BitVM原理及优化探索

1. 引言

比特币作为一种去中心化的数字资产,具有安全可信的特点。然而,它在可扩展性方面存在重大限制,难以满足支付和其他应用的需求。比特币采用UTXO模型,将每笔交易视为独立事件,形成了一个无状态系统,缺乏执行复杂计算的能力。这严重制约了在比特币上构建去中心化应用和复杂金融工具的可能性。

为解决比特币扩容问题,业界提出了多种技术方案,如状态通道、侧链和客户端验证等。但这些方案或多或少存在功能局限、安全性不足等问题。2023年12月,ZeroSync项目负责人Robin Linus发表了《BitVM：Compute Anything On Bitcoin》白皮书,提出了一种在不改变比特币网络共识的情况下实现图灵完备合约的解决方案。BitVM充分利用比特币脚本和Taproot,实现了乐观Rollup,极大拓展了比特币的应用潜力。

尽管BitVM技术极具前景,但仍处于早期阶段,在效率和安全性方面存在一些问题,如交互次数过多、签名数据冗长、哈希函数复杂度高等。本文将对BitVM原理进行分析,并提出一些优化思路,以期进一步提高BitVM的效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM旨在为比特币提供链下合约功能。它通过Lamport一次性签名实现有状态的比特币脚本,使得不同脚本之间可以共享相同的变量值。BitVM的计算过程发生在链下,而结果验证则在链上进行。当验证过程过于复杂时,可采用挑战响应模式来支持更高复杂度的计算验证。

BitVM的核心组件包括:

• 电路承诺:证明者和验证者将程序编译为二进制电路,并在Taproot地址中承诺该电路。

• 挑战和响应:双方预签一系列交易,用于实现挑战-响应游戏。

• 模棱两可惩罚:如果证明者提出不正确声明,验证者可通过成功挑战获得证明者的存款。

3. BitVM优化

3.1 基于ZK降低OP交互次数

可考虑引入零知识证明来减少BitVM的挑战次数,提高效率。零知识证明的验证算法复杂度固定,相比二分法打开原始算法,计算复杂度更低。通过将挑战对象从原始算法转向验证算法,可有效降低挑战轮数,缩短挑战周期。

此外,可探索将零知识证明与欺诈证明结合,构建ZK Fraud Proof,实现On-Demand ZK Proof模式。这种模式下,仅在发生挑战时才需要生成ZK Proof,可降低整体计算成本。

3.2 比特币友好的一次性签名

Lamport签名是BitVM的基础组件,但其签名和公钥长度较长,消耗大量存储空间。可考虑使用Winternitz一次性签名方案来降低签名和公钥长度。在BitVM中采用d=15,v=160,f=ripemd160(x)的Winternitz一次性签名实现,可将bit commitment size降低约50%,从而显著减少交易费用。

3.3 比特币友好的哈希函数

当前比特币网络不支持OP_CAT,无法直接进行Merkle path验证。需要设计一种比特币友好的哈希函数,以最优的script size和script witness size支持merkle inclusion proof验证功能。

BLAKE3哈希函数是一个潜在的选择。它将输入切分为1024字节大小的chunks,并对每个chunk独立压缩。在BitVM验证Merkle inclusion proof场景中,BLAKE3哈希运算仅需对单个chunk应用一次压缩函数,有助于提高效率。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可通过使用Schnorr签名在链下执行智能合约,具有功能、隐私和效率方面的优势。将Scriptless Scripts引入BitVM,可使用Schnorr多重签名和适配器签名来实现逻辑门承诺,从而节省脚本空间,提高效率。

3.5 无需许可的多方挑战

当前BitVM采用许可制两方挑战模式,存在潜在安全风险。可研究无需许可的多方OP挑战协议,将信任模型从1-of-n扩展至1-of-N(N>>n)。这需要解决女巫攻击和延迟攻击等问题,可参考现有研究成果如Permissionless Refereed Tournaments和BoLD算法。

4. 结论

BitVM技术为比特币扩容开辟了新的可能性。通过引入零知识证明、优化一次性签名、设计比特币友好哈希函数、结合Scriptless Scripts以及实现无需许可的多方挑战等方式,有望进一步提升BitVM的效率和安全性。这些优化方向的探索和实践,将为比特币生态的繁荣发展提供重要支持。