比特币Taproot升级将迎来哪些变化？

2021年10月11日，比特币继续上行，10月12日凌晨触及57824.6美元的价位，基本收复了5月以来的跌势。 近期加密市场回暖，市场对“双头牛”的讨论更加热烈。 不少业内人士对比特币给予了更高的期待。

在此背景下，我们担心比特币网络的一项重要技术升级——Taproot升级——将在下个月启动，这将是比特币发展中值得关注的里程碑事件。

2021年6月12日，据Taproot.watch数据显示，比特币Taproot升级已锁定，将于今年11月激活。 Taproot.watch 甚至制作并发布了一段视频来庆祝。 这意味着当比特币网络在 11 月达到指定区块高度（709,632）时，Taproot 将被激活，与 Taproot 相关并包含在比特币核心 0.21.1 中的比特币改进提案（BIPs）将自动启动。

由于此次Taproot升级将是继2017年比特币隔离见证之后最大的一次技术扩容，因此受到了业界的高度关注，尤其是在比特币爱好者眼中，此次升级意义非凡。 Taprrot 升级有望提高比特币网络的可扩展性、隐私性和灵活性，提升性能和用户体验，并将对链的影响降到最低。

那么为什么比特币需要升级呢？ Taproot 是一种什么样的升级？ 它会对比特币网络产生什么潜在影响？ 能否助推物价飙升？

为什么比特币需要升级？

众所周知，比特币从诞生之日起除了存储和交易外几乎没有其他功能，其价值更多体现在存储手段和“数字黄金”的特性上。 作为价值传递的基础设施，比特币网络一直存在可扩展性和交易效率的问题。 比特币区块大小的上限是 1MB，这导致比特币网络每秒只有大约 7 笔交易。 因此，比特币网络交易确认速度非常缓慢，网络拥堵问题一直困扰着很多比特币用户。

近年来，比特币社区也一直在研究和尝试扩容方案。 2017 年 8 月，比特币社区试图通过激活隔离见证（SegWit）升级来提高比特币的可扩展性。 隔离见证通过将每笔交易的数字签名信息从区块中移除并存储在基本交易区块之外，从而改善了可扩展性问题，从而减小了区块的大小。

然而，这仍然远远不足以提高比特币网络的可扩展性。 比特币社区也在不断寻找其他的解决方案，包括后来的比特币 Layer 2 扩展方案——闪电网络，虽然它对比特币有了很大的改进。 但是，与主流区块链网络相比，比特币网络性能还有较大差距和空间。 这也使得比特币很难成为高交易量的数字资产。

此外，更重要的是，比特币网络的隐私和安全问题也亟待解决。 一方面，比特币在技术层面的程序脚本设置会公开合约条款的内容和参与者的信息； 另一方面，在比特币目前的ECDSA签名中，可以从多重签名交易的签名中免费获取身份信息。 参与者的信息也可以通过技术手段进行追踪。 随着比特币网络的普及和参与者的不断增加，上述问题更加突出。

为了提高比特币的隐私性和交易可扩展性，2018年1月，比特币核心贡献者Gregory Maxwell在研究MAST技术后，首次提出了Taproot的概念。 后来，他与Pieter Wuille、Anthony Towns、Johnson Lau、Jonas Nick等几位核心开发人员一起研究了一种名为Schnorr签名的方案，并将其纳入Taproot，并计划在协议更新中展示。

2019 年 5 月 6 日，比特币协议开发者 Pieter Wuille 向比特币开发者邮件列表发布了一个名为“Taproot”的软分叉提案。 2020年1月，Taproot/Schnorr软分叉升级提案作为比特币改进提案（BIPs）正式发布，相关提案序号为BIP340-342。 截至今年6月，已经得到比特币社区和矿工的支持，即将正式上线。

什么是 Taproot 升级？

与以太坊网络（EIPs）一样，比特币也会定期更新（网络软分叉），主要通过比特币改进提案（BIPs）的形式，为比特币引入一些信息改进和新特性。

总的来说，Taproot 是一种协议升级，旨在提高比特币网络的安全性、隐私性和灵活性。 本次升级主要包括三个升级包（BIP），分别是Schnorr签名（BIP 340）、Taproot（BIP 341）和Tapscript（BIP 342）。 这些升级的详细信息如下所述。

1. Schnorr 签名

Schnorr签名最初是德国数学家、密码学家Claus P. Schnorr于2008年提出的数字签名方案比特币升级几次了，后来区块链公司Blockstream的密码学家Gregory Maxwell和Pieter Wuille在2018年提出了一种名为Schnorr签名的MuSig签名方案。 该算法签名将替代比特币传统上使用的椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA)。

Schnorr 的工作原理类似于椭圆曲线数字签名，但比 ECDSA 有更多的优势。 其中最值得注意的是允许签名聚合的能力，即交易中涉及的多方可以“聚合”到单个 Schnorr 签名中。 这不仅减少了签名占用的体积，而且使多重签名交易与网络上的任何其他交易无法区分，从而减少信息暴露并提高隐私和安全性。

