BitVM優化:提高比特幣可擴展性和可編程性

1. 引言

比特幣作爲一種去中心化的數字資產,具有安全性和可信賴性。然而,它在可擴展性和可編程性方面存在局限。比特幣的UTXO模型導致系統無狀態,難以執行復雜的狀態依賴計算。這限制了在比特幣上構建去中心化應用和復雜金融工具的可能性。

爲解決比特幣的擴容問題,業界提出了多種技術方案,包括狀態通道、側鏈和客戶端驗證等。但這些方案都存在一定的局限性,如安全性較低或應用範圍有限。

2023年12月,ZeroSync項目提出了BitVM方案,旨在不改變比特幣共識的情況下實現圖靈完備的比特幣合約。BitVM利用比特幣腳本和Taproot技術,實現了樂觀Rollup。它通過Lamport籤名在比特幣UTXO之間建立聯繫,實現了有狀態的比特幣腳本。

盡管BitVM在比特幣擴容方面具有優勢,但仍處於早期階段,在效率和安全性方面存在一些問題。本文將探討一些優化BitVM的思路,以進一步提高其效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM是一種比特幣鏈下合約解決方案,旨在擴展比特幣的合約功能。它通過Lamport一次性籤名實現了有狀態的比特幣腳本,使得不同腳本間可以共享相同的變量值。BitVM的計算過程發生在鏈下,而計算結果的驗證則在鏈上進行。

BitVM系統基於欺詐證明和挑戰-響應協議,其核心組件包括:

• 電路承諾:將程序編譯爲二進制電路,並在Taproot地址中進行承諾。

• 挑戰和響應:預籤一系列交易以實現挑戰-響應遊戲。

• 模棱兩可懲罰:如果證明者提出不正確聲明,驗證者可獲得其存款。

3. BitVM優化方案

3.1 基於ZK降低OP交互次數

通過引入零知識證明,可以降低BitVM的挑戰次數,提高效率。零知識證明的驗證算法復雜度固定,相比二分法打開原始算法,計算復雜度更低。可以構建ZK Fraud Proof,實現On-Demand ZK Proof,僅在有挑戰時才生成ZK Proof。

3.2 比特幣友好的一次性籤名

Winternitz一次性籤名方案可以顯著降低籤名和公鑰長度。在BitVM中使用特定參數的Winternitz籤名,可以將bit commitment size降低50%,從而大幅降低交易費用。未來可探索更緊湊的一次性籤名方案。

3.3 比特幣友好的哈希函數

BLAKE3哈希函數可作爲一種比特幣友好的哈希函數選擇。它可以高效地實現merkle inclusion proof驗證功能。通過優化BLAKE3在比特幣腳本中的實現,可以構建出適用於BitVM的toy版本。此外,還可探索其他比特幣友好的哈希函數。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts技術可以將智能合約的執行從鏈上轉移到鏈下,提高功能性、隱私性和效率。通過結合Schnorr多重籤名和適配器籤名,可以實現BitVM電路中的邏輯門承諾,從而節省腳本空間,提高效率。

3.5 無需許可的多方挑戰

擴展BitVM爲無需許可的多方挑戰模型,可以將信任假設從1-of-n擴展到1-of-N(N>>n)。需要解決女巫攻擊和延遲攻擊等問題,可參考相關研究成果設計適合比特幣特性的解決方案。

4. 結論

BitVM技術仍處於探索階段,未來將有更多優化方向有待實踐,以實現比特幣的擴容和生態繁榮。通過引入零知識證明、改進一次性籤名、優化哈希函數、應用Scriptless Scripts以及實現無需許可的多方挑戰等方式,BitVM有望在效率和安全性方面取得顯著提升。