BIP – Technologická vylepšení Bitcoinu

Technologická vylepšení Bitcoinu - OBSAH:

1. Co je to BIP?
2. Soft a hard fork: Způsob zavádění změn
3. Pay to Script Hash (P2SH)
4. Segregated Witness
5. Lightning Network
6. Schnorr podpisy
7. Taproot a slučování podpisů
8. CoinJoin
9. Pár slov na závěr

Co je to BIP?

Začněme tím, jak v Bitcoinu vylepšení vlastně probíhají. Pokud se v oblasti kryptoměn pohybujete nějaký ten rok, určitě jste zachytili termíny jako hard fork, BIP nebo UASF. Přesně ty si v tomto článku objasníme.

BIP je jeden ze základních pojmů, bavíme-li se o technickém vylepšování Bitcoinu. Zkratka BIP znamená Bitcoin Improvement Proposal. Je to dokument, kterým se navrhují funkce, změny nebo omezení, které by měly být zavedeny do protokolu nebo kódu Bitcoinu. BIP by měl obsahovat technickou specifikaci nové funkce a její zdůvodnění. Vzhledem k tomu, že Bitcoin samotný nemá formální strukturu, stalo se toto standardem pro komunikaci návrhů jeho vylepšení. Kterýkoliv vývojář na světě může navrhnout BIP. Zda bude i implementovaný potom závisí pouze na Bitcoinové komunitě – uživatelích, těžařích, vývojářích a investorech. Všechny tyto návrhy jsou tedy veřejně dostupné komukoliv.

Existují různé druhy BIP

1. Standards Track BIPs - Tento druh navrhuje změny v síti, protokolu, blocích nebo validační metodě. Takovýto zásah samozřejmě ovlivňuje interoperabilitu dvou různých verzí. Tím pádem je vyžadován komunitní konsenzus. Příkladem je známý BIP 91, který byl v létě 2017 v komunitě horkým tématem a ještě se k němu v článku vrátíme.
2. Informational BIPs -Tyto BIPy mají za úkol pouze informovat, podávat návrhy na koncepty mimo samotný protokol Bitcoinu. Mohou být komunitou vzaty vážně nebo ne. Zdůrazňují problémy a všeobecné postupy, na kterých je potřeba pracovat. Příkladem je BIP 32, který popisuje tzv. Hierarchical Deterministic Wallets. 
3. Process BIPs – Popisují nebo navrhují změnu v procesu. Taktéž vyžadují konsenzus komunity a nesmí být ignorovány. Narozdíl od Standards Track BIPů se ale aplikují mimo protokol Bitcoinu. Příkladem je BIP 2, který specifikuje a rozvádí fungování BIPů.

Soft a hard fork: Způsob zavádění změn

O soft a hard forcích už bylo řečeno mnoho, proto shrnu jen základní rozdíly. Oba typy forku představují způsob zavádění změn do Bitcoin protokolu. 

Soft fork je jen dočasná rozdílnost v síti způsobená neaktualizovanými uzly, pracujícími bez nových pravidel. Má zpětnou kompatibilitu, jelikož staré uzly rozeznají bloky vytvořené novými. Po implementaci je potřeba pro aktualizované uzly dosáhnout v síti většiny. Pokud se jim to nepodaří, soft fork selhal. Na druhou stranu, pokud se podaří dosáhnout konsenzu, v síti se uplatní nová pravidla. Staré uzly se tak stanou zbytečnými a jsou motivovány se aktualizovat. Můžeme také říci, že soft forkem se dají implementovat zejména omezení. Není možné vytvářet zásadní změny a nové funkce. Ale i omezeními dokážeme vylepšovat.

Hard fork je permanentní rozdíl, kdy staré uzly nedokážou validovat bloky vytvořené uzly aktualizovanými. Blockchain se tak úplně rozděluje a vzniká nová paralelní kryptoměna se společnou historií, kterou těží uzly s aktualizací. Staré uzly přitom stále udržují originální kryptoměnu. Hard fork tak umožňuje rychlou a radikální změnu.

