BitVM技術優化探索

1. 引言

比特幣作爲去中心化、安全且值得信賴的數字資產，一直面臨着擴容問題。其UTXO模型導致系統無狀態，難以執行復雜的依賴狀態的計算。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範圍。

爲解決擴容問題，業界提出了狀態通道、側鏈和客戶端驗證等技術。然而，這些方案都存在各自的局限性。2023年12月，ZeroSync項目負責人Robin Linus發表的《BitVM：Compute Anything On Bitcoin》白皮書提出了一種新的解決方案。BitVM技術允許在不改變比特幣網路共識的情況下實現圖靈完備的比特幣合約，極大地拓寬了比特幣的潛在用例。

盡管BitVM技術在比特幣擴容方面極具優勢，但仍處於早期階段，在效率和安全方面存在一些問題。本文將探討一些優化思路，以進一步提高BitVM的效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM定位爲比特幣的鏈下合約，致力於推動比特幣合約功能。它通過Lamport一次性籤名讓比特幣腳本具有狀態性，並採用挑戰響應模式支持更高復雜度的計算驗證。BitVM系統基於欺詐證明和挑戰-響應協議，但不需要修改比特幣的共識規則。

BitVM的關鍵組件包括：

• 電路承諾：證明者和驗證者將程序編譯爲大型二進制電路，並在Taproot地址中承諾該電路。
• 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：如果證明者提出不正確的聲明，驗證者可獲得證明者的存款。

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。通過將挑戰對象從原始算法F轉變爲驗證算法Verify，可降低挑戰輪數，縮短挑戰週期。此外，可探索構建ZK Fraud Proof，實現On-Demand ZK Proof，進一步優化BitVM系統。

3.2 比特幣友好的一次性籤名

爲降低交易數據和手續費，可考慮使用Winternitz一次性籤名替代Lamport一次性籤名。Winternitz方案可將籤名和公鑰長度大幅降低，但會增加籤名和驗籤的計算復雜度。在BitVM中使用適當參數的Winternitz一次性籤名，可將交易費降低至少50%。

3.3 比特幣友好的哈希函數

需要研究以比特幣腳本實現的、script size和script witness size最優的哈希函數，以支持merkle inclusion proof驗證功能。BLAKE3哈希函數是一個潛在的選擇，可以通過比特幣腳本實現其基本運算。此外，還可探索其他哈希函數的比特幣腳本實現，如Keccak-256、Grøstl等。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以增加智能合約的範圍和復雜性，同時提高隱私和效率。通過使用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，從而節約腳本空間，提高效率。未來可進一步改進這一方案，並將Scripless Scripts引入到具體BitVM功能模塊中。

3.5 無需許可的多方挑戰

爲了擴展BitVM的信任模型並降低信任假設，需要研究無需許可的多方OP挑戰協議。這將允許任何人參與挑戰，而不需要預先的許可名單。同時，還需解決女巫攻擊和延遲攻擊等問題，以確保系統的安全性和效率。

4. 結論

BitVM技術的探索才剛剛開始，未來將繼續研究和實踐更多優化方向，以實現對比特幣的擴容，繁榮比特幣生態。通過上述優化措施，BitVM有望在效率、安全性和功能性方面取得顯著進展，爲比特幣網路帶來更廣泛的應用場景。