比特币:一文解读比特币升级提案 Taproot：P2SH、MAST 和 Schnorr 签名_PRO

本文将讨论比特币升级提案Taproot，该提案将引入很多全新功能。本文将从各个技术层面分析Taproot、介绍本次升级中涉及的技术以及这些技术会给比特币用户带来哪些好处。什么是Taproot？

Taproot由BitcoinCore贡献者GregoryMaxwell于2018年首次提出。该实现目前尚在开发中。如果没有Taproot，这些复杂的交易需要多个事务来完成，因此很容易失败。Taproot可以让复杂交易像单个比特币交易那样执行，从而增强比特币的隐私性。Taproot升级包括三个重要的技术变化，用来增强比特币的可扩展性、隐私性和灵活性。P2SHMASTSchnorr签名我们将从技术层面讨论这三个概念，从而了解Taproot升级会给比特币用户带来哪些好处。P2SH

比特币地址是一个包含字母和数字的字符串。用户可以将其分享给其他人，以便从后者那里接收BTC。比特币交易主要有两大标准：Pay-to-PubKeyHash(P2PKH)和Pay-to-ScriptHash(P2SH)。在讨论P2SH(PayToScriptHash)和P2PKH(Pay-To-PubKeyHash)这两个概念之前，我们首先熟悉一下关于比特币的背景知识：在比特币网络中，比特币的形式是UTXO。UTXO是UnspentTransaction(TX)Output的缩写，即，比特币交易执行后形成的面额不定的单元。例如，你的比特币钱包里有10BTC，你想要转5BTC给朋友。比特币区块链的处理方式与众不同。它会把10BTC都花掉，将5BTC转入你朋友的钱包，剩下5BTC转入你自己的钱包。这下，你和你的朋友各持有未花费的5BTC。比特币使用脚本来规定花费BTC/UTXO的条件。脚本被用作一种锁定机制。BTC锁定在脚本中。当脚本返回成功时，BTC就会解锁。任何人都可以向任意比特币地址发送BTC。只有当脚本中定义的某些条件得到满足时，锁定的BTC才可以被花费出去。脚本决定了接收方可以如何花费收到的BTC。发起交易时，发送方会在交易中放入一个叫作“PubKeyScript”的脚本。接收方需要生成一个“签名脚本”，是满足PubKey脚本的数据参数的集合。签名脚本在代码中又被叫作“scriptSig”。在上述例子中，你在向朋友发送5BTC时，锁定脚本也会包含在这个交易内。如果你的朋友想要花费这些BTC，必须生成满足锁定脚本中规定条件的解锁脚本。Pay-to-PubKeyHash(P2PKH)

Pay-to-PubKeyHash是一种传统的比特币地址格式。其地址以数字1开头。只有P2PKH地址的所有者才能通过提供公钥哈希值和私钥签名来解锁PubKey脚本并花费收到的BTC。私钥是用来证明公钥哈希值的所有权的。正如我们上文讨论过的那样，脚本定义了特定地址上的BTC在什么条件下可以花费。当规定条件得到满足且通过网络验证时，该地址上的BTC就会被解锁以供花费。这一流程是如何运作的？——接收方首先生成PubKey脚本并将其分享给发送方。发送方在发送BTC时将该PubKey脚本添加到交易中。收到BTC时，如果接收方想要解锁这些BTCUTXO，就要提供公钥哈希和私钥签名，并满足PubKey脚本中提到的条件。

例如，这些条件可以是：解锁BTC至少需要两个签名。提供口令才能解锁。BTC需要等待一段时间才能解锁。上述这类情况可以作为解锁BTC的条件。发送比特币时，发送方需要在交易中包含PubKey脚本。因此，这会增加交易的体积，产生的交易费比普通交易高出5倍左右。这里，发送方必须承担额外的成本。Pay-to-ScriptHash可以帮助发送方免去这一额外成本。Pay-to-ScriptHash(P2SH)

PayToScriptHash(P2SH)可以帮助发送方免去额外的成本，并将这一责任转移到真正需要使用锁定脚本中规定条件的接收方身上。Pay-to-ScriptHash比特币地址是以数字3开头的。在这个交易标准下，发送方不需要将很长的PubKey脚本放到他们的交易中。这里，锁定脚本被替换成了赎回脚本哈希值。赎回脚本哈希值由赎回脚本计算而来。赎回脚本与PubKey脚本类似，包含接收方在花费未花费输出之前必须满足的条件。发送方只需在交易中注明赎回脚本的哈希值。赎回脚本哈希可以翻译成标准比特币地址，发送方无需进行任何特殊操作或支付额外费用即可将BTC发送到这些地址。接收方想要解锁这个P2SH地址上的BTC时，需要生成具有相同哈希值的赎回脚本并将其包含到交易内。因此，接收方用来解锁UTXO的交易大小会增加，执行交易的成本也会增加。例如，Alice想要发送10BTC给Bob。Alice必须将赎回脚本哈希包含到交易内。首先，Bob先生成一个赎回脚本，然后将赎回脚本的哈希值发送给Alice，以便Alice将该哈希添加到交易内并发起交易。如果Bob想要花费该UTXO，必须生成相同哈希值的解锁脚本，并满足脚本中提到的条件。别忘了，Alice只需将赎回脚本的哈希值而非整个脚本添加到交易内。因此，Alice无需承担额外的费用。Pay-to-ScriptHash的优势使用哈希值取代冗长的脚本。发送方可以在不知道脚本中规定的花费条件的情况下，在交易中放入任意数量的赎回脚本哈希值。减轻了发送方的交易费负担。MAST

