比特币Taproot软分叉是什么？Taproot的内容和原理详解

比特币Taproot是比特币网络自2017年隔离见证（SegWit）升级以来的最重要的升级，于2021年11月14日正式激活。Taproot旨在提高比特币的隐私性、效率和智能合约能力，为比特币的未来发展带来更多的可能性。

Taproot的背景和目的

比特币是一种基于密码学和区块链技术的去中心化的电子货币，最常见的比特币交易是从一个地址向另一个地址发送一定数量的比特币。然而，比特币网络也支持更复杂的交易，例如多重签名（multisig）、时间锁定（timelock）、条件分支（conditional branch）等，这些交易可以实现更多的功能，如闪电网络（Lightning Network）、原子交换（atomic swap）、托管服务（escrow service）等。

这些复杂的交易需要使用比特币脚本（script）来指定花费比特币的条件和逻辑，比特币脚本是一种基于堆栈的编程语言，由一系列的操作码（opcode）组成。比特币脚本的执行结果决定了交易是否有效，比特币网络的所有节点都需要验证交易的脚本。

然而，比特币脚本也存在一些问题和局限性，主要有以下几点：

隐私性差。比特币交易和脚本都是公开的，任何人都可以查看交易的细节和逻辑，这可能暴露交易者的身份和意图，也可能引起监管和审查的风险。例如，如果一个交易使用了多重签名，那么就可以看出有多少个签名者，以及他们的公钥和签名。如果一个交易使用了时间锁定，那么就可以看出锁定的时间或高度。如果一个交易使用了条件分支，那么就可以看出有多少个分支，以及每个分支的条件和输出。
效率低。比特币交易的大小和费用与交易的复杂度成正比，复杂的交易需要更多的数据和验证，因此会占用更多的区块空间和网络资源，也会支付更高的交易费。例如，一个使用多重签名的交易，需要为每个签名者提供公钥和签名，这会增加交易的大小。一个使用时间锁定的交易，需要为每个锁定输出提供额外的操作码，这会增加交易的验证时间。
灵活性差。比特币脚本的功能受到比特币协议的限制，有些操作码已经被禁用或限制，有些功能还没有被实现或支持。例如，比特币脚本不能实现循环和递归，也不能访问区块链之外的数据，这限制了比特币脚本的表达能力和应用范围。另外，比特币脚本的修改和升级也非常困难，需要全网共识和软分叉或硬分叉的方式，这可能导致社区的分裂和冲突。

为了解决这些问题和局限性，比特币核心开发者Gregory Maxwell于2018年首次提出了Taproot的提案，并由Pieter Wuille等人负责实现和部署。Taproot的目标是通过优化比特币脚本的结构和签名的算法，来提升比特币的隐私性、效率和灵活性。

Taproot的内容和原理

Taproot的升级包括三个不同的比特币改进提案（BIP），分别是BIP340、BIP341和BIP342，它们分别涉及到Schnorr签名、Taproot和Tapscript三个核心的技术变化，我们分别来介绍它们的内容和原理。

Schnorr签名（BIP340）

Schnorr签名是一种数字签名算法，由德国数学家克劳斯·施诺尔（Claus Schnorr）于1989年提出，但由于受到专利的保护，直到2008年才过期。Schnorr签名有许多优点，尤其是在生成短签名方面，以简洁高效著称。

目前，比特币使用的是椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），这是一种基于椭圆曲线密码学的签名算法，由比特币的创始人中本聪（Satoshi Nakamoto）在比特币的设计中选择使用，主要是因为它广泛使用、易于理解、安全稳定、轻量并且开源。

然而，Schnorr签名算法相比ECDSA算法有以下几个优势：

签名聚合。Schnorr签名可以将多个签名聚合成一个签名，这对于多重签名的交易非常有用，可以节省空间和费用。例如，一个使用2-of-3多重签名的交易，需要为每个签名者提供公钥和签名，共计6个元素，如果使用Schnorr签名，就可以将这6个元素聚合成一个公钥和一个签名，只需要2个元素，大大减少了交易的大小。
验证效率。Schnorr签名可以提高交易的验证效率，减少验证的时间和资源。例如，一个使用2-of-3多重签名的交易，需要对每个签名者的公钥和签名进行验证，共计6次验证，如果使用Schnorr签名，就可以一次性验证聚合后的公钥和签名，只需要1次验证，大大减少了验证的次数。
隐私性强。Schnorr签名可以提高交易的隐私性，隐藏交易的细节和逻辑。例如，一个使用2-of-3多重签名的交易，可以被任何人识别出是一个多重签名的交易，以及有多少个签名者，如果使用Schnorr签名，就可以让这个交易看起来像是一个普通的单签名的交易，无法区分出是一个多重签名的交易，也无法知道有多少个签名者。

