Taproot Leaf Versions

Taproot 葉子版本（Leaf Version）是嵌入在腳本樹葉子中的版本號， 允許在不改變輸出格式的情況下引入新的腳本語義，為未來升級提供軟分叉路徑。

葉子版本概述

Taproot 葉子版本機制:

TapLeaf 結構:
┌─────────────────────────────────────────┐
│ leaf_version (1 byte)                   │
│ script_length (varint)                  │
│ script (variable)                       │
└─────────────────────────────────────────┘

葉子雜湊計算:
leaf_hash = tagged_hash("TapLeaf",
    leaf_version || compact_size(script) || script)

當前定義的版本:
- 0xc0: TapScript（當前唯一有效版本）
- 其他: 保留給未來升級

版本字節結構:
位 0: 必須為 0（保留給奇偶性）
位 1-7: 實際版本號

有效版本必須是偶數且 <= 0xfe

TapScript（版本 0xc0）

TapScript 是當前唯一定義的葉子版本:

版本號: 0xc0 (192)
二進制: 11000000

TapScript 特性:
1. 基於 SegWit v0 腳本
2. 使用 Schnorr 簽名 (64 bytes)
3. OP_CHECKSIGADD 取代 OP_CHECKMULTISIG
4. 無 201 操作碼限制
5. 有 sigops 預算限制

與 SegWit v0 的差異:

相同:
- 大多數操作碼語義相同
- 基本腳本結構相同

改進:
- OP_SUCCESS 操作碼（允許未來升級）
- OP_CHECKSIGADD（高效多簽）
- 簽名格式變更（Schnorr）
- 資源限制不同

控制塊中的版本

控制塊結構:

┌─────────────────────────────────────────┐
│ control_byte (1 byte)                   │
│   = leaf_version | output_parity        │
│ internal_pubkey (32 bytes)              │
│ merkle_path (32 bytes × depth)          │
└─────────────────────────────────────────┘

control_byte 解析:
leaf_version = control_byte & 0xfe
output_parity = control_byte & 0x01

範例:
control_byte = 0xc0  → version 0xc0, parity 0
control_byte = 0xc1  → version 0xc0, parity 1

驗證過程:
1. 提取 leaf_version
2. 檢查版本是否有效
3. 如果版本未知 → 視為 OP_SUCCESS
4. 如果版本已知 → 按該版本規則執行

OP_SUCCESS 機制

OP_SUCCESS 與葉子版本的關係:

OP_SUCCESS 操作碼:
- 0x50, 0x62, 0x89-0x8a, 0x8d-0x8e
- 0x95-0x99, 0xbb-0xfe

當遇到 OP_SUCCESS:
1. 整個腳本立即成功
2. 不執行任何驗證
3. 允許未來賦予新語義

葉子版本的類似作用:

未知葉子版本:
1. 節點不理解該版本
2. 將整個腳本視為成功
3. 未來軟分叉可定義新規則

這提供了兩層升級路徑:
1. 新操作碼 → 使用 OP_SUCCESS 預留的碼
2. 新腳本語義 → 使用新葉子版本

// 兩者都是軟分叉兼容的

版本號設計

葉子版本的設計考量:

為什麼使用 0xc0 作為初始版本？

歷史原因:
- 早期設計使用不同的編碼
- 0xc0 是經過調整後的結果
- 確保與其他數據的可區分性

版本空間:
有效版本: 偶數 0x00-0xfe
共 128 個可能的版本

預留策略:
- 0xc0: TapScript（當前）
- 0xc2-0xfe: 未來腳本版本
- 0x00-0xbe: 也可用於未來

為什麼要求偶數？
位 0 用於輸出公鑰的 y 座標奇偶性
這允許在控制塊中編碼兩個信息

control_byte = leaf_version | parity
- leaf_version 是偶數（位 0 = 0）
- parity 提供位 0

未來升級場景

使用新葉子版本的升級:

場景 1: 新簽名方案
leaf_version = 0xc2
- 使用後量子密碼學
- 新的簽名驗證規則
- 不影響 0xc0 腳本

場景 2: 新腳本語言
leaf_version = 0xc4
- 完全不同的腳本語義
- 可能是 Simplicity
- 與現有腳本共存

場景 3: 性能優化
leaf_version = 0xc6
- 優化的操作碼集
- 更高效的驗證
- 保持向後兼容

軟分叉過程:
1. 新版本定義新規則
2. 舊節點視未知版本為 OP_SUCCESS
3. 新節點按新規則驗證
4. 軟分叉保持網路共識

// 這種設計使升級更加平滑

腳本樹中的多版本

同一棵樹中可以有不同版本的葉子:

