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Author: awesome-doge

_posts/2025-01-15-taproot-complete-guide.markdown

@@ -0,0 +1,328 @@
+---
+layout: post
+title: 'Taproot 完整指南：從 Schnorr 簽名到實際應用'
+date: 2025-01-15
+categories:
+- bitcoin
+- taproot
+description: 深入解析比特幣 2021 年最重要的升級 Taproot，包括 Schnorr 簽名、MAST、Tapscript 的技術原理與實際應用。
+image: /img/taproot-guide.svg
+published: true
+hero_image: /img/hero.png
+tags:
+- bitcoin
+- taproot
+- schnorr
+- bip340
+- bip341
+- bip342
+---
+
+## 前言
+
+2021 年 11 月 14 日，比特幣在區塊高度 709,632 啟用了 Taproot 升級。這是自 2017 年 SegWit 以來最重要的協議更新，由三個緊密相關的 BIP 組成：
+
+- **BIP 340**: Schnorr Signatures for secp256k1
+- **BIP 341**: Taproot: SegWit version 1 spending rules
+- **BIP 342**: Validation of Taproot Scripts (Tapscript)
+
+本文將深入解析這次升級的技術細節、帶來的改進，以及對比特幣生態系統的長期影響。
+
+---
+
+## 一、Schnorr 簽名 (BIP 340)
+
+### 為什麼需要新的簽名方案？
+
+比特幣原本使用 ECDSA（橢圓曲線數位簽名演算法）。雖然 ECDSA 已被證明安全，但 Schnorr 簽名方案具有幾個重要優勢：
+
+| 特性 | ECDSA | Schnorr |
+|------|-------|---------|
+| 簽名大小 | 70-72 bytes | 64 bytes |
+| 批量驗證 | 不支援 | 支援 |
+| 簽名聚合 | 不支援 | 原生支援 |
+| 數學證明 | 較複雜 | 更簡潔 |
+
+### Schnorr 簽名原理
+
+Schnorr 簽名基於離散對數問題的困難性。給定：
+- 私鑰 `x`
+- 公鑰 `P = x * G`（G 為生成點）
+- 訊息 `m`
+
+簽名過程：
+1. 選擇隨機數 `k`，計算 `R = k * G`
+2. 計算挑戰值 `e = H(R || P || m)`
+3. 計算簽名 `s = k + e * x`
+4. 簽名為 `(R, s)`
+
+驗證過程：
+- 檢查 `s * G == R + e * P`
+
+### 簽名聚合的威力
+
+Schnorr 簽名的線性特性允許多個簽名被聚合成單一簽名：
+
+```
+# 三個簽名者的公鑰
+P1, P2, P3
+
+# 聚合公鑰
+P = P1 + P2 + P3
+
+# 聚合簽名看起來與單一簽名完全相同
+```
+
+這意味著：
+- **2-of-3 多簽**在鏈上看起來與**單簽**完全一樣
+- **更低的手續費**（更小的交易體積）
+- **更好的隱私**（無法區分多簽和單簽）
+
+### MuSig2 協議
+
+MuSig2 (BIP 327) 是實現多方 Schnorr 簽名的標準協議：
+
+1. **密鑰聚合階段**：所有參與者的公鑰被聚合
+2. **Nonce 交換**：兩輪通訊交換隨機數
+3. **簽名生成**：每個參與者產生部分簽名
+4. **簽名聚合**：部分簽名被合併為最終簽名
+
+---
+
+## 二、Taproot 輸出 (BIP 341)
+
+### 新的地址格式
+
+Taproot 引入了 SegWit v1 輸出，使用新的地址格式：
+
+| 版本 | 地址前綴 | 範例 |
+|------|---------|------|
+| Legacy | 1... | 1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2 |
+| P2SH | 3... | 3J98t1WpEZ73CNmQviecrnyiWrnqRhWNLy |