Taproot（BIP341）

Taproot是为了优化比特币脚本的结构，提高比特币的隐私性和效率。它的基础是2017年的隔离见证（SegWit）升级，以及使用默克尔化抽象语法树（MAST）来扩展比特币区块链中的交易数据量。

比特币网络中的交易由公钥和私钥保护。如果要支付钱包中的数字资产，用户需要先提供签名证明自己是真实的所有者，才能转移代币。除了单一签名的交易，比特币网络中的交易还可以通过释放时间锁、要求多重签名等功能来提升复杂度。

然而，复杂的多重签名的交易需要多次输入和签名验证，会给区块链增加巨大的数据量，拖慢交易的速度。并且，复杂的多重签名的交易也会暴露交易的细节和逻辑，降低交易的隐私性。例如，如果一个交易使用了2-of-3多重签名，那么任何人都可以看出这是一个多重签名的交易，以及有多少个签名者，这可能会泄露交易者的身份和意图。

为了解决这些问题，Taproot提出了一种新的交易结构，将比特币脚本分为两个部分：一个是公钥，一个是脚本。公钥是一个由多个签名者的公钥组合而成的单一的公钥，称为Taproot公钥。脚本是一个由多个条件分支组成的树状结构，称为Tapscript。每个条件分支都有一个对应的脚本，用于指定花费比特币的条件和逻辑。Tapscript使用了Schnorr签名算法，可以实现签名的聚合和验证的效率。

Taproot的优点是，它可以让复杂的多重签名的交易看起来像是一个普通的单签名的交易，提高交易的隐私性和效率。如果所有的签名者都同意花费比特币，那么他们只需要提供一个聚合后的签名，而不需要提供任何脚本，这样就可以节省空间和费用，也可以隐藏交易的细节和逻辑。如果有一个或多个签名者不同意花费比特币，那么他们就需要提供一个或多个条件分支的脚本，以及对应的签名，这样就可以保证交易的安全和灵活。

Tapscript（BIP342）

Tapscript是为了优化比特币脚本的语言，提高比特币的灵活性和兼容性。它是在比特币脚本的基础上进行了一些修改和扩展，主要有以下几点：

使用Schnorr签名替代ECDSA签名，使得签名的验证更加简单和高效，也使得签名的聚合和隐私性更加容易实现。
使用OP_SUCCESS操作码替代一些已经被禁用或限制的操作码，使得这些操作码可以在未来被重新定义或启用，也使得Tapscript可以与未来的升级保持兼容。
使用OP_CHECKSIGADD操作码替代OP_CHECKMULTISIG操作码，使得多重签名的验证更加简单和高效，也使得多重签名的聚合和隐私性更加容易实现。
使用OP_CHECKTEMPLATEVERIFY操作码替代OP_CHECKOUTPUTSHASHVERIFY操作码，使得交易的输出可以被限制为特定的模板，也使得交易的扩展性和灵活性更加增强。

Tapscript的优点是，它可以让比特币脚本的功能更加丰富和强大，提高比特币的灵活性和兼容性。它可以支持更多的智能合约和应用，如闪电网络、原子交换、托管服务等。它也可以为比特币脚本的未来发展提供更多的可能性和空间。

Taproot的激活和影响

Taproot的激活是通过一种称为速度优先版本比特（Speedy Trial）的软分叉方式进行的，这是一种基于矿工信号的激活机制，要求在一个三个月的时间窗口内，有90%的区块信号支持Taproot的激活，否则就会失败。Taproot的激活在2021年6月12日达成了共识，正式激活在2021年11月14日完成。

Taproot的激活对比特币的影响是深远的，它可以为比特币带来以下几个方面的改善：

隐私性提升。Taproot可以让复杂的多重签名的交易看起来像是一个普通的单签名的交易，隐藏交易的细节和逻辑，提高交易的隐私性。这可以保护交易者的身份和意图，也可以避免监管和审查的风险。
效率提高。Taproot可以让复杂的多重签名的交易占用更少的区块空间和网络资源，降低交易的大小和费用，提高交易的效率。这可以增加区块链的吞吐量和可扩展性，也可以降低交易的成本和延迟。
灵活性增强。Taproot可以让比特币脚本的功能更加丰富和强大，支持更多的智能合约和应用，提高交易的灵活性。这可以拓展比特币的应用场景和价值，也可以为比特币的创新和发展提供更多的可能性。

总结

比特币Taproot是比特币网络自2017年隔离见证升级以来的最重要的升级，于2021年11月14日正式激活。Taproot旨在通过优化比特币脚本的结构和签名的算法，来提升比特币的隐私性、效率和灵活性。Taproot的升级包括三个不同的比特币改进提案，分别是Schnorr签名、Taproot和Tapscript，它们分别涉及到签名的聚合、脚本的隐藏和脚本的扩展三个核心的技术变化。Taproot的激活对比特币的影响是深远的，它可以为比特币带来隐私性的提升、效率的提高和灵活性的增强，为比特币的未来发展带来更多的可能性。

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