tussenpersoon nodig is. Momenteel zijn atomaire cross-chain handelstransacties triviaal koppelbaar als beide blockchains worden waargenomen.

Met deze upgrade wordt de handtekeningcodering gewijzigd om een ​​vaste 64-byte digitale handtekening te produceren. Ongeacht de complexiteit van het script, neemt de handtekening van Schnorr minder ruimte in beslag, wat resulteert in kleinere transacties en lagere kosten.

Hoofdwortel: BIP-341

Met behulp van Schnorr-handtekeningen introduceert Taproot een nieuwe manier om de voorwaarden voor outputuitgaven in elke transactie te definiëren. Het is een implementatie van het MAST-protocol (Merkelized Abstract Syntax Trees), dat is: voorgestelde in BIP-114. Het gebruikt een Merkle-boom genaamd scriptboom om meerdere takken in een script te coderen, wat de privacy aanzienlijk verbetert door niet-uitgevoerde scripts te verbergen.

P2SH en P2WSH (Pay-2-Witness-Script-Hash) vereisen dat de verlosser alle onverwachte vertakkingen van het script publiceert. P2WSH-script is vergelijkbaar met P2SH dat Segregated Witness (SegWit) ondersteunt. Gebruikers kunnen ervoor kiezen om ofwel een openbare sleutel te gebruiken als een gewone handtekening (gebruikt in P2PKH) of een script te gebruiken (gebruikt in P2SH of P2WSH). Bij het gebruik van MAST, voor het uitgeven van een transactie, hebben gebruikers de mogelijkheid om alleen de scripttak op te geven die ze uitvoeren. Dit verkleint de omvang van de aflossingsstapel. Dit stelt gebruikers in staat om ingewikkelde voorwaarden voor het inwisselen van geld te schrijven die voorheen werden beperkt door de grootte van het script.

Hiermee kunnen ontwikkelaars nu complexe contracten maken met veel verschillende clausules. Deze voorwaarden zijn gecodeerd en gestructureerd in een Merkle-boom. Gebruikers hoeven alleen het script dat hij uitvoert te onthullen om het geld te ontgrendelen dat door het script is vergrendeld.

In de huidige Bitcoin-uitvoering worden bij het ontgrendelen van een P2SH-output alle voorwaarden onthuld om het fonds te besteden. Met behulp van de Merkle-boom is het mogelijk om het script te verifiëren, zelfs als alleen de voorwaarde waaraan is voldaan wordt onthuld. De MAST-structuur heeft ook geen invloed op de opslagvereisten, een willekeurig aantal complexe voorwaarden kan worden opgenomen zonder extra ruimte.  

Met behulp van de Taproot-functie zien P2PKH- en P2SH-transacties er hetzelfde uit en zijn ze niet te onderscheiden.

Tapscript: BIP-342

Dit verbetert de handtekening-hashing om taproot-scripts te valideren. Het is een verbeterde versie van de programmeertaal van Bitcoin. Het maakt het gemakkelijker om nieuwe functies toe te voegen.

Opcodes die worden gebruikt voor verificatie van ECDSA-handtekeningen, OP_CHECKSIG en OP_CHECKSIGVERIFY, zijn aangepast om de nieuw toegevoegde Schnorr-handtekeningen te verifiëren. Opcodes OP_CHECKMULTISIG en OP_CHECKMULTISIGVERIFY worden stopgezet. Om batchverificatie van handtekeningen mogelijk te maken, wordt een nieuwe opcode OP_CHECKSIGADD geïntroduceerd.

De nieuwe tapscript OP_SUCCESS opcodes maken het introduceren van nieuwe opcodes eenvoudiger. Dit maakt het hopelijk gemakkelijker om in de toekomst meer bruikbare opcodes aan Bitcoin-scripts toe te voegen.

Conclusie

De Taproot-upgrade is een langverwachte upgrade in de Bitcoin-gemeenschap om de Bitcoin-mogelijkheden uit te breiden en het volledige potentieel ervan te realiseren. De laag-2-functies zullen meer use-cases op Bitcoin mogelijk maken en hopelijk de industrie in de richting van decentralisatie brengen. Door de toegenomen privacy en efficiëntie in het legacy-systeem zullen er meer toepassingen gerealiseerd kunnen worden. Hopelijk brengt de upgrade meer bruikbaarheid voor onze Bitcoins.