+| SegWit v0 | bc1q... | bc1qar0srrr7xfkvy5l643lydnw9re59gtzzwf5mdq |
+| **Taproot** | **bc1p...** | **bc1p5d7rjq7g6rdk2yhzks9smlaqtedr4dekq08ge8ztwac72sfr9rusxg3297** |
+
+### 兩種花費路徑
+
+Taproot 輸出可以通過兩種方式花費：
+
+#### Key Path（密鑰路徑）
+
+最簡單高效的方式，直接用聚合公鑰簽名：
+
+```
+witness: <signature>
+scriptPubKey: OP_1 <32-byte-pubkey>
+```
+
+- 看起來像普通的單簽交易
+- 最小的交易體積
+- 最高的隱私性
+
+#### Script Path（腳本路徑）
+
+當需要使用複雜腳本條件時：
+
+```
+witness: <script-input> <script> <control-block>
+```
+
+- 只需揭示被執行的腳本
+- 其他腳本分支保持隱藏
+- 使用 Merkle 證明驗證
+
+### MAST（默克爾化替代腳本樹）
+
+MAST 允許將多個腳本條件組織成 Merkle 樹：
+
+```
+         Root
+        /    \
+      H1      H2
+     /  \    /  \
+   S1   S2  S3   S4
+```
+
+**優勢：**
+- 只揭示使用的腳本分支
+- 未使用的條件完全隱藏
+- 支援大量複雜條件
+
+**實際應用範例：**
+
+假設一個資金需要滿足以下任一條件：
+1. Alice 和 Bob 共同簽名（正常情況）
+2. Alice 單獨簽名 + 1週時間鎖（Bob 失聯）
+3. Bob 單獨簽名 + 1個月時間鎖（Alice 失聯）
+4. 受託人簽名 + 6個月時間鎖（雙方失聯）
+
+在 Taproot 之前，所有這些條件都必須公開。使用 MAST 後：
+- 正常情況下使用 Key Path，看起來像普通交易
+- 只有需要使用備用條件時才揭示該分支
+
+---
+
+## 三、Tapscript (BIP 342)
+
+### 腳本語言更新
+
+Tapscript 對比特幣腳本做了以下改進：
+
+#### 新操作碼
+
+**OP_CHECKSIGADD**：支援批量簽名驗證
+
+```
+# 舊的多簽方式（OP_CHECKMULTISIG）
+OP_2 <pubkey1> <pubkey2> <pubkey3> OP_3 OP_CHECKMULTISIG
+
+# 新的方式（更高效）
+<pubkey1> OP_CHECKSIG
+<pubkey2> OP_CHECKSIGADD
+<pubkey3> OP_CHECKSIGADD
+OP_2 OP_EQUAL
+```
+
+#### 移除的限制
+
+- 移除了腳本大小限制（原本 10,000 bytes）
+- 移除了操作碼數量限制（原本 201 個）
+- 簽名必須非空（防止簽名可塑性）
+
+#### 升級友好設計
+
+Tapscript 使用 **OP_SUCCESS** 操作碼保留未來升級空間：
+
+```
+# 目前未定義的操作碼被視為 OP_SUCCESS
+# 未來可以賦予新功能而不需硬分叉
+```
+
+---
+
+## 四、實際應用場景
+
+### 1. 更便宜的多簽
+
+**傳統 2-of-3 多簽：**
+- 輸入大小：約 297 bytes
+- 所有公鑰都暴露
+
+**Taproot 2-of-3：**
+- Key Path 輸入大小：約 57 bytes（節省 80%+）
+- 看起來與單簽完全相同
+
+### 2. 閃電網路改進
+
+#### 更隱私的通道
+
+Taproot 使閃電網路通道在鏈上更難識別：
+- 開通道交易看起來像普通交易
+- 協作關閉也是普通交易
+- 只有非協作關閉才會揭示腳本
+
+#### PTLC（點時間鎖合約）
+
+用 Adaptor Signatures 替代 HTLC：
+
+| 特性 | HTLC | PTLC |
+|------|------|------|
+| 鏈接性 | 同一支付路徑可被關聯 | 每一跳都不同 |
+| 鏈上足跡 | 暴露哈希值 | 普通簽名 |
+| 隱私 | 較差 | 更好 |
+
+### 3. DLC（離散對數合約）
+
+Taproot 讓 DLC 更實用：
+- 所有可能結果都隱藏在 MAST 中
+- 正常結算看起來像普通交易
+- 大幅降低鏈上足跡
+
+### 4. Vault（金庫）