Jak bylo nastíněno výše, změny v Bitcoinu pro svou implementaci vyžadují konsenzus komunity. Známe tak několik dalších zkratek:

• UASF - User Activated Soft Fork - Mechanismus, kde aktivace soft forku nastává v určitý čas prosazený uzly (full nody). Můžeme to nazvat i ekonomickou většinou. Vyžaduje silnou podporu komunity. Dále v článku si rozebereme jeho příklady SegWit a BIP148.
• UAHF - User Activated Hard Fork - Stejný způsob zavedení hard forku, který ale nevyžaduje většinu výpočetní síly sítě.
• MASF - Soft fork aktivovaný většinou těžařů. Tento způsob zavádění změn není ideální, protože může nastat rozdíl v zájmech uzlů a těžařů. Uzly podle nových pravidel mohou odmítat bloky od těžařů. Pokud chtějí těžaři jedno a uživatelé druhé, může nastat rozdělení blockchainu.
• MAHF - Hard fork aktivovaný většinou těžařů.

Pay to Script Hash (P2SH)

Podívejme se tedy na některá vylepšení, která jsme výše zmíněnými způsoby zavedli.

Začneme základem, který se odehrával ještě za časů Satoshiho. Jeden ze soft forků, který ve své podstatě přidal užitečné omezení, je Pay to Script Hash (P2SH). Byl představen v BIP 16.

P2SH můžete znát jako formát adres začínajících číslem 3, který zavedl. Jedná se o soft fork měnící způsob skriptu při transakci. Bez zabíhání do technických detailů si to můžeme představit tak, že bitcoiny jsou zamčené na adresách pomocí nějakého skriptu. Tento skript definuje, za jakých podmínek mohou být utraceny. Pokud tedy předtím mohly být po transakci bitcoiny utraceny jakkoliv, skript umožňuje přidat podmínku, která to dovoluje jen za určitých okolností. Transakci s omezením považuje za validní starý i nový klient, vidíme tak jasný příklad soft forku.

Díky tomuto soft forku máme možnost vytvářet například multisignature transakce. Dlouhé skripty jsou v P2SH nahrazeny hashem, takže se snižuje velikost transakce a tím i poplatky na straně odesílatele. Zde se ukazuje, jak změna v protokolu pomocí omezení soft forkem přinesla výhody a funkce.

Segregated Witness

Další podstatné vylepšení, které bylo výše zmíněno, je SegWit. Ten přinesl mnoho funkcí a vyřešil spoustu problémů. Ke zpětné kompatibilitě využil právě P2SH. SegWitová peněženka dokázala odeslat transakci na starší typ adresy – P2SH. Byl tedy implementován soft forkem.

Segregated Witness, který zkráceně nazýváme SegWit, je vylepšení protokolu, díky kterému bylo vyřešeno několik problémů. Například tvarovatelnost podpisu transakce a kapacita bloku. SegWit odděluje podpisová data, nazývaná witness, z Merkle tree, hashů transakcí, které jdou do bloku. Také byla zadefinována nová jednotka pro velikost bloku, weight unit (WU). Každý blok může mít maximálně 4 miliony WU, čímž se možná velikost bloku zvýšila nad 1MB.

SegWit kromě toho také úspěšně aktivoval poslední funkce, které byly potřeba pro bezpečné zavedení Lightning Network nad bitcoinovou sítí.

Lightning Network

O Lightning Network (LN) toho bylo také napsáno dost. Jedná se však o velmi podstatné vylepšení, přinášející úžasné funkce.

