BitVM原理及優化探索

1. 引言

比特幣作爲一種去中心化的數字資產,具有安全可信的特點。然而,它在可擴展性方面存在重大限制,難以滿足支付和其他應用的需求。比特幣採用UTXO模型,將每筆交易視爲獨立事件,形成了一個無狀態系統,缺乏執行復雜計算的能力。這嚴重制約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。

爲解決比特幣擴容問題,業界提出了多種技術方案,如狀態通道、側鏈和客戶端驗證等。但這些方案或多或少存在功能局限、安全性不足等問題。2023年12月,ZeroSync項目負責人Robin Linus發表了《BitVM：Compute Anything On Bitcoin》白皮書,提出了一種在不改變比特幣網路共識的情況下實現圖靈完備合約的解決方案。BitVM充分利用比特幣腳本和Taproot,實現了樂觀Rollup,極大拓展了比特幣的應用潛力。

盡管BitVM技術極具前景,但仍處於早期階段,在效率和安全性方面存在一些問題,如交互次數過多、籤名數據冗長、哈希函數復雜度高等。本文將對BitVM原理進行分析,並提出一些優化思路,以期進一步提高BitVM的效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM旨在爲比特幣提供鏈下合約功能。它通過Lamport一次性籤名實現有狀態的比特幣腳本,使得不同腳本之間可以共享相同的變量值。BitVM的計算過程發生在鏈下,而結果驗證則在鏈上進行。當驗證過程過於復雜時,可採用挑戰響應模式來支持更高復雜度的計算驗證。

BitVM的核心組件包括:

• 電路承諾:證明者和驗證者將程序編譯爲二進制電路,並在Taproot地址中承諾該電路。

• 挑戰和響應:雙方預籤一系列交易,用於實現挑戰-響應遊戲。

• 模棱兩可懲罰:如果證明者提出不正確聲明,驗證者可通過成功挑戰獲得證明者的存款。

3. BitVM優化

3.1 基於ZK降低OP交互次數

可考慮引入零知識證明來減少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。通過將挑戰對象從原始算法轉向驗證算法,可有效降低挑戰輪數,縮短挑戰週期。

此外,可探索將零知識證明與欺詐證明結合,構建ZK Fraud Proof,實現On-Demand ZK Proof模式。這種模式下,僅在發生挑戰時才需要生成ZK Proof,可降低整體計算成本。

3.2 比特幣友好的一次性籤名

Lamport籤名是BitVM的基礎組件,但其籤名和公鑰長度較長,消耗大量存儲空間。可考慮使用Winternitz一次性籤名方案來降低籤名和公鑰長度。在BitVM中採用d=15,v=160,f=ripemd160(x)的Winternitz一次性籤名實現,可將bit commitment size降低約50%,從而顯著減少交易費用。

3.3 比特幣友好的哈希函數

當前比特幣網路不支持OP_CAT,無法直接進行Merkle path驗證。需要設計一種比特幣友好的哈希函數,以最優的script size和script witness size支持merkle inclusion proof驗證功能。

BLAKE3哈希函數是一個潛在的選擇。它將輸入切分爲1024字節大小的chunks,並對每個chunk獨立壓縮。在BitVM驗證Merkle inclusion proof場景中,BLAKE3哈希運算僅需對單個chunk應用一次壓縮函數,有助於提高效率。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可通過使用Schnorr籤名在鏈下執行智能合約,具有功能、隱私和效率方面的優勢。將Scriptless Scripts引入BitVM,可使用Schnorr多重籤名和適配器籤名來實現邏輯門承諾,從而節省腳本空間,提高效率。

3.5 無需許可的多方挑戰

當前BitVM採用許可制兩方挑戰模式,存在潛在安全風險。可研究無需許可的多方OP挑戰協議,將信任模型從1-of-n擴展至1-of-N(N>>n)。這需要解決女巫攻擊和延遲攻擊等問題,可參考現有研究成果如Permissionless Refereed Tournaments和BoLD算法。

4. 結論

BitVM技術爲比特幣擴容開闢了新的可能性。通過引入零知識證明、優化一次性籤名、設計比特幣友好哈希函數、結合Scriptless Scripts以及實現無需許可的多方挑戰等方式,有望進一步提升BitVM的效率和安全性。這些優化方向的探索和實踐,將爲比特幣生態的繁榮發展提供重要支持。