+
+使用 Taproot 實現更安全的冷儲存：
+
+```
+Key Path: 延遲 + 冷錢包簽名
+Script Path:
+  - 分支1: 熱錢包 + 24小時延遲
+  - 分支2: 恢復密鑰 + 1週延遲
+```
+
+---
+
+## 五、開發者資源
+
+### 錢包支援狀態（2025年）
+
+| 錢包 | Taproot 支援 | 發送 | 接收 |
+|------|-------------|------|------|
+| Bitcoin Core | 完整 | ✅ | ✅ |
+| Sparrow | 完整 | ✅ | ✅ |
+| Blue Wallet | 部分 | ✅ | ✅ |
+| Ledger | 完整 | ✅ | ✅ |
+| Trezor | 完整 | ✅ | ✅ |
+| Coldcard | 完整 | ✅ | ✅ |
+
+### 開發工具
+
+- **[bitcoin-s](https://bitcoin-s.org/)** - Scala 實現
+- **[rust-bitcoin](https://github.com/rust-bitcoin/rust-bitcoin)** - Rust 實現
+- **[bitcoinjs-lib](https://github.com/bitcoinjs/bitcoinjs-lib)** - JavaScript 實現
+- **[BDK](https://bitcoindevkit.org/)** - Bitcoin Dev Kit
+
+### 學習資源
+
+- **[BIP 340](https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0340.mediawiki)** - Schnorr 規範
+- **[BIP 341](https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0341.mediawiki)** - Taproot 規範
+- **[BIP 342](https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0342.mediawiki)** - Tapscript 規範
+- **[Bitcoin Optech Taproot](https://bitcoinops.org/en/topics/taproot/)** - 技術追蹤
+
+---
+
+## 六、採用現況與未來展望
+
+### 採用數據（2024年底）
+
+根據鏈上數據：
+- Taproot 輸出佔總 UTXO 約 5-8%
+- 新交易中約 15-20% 使用 Taproot
+- 主要交易所已支援存提款
+
+### 未來發展
+
+#### Cross-Input Signature Aggregation (CISA)
+
+允許交易中所有輸入共享單一簽名：
+- 進一步減少交易大小
+- 更低的手續費
+- 需要額外的軟分叉
+
+#### OP_CAT 復活
+
+如果啟用，可實現：
+- 更靈活的 covenant
+- 鏈上驗證能力增強
+- 新的 Layer 2 可能性
+
+---
+
+## 結論
+
+Taproot 是比特幣協議的重大進步，帶來了：
+
+1. **更好的隱私** - 多簽和複雜腳本在鏈上不可區分
+2. **更高的效率** - 更小的交易體積，更低的費用
+3. **更強的可擴展性** - 為閃電網路和其他 Layer 2 提供更好的基礎
+4. **更靈活的腳本** - MAST 和 Tapscript 開啟新的應用可能
+
+隨著錢包和服務的持續採用，Taproot 的優勢將越來越明顯。建議所有比特幣用戶和開發者儘快遷移到 Taproot 地址。
+
+---
+
+## 參考資料
+
+- [Bitcoin Optech: Preparing for Taproot](https://bitcoinops.org/en/preparing-for-taproot/)
+- [Taproot Workshop](https://github.com/bitcoinops/taproot-workshop)
+- [Pieter Wuille's Taproot Presentation](https://www.youtube.com/watch?v=KLNH0ttpdFg)
+- [Jimmy Song: Taproot Explained](https://programmingblockchain.com/)