BitVM 技术优化方案探讨

1. 引言

比特币作为去中心化的数字资产具有广泛认可，但其可扩展性和灵活性一直是制约其应用的瓶颈。比特币的 UTXO 模型导致系统无状态，难以执行复杂的依赖状态的计算。这限制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。

目前主要的比特币扩容方案包括状态通道、侧链和客户端验证等。但这些方案或多或少存在功能限制、安全性降低或集中化风险等问题。

2023 年底提出的 BitVM 方案为比特币的可编程性带来了新的可能。BitVM 利用比特币脚本和 Taproot 实现乐观 Rollup，通过 Lamport 签名在 UTXO 间建立联系，实现有状态的比特币脚本。这极大拓展了比特币的潜在应用场景。

然而，BitVM 技术仍处于早期阶段，在效率和安全性方面存在一些待优化的问题。本文将探讨几个可能的优化方向，以进一步提高 BitVM 的实用性。

2. BitVM 原理

BitVM 旨在实现比特币的链下合约功能。它通过 Lamport 一次性签名让比特币脚本具有状态性，使不同脚本间可以共享相同的变量值。BitVM 的计算在链下进行，结果验证则在链上完成。

与乐观 Rollup 类似，BitVM 基于欺诈证明和挑战-响应协议，但无需修改比特币共识规则。其核心组件包括:

• 电路承诺：将程序编译为二进制电路，并在 Taproot 地址中承诺
• 挑战和响应：通过预签一系列交易实现
• 惩罚机制：对提出不正确声明的证明者进行惩罚

3. BitVM 优化方案

3.1 基于 ZK 降低 OP 交互次数

考虑引入零知识证明来降低 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。

可探索构建 ZK Fraud Proof，实现 On-Demand ZK Proof。这种模式下，只有在发生挑战时才生成 ZK Proof，保持整体 Rollup 设计的乐观性，同时降低计算成本。

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。可考虑使用 Winternitz 一次性签名方案，在 d=15 时可将公钥和签名长度缩短约 4 倍，虽然验签复杂度会提高，但整体可降低交易费用。

未来可进一步探索更紧凑的一次性签名方案，以比特币脚本表达。

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，以最优的脚本大小实现 merkle inclusion proof 验证功能。

BLAKE3 哈希函数是一个潜在的选择，其压缩函数轮数较少，且在特定输入大小下只需一次压缩函数。目前已有基于比特币脚本实现 BLAKE3 的尝试，未来可进一步优化和探索其他比特币友好的哈希函数。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts 通过使用 Schnorr 签名在链下执行智能合约，可以增加合约的复杂性、提高隐私性并提升效率。将 Scriptless Scripts 引入 BitVM 可以节省脚本空间，提高整体效率。

未来需要改进现有方案，减少证明者和挑战者的交互次数，并探索将 Scriptless Scripts 应用到 BitVM 的具体功能模块中。

3.5 无需许可的多方挑战

当前 BitVM 采用许可制的两方挑战模式，存在潜在的安全隐患。研究无需许可的多方挑战协议可以将 BitVM 的信任模型从 1-of-n 扩展到 1-of-N（N 远大于 n），进一步降低信任假设。

实现无需许可的多方挑战需要解决以下问题：

• 女巫攻击：设计争议解决算法，使诚实参与方的成本随对手数量呈对数增长
• 延迟攻击：要求挑战者质押，并设计算法限制最坏情况下的延迟上限

4. 结论

BitVM 技术仍处于早期阶段，未来有广阔的优化空间。通过探索和实践上述优化方向，有望实现比特币的进一步扩容，促进比特币生态的繁荣发展。