MAST是MerklizedAbstractSyntaxTree的缩写。为什么要使用MAST？如果你想花费P2SH地址里的BTC，你必须生成具有相同哈希值的赎回脚本并将其包含到交易中。如果脚本中规定的花费条件太多，交易体积会变得格外庞大。MAST可以很好的解决这一问题。默克尔抽象语法树是默克尔树和抽象语法树的结合体。就像PayToScriptHash(P2SH)是给哈希值为某某的脚本付款那样，MAST是给哈希值为某某的默克尔根付款。MAST是把一个大的条件集合中的各个条件组装成一棵哈希树，而默克尔树的根值是一个哈希值，由所有条件哈希而成。默克尔根和哈希树是如何生成的？首先分别对所有脚本做哈希计算；然后将计算得到的哈希值与相邻哈希值组合起来进行哈希计算，生成一组新的哈希值。不断重复这个两两哈希计算的过程，直到计算出最后一个哈希值为止。这个哈希值就是默克尔根。假设共有四组条件。首先，分别计算出这四组条件的哈希值；再将这四个哈希值两两配对，计算出两个哈希值；最后，把这两个哈希值组合起来做哈希计算，生成最终的哈希值。最后这个哈希值就是默克尔根。

这个默克尔根可以翻译成一个能够接收付款的有效比特币地址，即，默克尔比特币地址。默克尔比特币地址有很多优点，最主要的优点是无需知晓所有脚本单元就能验证某个脚本是否位于这棵默克尔树上。这个技术叫作默克尔证明，可以用来轻松验证一个比特币UTXO是否包含某些解锁条件。在MAST中，BTC与一棵默克尔树绑定。这棵默克尔树指定了可以解锁未花费BTC的所有复杂条件。每个叶节点都代表着一个条件。为了解锁BTC，你必须生成一个满足默克尔树上某个分支所代表的条件的脚本。仅使用默克尔根即可验证这个条件是否属于原始条件集合。一旦比特币区块链网络发现某个脚本属于这个默克尔根，网络就会知道这个脚本是这些比特币的锁定条件并开始验证解锁脚本。因此，我们无需生成完整的脚本并将其包含到交易内，即可花费以MAST锁定的BTC。这有助于减少BTC交易的体积。Schnorr签名

在密码学中，Schnorr签名是由ClausSchnorr提出的Schnorr签名算法生成的数字签名。Schnorr签名算法是一种以简单闻名的数字签名方案，通过将多个签名聚合成单个签名以优化验证和认证过程。该方案适用于多签交易。若想执行交易，你需要使用私钥签名该交易，以证明你是某个公钥背后的BTC的所有者。但是，若想执行多签交易，你必须提供多个签名。这些签名会占据额外的空间。以12/20多签交易为例。12/20指的是执行该交易至少需要提供20个签名中的任意12个。签署交易时，签名也会存储在区块内。假设1个签名的大小是5字节，12个签名需要占用区块60字节的内存，100个签名需要占用500字节的内存。这会增加内存用量。Schnorr签名恰好可以解决这一问题。为了理解Schnorr签名，我们来看两个例子：另一种情况是多签交易。假设你需要100个签名且每个签名的大小是5字节，Schnorr签名方案可以将这100个签名合并成一个大小为64字节的Schnorr签名。省下436字节的内存可以用来存储更多交易。比特币升级——Taproot计划将上述概念引入比特币区块链，增强其可扩展性、隐私性和灵活性。比特币Taproot：总结

本文主要围绕以下几个要点介绍了Taproot：Taproot是BitcoinCore贡献者GregoryMaxwell在2018年提出的比特币升级提案。Taproot让复杂的交易如多签名交易、时间锁交易看起来如同普通的比特币交易，增强了比特币的隐私性。Taproot升级主要包含3个技术概念——P2SH、MAST和Schnorr签名。比特币使用脚本注明花费BTC/UTXO的条件。PayToScriptHash(P2SH)可以帮助发送方免去额外的交易费，并将这一责任转移到真正需要使用锁定脚本中规定条件的接收方身上。使用MAST，比特币可用默克尔树抽象语法树来锁定。默克尔树决定了可以解锁未花费BTC的所有复杂条件。默克尔抽象语法树被提议引入比特币区块链，以减少BTC交易的体积，使得接收方无需在交易中附加冗长的脚本。仅使用默克尔根即可验证接收方生成的脚本是否属于原始条件集合。Schnorr签名可以将多个签名合并成单个签名。原地址:https://b10c.me/blog/004-the-incomplete-history-of-bitcoin-development/作者:0xB10C

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