在ECDSA签名中，可以从多重签名交易的签名中追溯参与者的身份信息； 在 Schnorr 签名中，从生成的单个签名中是看不到原始单个签名信息的。

另外，Schnorr签名算法和原版ECDSA签名都使用相同的椭圆曲线secp256k1和哈希函数SHA256，保证了可以兼容比特币目前的公私钥生成机制，改动很小。

2.主根

Taproot可以看作是MAST（Merkelized Abstract Syntax Tree，默克尔抽象语言树）的一种应用。 Taproot 在类似于 MAST 的前提下运行，将交易支出条件划分为默克尔树哈希。 但与原始的 Bitcoin Script 逻辑相比，Taproot 结构仅显示了由支出条件的 Merkle 根和原始公钥组合生成的调整后的公钥。

主根支出条件的图形解释

Taproot结构结合Schnorr签名技术后，可以在不暴露太多交易细节的情况下，隐藏比特币交易中的一些脚本。 只有当“非合作支出”（Script1和Script2）存在时才需要公开MAST，只需要公开执行的那部分脚本。 通过该方案比特币升级几次了，不仅可以减少比特币交易量，还可以隐藏所有中间数据，保护用户隐私。

3. Tap脚本

BIP 342 是对 Schnorr 和 Taproot 的补充升级，它添加和更新了操作码，操作码是指定要执行的操作的机器语言指令的一部分。 BIP 342 补充了 BIP 341 (Taproot) 中提出的比特币脚本结构的改进，允许批量验证 Schnorr 签名，并添加了新的操作码以增强比特币的智能合约功能。

Taproot 升级的影响

要说Taproot的升级会对比特币产生重要影响，主要体现在隐私性和可扩展性上。

根据我们之前的介绍，总结起来，Taproot升级的主要技术概念是Schnorr签名和MAST。 这两项重大升级可以直接提高当前比特币网络的安全性、隐私性和可扩展性。

我们先来看看 Schnorr 签名。 前面我们提到，聚合签名可以让多重签名交易在链上表现为正常的单签名交易，这使得多重签名交易难以区分，单个交易难以追踪。 这可以改进。 多重签名用户的隐私。 根据p2sh.info的数据图表，目前多重签名的使用量处于快速增长的状态。 对于有多重签名需求的机构和普通用户，Taproot的升级将带来用户体验的极大优化。

按 P2SH 地址类型存储的比特币

此外，Schnorr 签名减少了原始签名字节数（Schnorr 签名为 64 字节，而 ECDSA 签名为 71-73 字节），从而节省了交易空间。 Blockstream 团队曾在 2018 年发表的论文《Simple Schnorr Multi-Signatures with Applications to Bitcoin》中提到，使用 MuSig 可以为比特币网络节省大量空间，从而导致潜在容量的增加比特币网络。 （这仅包括使用多重签名节省的费用，不包括密钥聚合可能节省的费用。）

有和没有多重签名的比特币区块链的大小

资料来源：简单的 Schnorr 多重签名与比特币应用

除了节省空间，Schnorr 签名还可以进行批量验证，比起逐个验证 ECDSA 大大节省了验证时间，可以提高交易处理效率，这可能意味着整个比特币网络上的交易可以变得更快未来，更便宜。

再来说说MAST。 MAST 被引入比特币区块链协议。 Taproot 通过改变其支出条件的结构并减少附加到原始交易的冗长脚本来减少每个比特币交易的数据足迹。 通过与 Schnorr 签名技术的结合，可以进一步节省交易占用的空间，同时可以在一定程度上降低当前比特币网络中大多数交易的安全和隐私威胁。 最后，这些对网络层面的潜在影响能否体现在市场表现上，能否帮助比特币价格再创新高？ 这也令人兴奋。

综上所述，虽然比特币升级与以太坊之前升级的巨大势头相比相形见绌，但不可否认的是，Taproot升级的到来及其影响值得比特币社区和比特币爱好者关注。 长期以来，区块链的扩容备受关注。 就比特币和以太坊而言，这个问题还没有得到实质性的解决。 比特币闪电网络的发展虽然取得了进展，但与以太坊 Layer 2 相比，整体影响很小。 目前，以太坊也在向eth 2.0转型的路上。 此次Taproo比特币升级为比特币及时雨，有望提升其隐私和支付属性，稳定和提升比特币在众多数字资产中的竞争力。

参考：

1 Schnorr 和 Taproot：@listedreserve/schnorr-and-taproot-cc4fa1edc828

2 Maxwell、Gregory、Andrew Poelstra、Yannick Seurin 和 Pieter Wuille，2018 年，“Simple Schnorr Multi-Signatures with Applications to Bitcoin”。