Princip je jednoduchý – LN je síť mimo samotnou síť Bitcoinu, ve které si dvojice uživatelů mezi sebou otevře kanál tím, že do něj uzamkne nějaké bitcoiny, oboustranně nebo jednostranně. Tyto uzamčené bitcoiny představují kapacitu kanálu. Při vzájemných transakcích se aktualizuje stav tohoto kanálu a ve kterémkoliv momentu může jedna ze stran kanál uzavřít tím, že aktuální stav pošle do sítě a zapíše se do blockchainu. Jelikož se jedná o síť s mnoha uživateli, nepotřebujeme si s každým novým uživatelem otevírat nový kanál, bitcoiny si najdou nejoptimálnější cestu sítí přes již otevřené kanály. Toto všechno se tedy odehrává off chain – síť Bitcoinu a blockchain tak nejsou zatěžovány malými transakcemi. Škálovatelnost Bitcoinu díky tomu dosahuje nové úrovně. Stejně tak ale i soukromí.

Podstatná vlastnost je, že tyto transakce v rámci LN jsou anonymní. Analýza blockchainu nedokáže tyto transakce odhalit a špehování samotné LN sítě je velmi náročné. Není tedy možné vytvořit spoustu uzlů v LN síti, otevírat kanály a monitorovat tak transakce?

Martin Habovštiak použil příklad USA a dolaru:

Jelikož je LN hustá síť, ve které jsou kanály automaticky šifrované a využívají Tor síť, je skutečně anonymní. Žádný uzel nevidí víc než své sousedy – nevidí tedy, odkud transakce přišla, ani kam jde. Má také funkci, která občas změní poplatek, aby nebylo možné zjistit, jak je transakce směrovaná. V tomto designu není možné vytvořit jeden uzel, který se připojí do sítě a dokáže ostatní špehovat. Ani kdyby se připojil na všechny, protože informace potečou okolo něj. Pokud by tedy chtěl zachytit nějaké signifikantní množství transakcí (které jsou i tak šifrované a maskované), musel by mít uzly všude a se všemi. Na každý čestný uzel by tak bylo třeba mít stejný počet špehovacích. Například, pokud má čestný uzel otevřených 10 spojení a 9 z nich jsou špehující, je teoreticky 90% šance, že transakce projde přes ně. Ale nesmíme opomíjet kapacitu sítě. Co to znamená? Že špehující strana potřebuje 9násobně více bitcoinů než čestní uživatelé LN. Nákup tak ohromného množství bitcoinů by jejich cenu dost zvýšil. Hlavně by za ně ale bylo získáno úplné minimum informací, které se nedají považovat za rozumnou investici.

LN přináší famózní funkce a vlastnosti, které jsou širokým tématem rozepsaným ve vlastním článku. V tomto článku se snažím jen nastínit, co LN představuje v rámci řetězce vylepšení Bitcoinu a jaké pokroky nás díky ní mohou v budoucnosti čekat. Zrekapitulovali jsme si tedy, jaká vylepšení už má Bitcoin za sebou. Pojďme se teď podívat na některá, která nás čekají.

Schnorr podpisy

Schnorr signatures pracují se stejnými privátními a veřejnými klíči, ale mění se matematická funkce, která z klíče vytváří podpis. Nahrazují aktuální algoritmus ECDSA a přináší vyšší efektivnost, eleganci a mnohé benefity. Mezi ně patří například zlepšení multisigu, který může díky Schnorr signatures být stejně velký jako normální podpis. Není totiž potřeba validovat každý podpis samostatně a multisignatures tak mají konstantní velikost nezávislou na počtu účastníků. Toto samozřejmě přináší i vyšší škálovatelnost a kapacitu. Mimo jiné též umožňují threshold signatures, díky kterým se zvyšuje soukromí při multisig transakcích. Threshold podpisy totiž znemožňují identifikovat, kteří z účastníků autorizovali transakci.

Taproot a slučování podpisů

Z těchto podpisů vyplývá další funkce – Taproot. Tato funkce je velmi složitá a na její podrobné vysvětlení by byl třeba vlastní článek. Pro pochopení jejího benefitu v tomto kontextu ale můžeme její fungování zjednodušeně vysvětlit tak, jak naznačuje obrázek.