腳本樹結構:
           [Root]
          /      \
     [Branch]    [Leaf C: v0xc4]
     /      \
[Leaf A]  [Leaf B]
 v0xc0     v0xc2

Leaf A: TapScript (0xc0)
  - 使用當前規則

Leaf B: 未來版本 (0xc2)
  - 舊節點視為成功
  - 新節點使用新規則

Leaf C: 另一個未來版本 (0xc4)
  - 可能是完全不同的語言

使用場景:
- 漸進式遷移到新版本
- 提供備用執行路徑
- 實驗性功能測試

每個葉子的版本獨立:
- 不影響其他葉子
- 不影響 key path
- 完全自包含

驗證實現

Bitcoin Core 中的版本處理:

// 驗證葉子版本
bool VerifyTaprootLeaf(
    const CScript& script,
    uint8_t leaf_version,
    const XOnlyPubKey& internal_key,
    const std::vector<uint8_t>& control,
    ScriptError* serror)
{
    // 檢查版本有效性
    if (leaf_version & 1) {
        // 奇數版本無效
        return set_error(serror, SCRIPT_ERR_TAPROOT_VERSION);
    }

    // 計算葉子雜湊
    uint256 leaf_hash = ComputeTapleafHash(leaf_version, script);

    // 驗證 Merkle 證明
    if (!VerifyTaprootCommitment(control, internal_key, leaf_hash)) {
        return set_error(serror, SCRIPT_ERR_WITNESS_PROGRAM_MISMATCH);
    }

    // 根據版本執行腳本
    if (leaf_version == TAPROOT_LEAF_TAPSCRIPT) {
        // 0xc0: 執行 TapScript
        return ExecuteTapScript(script, ...);
    } else {
        // 未知版本: 視為成功（軟分叉預留）
        return true;
    }
}

// 葉子雜湊計算
uint256 ComputeTapleafHash(uint8_t version, const CScript& script) {
    CHashWriter ss(HASHER_TAPLEAF);
    ss << version;
    ss << script;
    return ss.GetSHA256();
}

安全考量

葉子版本的安全性:

1. 版本混淆攻擊
   風險: 攻擊者使用錯誤版本提交腳本
   緩解: 版本嵌入葉子雜湊，無法篡改

2. 未知版本風險
   風險: 使用未知版本可能被任何人花費
   緩解:
   - 錢包不應創建未知版本
   - 僅在軟分叉啟用後使用新版本

3. 軟分叉過渡期
   風險: 新舊節點驗證結果不同
   緩解:
   - 等待足夠確認
   - 礦工升級後再使用

最佳實踐:

1. 只使用已知版本（目前只有 0xc0）
2. 不要創建使用保留版本的輸出
3. 驗證錢包軟件正確處理版本
4. 關注軟分叉升級公告

開發者指南

使用葉子版本的最佳實踐:

# Python 範例

TAPROOT_LEAF_TAPSCRIPT = 0xc0

def create_tapleaf(script: bytes, version: int = TAPROOT_LEAF_TAPSCRIPT):
    """創建 TapLeaf"""
    if version & 1:
        raise ValueError("Leaf version must be even")
    if version > 0xfe:
        raise ValueError("Leaf version out of range")

    # 目前只支持 TapScript
    if version != TAPROOT_LEAF_TAPSCRIPT:
        raise ValueError("Only TapScript (0xc0) is currently defined")

    return {
        'version': version,
        'script': script
    }

def compute_tapleaf_hash(leaf):
    """計算葉子雜湊"""
    version = leaf['version']
    script = leaf['script']

    # TapLeaf tagged hash
    data = bytes([version]) + compact_size(script) + script
    return tagged_hash("TapLeaf", data)

def create_control_block(internal_pubkey, leaf_version, merkle_path, output_parity):
    """創建控制塊"""
    control_byte = leaf_version | output_parity
    return bytes([control_byte]) + internal_pubkey + b''.join(merkle_path)

相關概念

• Script Path：腳本路徑花費
• Taproot Annex：附加數據欄位
• Tagged Hashes：標籤雜湊函數
• Soft Fork Activation：軟分叉啟用
• OP_SUCCESS：成功操作碼