BitVM優化:提高比特幣擴容的效率和安全性

1. 引言

比特幣作爲去中心化、安全且值得信賴的數字資產,長期存在可擴展性問題。比特幣的UTXO模型導致系統無狀態,難以執行復雜的依賴狀態的計算,限制了在比特幣上構建去中心化應用和復雜金融工具的範圍。

爲解決比特幣擴容問題,出現了狀態通道、側鏈、客戶端驗證等技術方案,但都存在各自的局限性。2023年12月,ZeroSync項目提出的BitVM方案引發關注,它提供了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,實現樂觀Rollup。通過Lamport籤名讓兩個UTXO之間建立聯繫,實現有狀態的比特幣腳本。BitVM極大地拓寬了比特幣的潛在用例,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BitVM的優化方向,以進一步提高其效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM是一種鏈下合約解決方案,旨在增強比特幣的合約功能。它通過Lamport一次性籤名使比特幣腳本具有狀態性,並採用挑戰-響應機制來支持復雜計算的驗證。

BitVM的主要組成部分包括:

• 電路承諾:將程序編譯爲二進制電路,並通過Taproot地址進行承諾。
• 挑戰和響應:預籤一系列交易來實現挑戰-響應遊戲。
• 模棱兩可懲罰:對提出不正確聲明的證明者進行懲罰。

3. BitVM優化

3.1 基於ZK降低OP交互次數

考慮使用零知識證明降低BitVM的挑戰次數,提高效率。通過零知識證明,可以將挑戰對象從原始算法F轉變爲驗證算法Verify,從而降低挑戰輪數,縮短挑戰週期。

此外,可以探索結合零知識證明和欺詐證明,構建ZK Fraud Proof,實現On-Demand ZK Proof。這種方式只在有挑戰時才生成ZK Proof,保持樂觀Rollup設計的同時降低計算成本。

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。可以考慮使用Winternitz一次性籤名方案,該方案能夠顯著降低籤名和公鑰長度,但會增加籤名和驗籤的計算復雜度。

在BitVM中使用d=15,v=160,f=ripemd160(x)實現Winternitz一次性籤名,可將bit commitment size降低50%,從而大幅降低交易費用。未來可進一步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

由於比特幣網路目前不支持OP_CAT,無法直接進行字符串拼接和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實現merkle inclusion proof驗證功能。

BLAKE3哈希函數是一個潛在的選擇,它具有優化的壓縮函數和Bao樹模式。使用比特幣腳本實現BLAKE3哈希函數,可以爲BitVM構建一個基礎版本。此外,還可以探索Keccak-256、Grøstl等其他哈希函數的比特幣腳本實現。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts是一種通過Schnorr籤名在鏈下執行智能合約的方法。它具有增強功能、提高隱私和提升效率的優勢。

可以借助Scriptless Scripts,使用Schnorr多重籤名和適配器籤名來實現BitVM電路中的邏輯門承諾,從而節省腳本空間,提高效率。未來需要對現有方案進行改進,並探索將Scriptless Scripts引入具體的BitVM功能模塊。

3.5 無需許可的多方挑戰

當前BitVM挑戰模式僅限於兩方,存在潛在的安全風險。研究無需許可的多方OP挑戰協議,可以將BitVM的信任模型擴展至1-of-N(N遠大於現有的n)。

實現無需許可的多方挑戰需要解決以下問題:

• 女巫攻擊:設計爭議解決算法,使單個誠實參與方贏得爭議的成本隨對手數量呈對數增長。
• 延遲攻擊:要求挑戰者提前質押,並設計算法限制最壞情況下的延遲上限。

4. 結論

BitVM技術仍處於探索階段,未來將繼續研究和實踐更多優化方向,以實現比特幣的擴容並繁榮比特幣生態。通過提高效率、增強安全性和擴展功能,BitVM有望爲比特幣帶來更廣泛的應用場景和更強大的智能合約能力。