Díky Schnorr signatures můžeme sloučit více klíčů do jednoho. Díky Taproot ale máme možnost místo jednoho klíče přidat skript. Například, můžeme takto řešit otevření nebo zavření Lightning Network kanálu. Přičemž díky výše zmíněným funkcím je takováto transakce neodlišitelná od klasických transakcí a má stejnou velikost jako obyčejná Bitcoin transakce. Můžeme si tedy představit například situaci, ve které si s někým otevřeme privátní Lightning Network kanál a rok si vyměňujeme transakce. Nikdo se o nich nedozví, jelikož transakce šly privátně mezi dvěma LN uzly. Potom kanál kooperativně uzavřeme a kdokoliv to pozoruje v blockchainu, vidí jen, že někdo přijal platbu a potom ji utratil. Klasická transakce v Bitcoinu. Další těžká rána blockchain analýze! V tomto případě udělená Taprootem.

Aby toto fungovalo, je nutné implementovat Schnorr signatures a Taproot v jednom soft forku. Důvodem, proč doteď nebyly implementovány, je, že ještě donedávna byly Schnorr podpisy patentované.

Slučování podpisů jsme tu už načrtli. Využívá se při vícero zprávách, které jsou digitálně podepsané. Ze všech podpisů se sloučí jeden podpis a zprávy se také zkombinují, přičemž se stále dá ověřit, zda jsou všechny podpisy platné. Full nody tedy mohou slučovat podpisy transakcí a poté ověřit, jestli sedí. Tím je dosaženo vyšší efektivity a škálovatelnosti. Kromě toho se díky slučování podpisů stávají transakce s více vstupy levnějšími. Toto motivuje k používání CoinJoinu.

CoinJoin

CoinJoin je metoda kombinování transakcí od více uživatelů do jedné, takže je mnohem náročnější určit, kdo platil komu. Všechny vstupy a výstupy transakce jsou stejně velké a tak se nedá rozpoznat, který vstup patří ke kterému výstupu. Takto se mohou promísit bitcoiny více uživatelů bez jejich identifikace. CoinJoin podporují peněženky zaměřené na soukromí, například Wasabi Wallet. Aktuálně vás ale snaha platit anonymně takovýmto způsobem vyjde dráž než normální transakce. Díky slučitelnosti podpisů se to však mění.

Ověřovat sloučené podpisy je efektivnější než jednotlivé, proto se takovéto transakce stávají levnějšími. Díky této funkci jsou uživatelé motivováni spojit své transakce, využít slučování a dosáhnout tak nižšího poplatku. Tu se dostáváme ke vskutku fascinujícímu poznatku – je efektivnější a levnější být anonymní. Slučitelnost nižšími poplatky motivuje použít CoinJoin a zvýšit tak anonymitu. Bitcoin vás tedy těmito funkcemi v podstatě odměňuje za to, že jste anonymní. Přičemž je třeba si uvědomit, že všude jinde je anonymita něco, za co si připlácíme – buďto přímo nebo implicitně například omezeními.

Pár slov na závěr

Shrnuli jsme několik základních vylepšení, kterými si Bitcoin prošel a načrtli jsme, která ho čekají. Podstatné však bylo ukázat, jak na sebe tato vylepšení navazují a jak funguje systém změn v Bitcoinovém protokolu. Dříve, než budeme kritizovat Bitcoin, je třeba rozumět technické návaznosti jeho funkcí. Navzdory tomu, že se mohou zdát těžkopádné, fungují na jasných principech s logickou posloupností. Každá přináší půdu pro tu následující.

Dnešní protokol Bitcoinu je na úplně jiné úrovni než jeho první verze, vytvořená a udržovaná Satoshim. Satoshi úspěšně předal vývoj Bitcoinu do rukou komunity, a tak se jeho kód stále posouvá dál. Dosažením další úrovně se otevírá nová. Vylepšení Bitcoinu jsou pohyblivý cíl a představují ještě velmi dlouhou cestu.