BitVM技术优化探索

1. 引言

比特币作为去中心化、安全且值得信赖的数字资产，一直面临着扩容问题。其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范围。

为解决扩容问题，业界提出了状态通道、侧链和客户端验证等技术。然而，这些方案都存在各自的局限性。2023年12月，ZeroSync项目负责人Robin Linus发表的《BitVM：Compute Anything On Bitcoin》白皮书提出了一种新的解决方案。BitVM技术允许在不改变比特币网络共识的情况下实现图灵完备的比特币合约，极大地拓宽了比特币的潜在用例。

尽管BitVM技术在比特币扩容方面极具优势，但仍处于早期阶段，在效率和安全方面存在一些问题。本文将探讨一些优化思路，以进一步提高BitVM的效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM定位为比特币的链下合约，致力于推动比特币合约功能。它通过Lamport一次性签名让比特币脚本具有状态性，并采用挑战响应模式支持更高复杂度的计算验证。BitVM系统基于欺诈证明和挑战-响应协议，但不需要修改比特币的共识规则。

BitVM的关键组件包括：

• 电路承诺：证明者和验证者将程序编译为大型二进制电路，并在Taproot地址中承诺该电路。
• 挑战和响应：预签一系列交易来实现挑战-响应游戏。
• 模棱两可惩罚：如果证明者提出不正确的声明，验证者可获得证明者的存款。

3. BitVM优化

3.1 基于ZK降低OP交互次数

考虑使用零知识证明降低BitVM的挑战次数，提高效率。通过将挑战对象从原始算法F转变为验证算法Verify，可降低挑战轮数，缩短挑战周期。此外，可探索构建ZK Fraud Proof，实现On-Demand ZK Proof，进一步优化BitVM系统。

3.2 比特币友好的一次性签名

为降低交易数据和手续费，可考虑使用Winternitz一次性签名替代Lamport一次性签名。Winternitz方案可将签名和公钥长度大幅降低，但会增加签名和验签的计算复杂度。在BitVM中使用适当参数的Winternitz一次性签名，可将交易费降低至少50%。

3.3 比特币友好的哈希函数

需要研究以比特币脚本实现的、script size和script witness size最优的哈希函数，以支持merkle inclusion proof验证功能。BLAKE3哈希函数是一个潜在的选择，可以通过比特币脚本实现其基本运算。此外，还可探索其他哈希函数的比特币脚本实现，如Keccak-256、Grøstl等。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以增加智能合约的范围和复杂性，同时提高隐私和效率。通过使用Schnorr多重签名和适配器签名，可以实现BitVM电路中的逻辑门承诺，从而节约脚本空间，提高效率。未来可进一步改进这一方案，并将Scripless Scripts引入到具体BitVM功能模块中。

3.5 无需许可的多方挑战

为了扩展BitVM的信任模型并降低信任假设，需要研究无需许可的多方OP挑战协议。这将允许任何人参与挑战，而不需要预先的许可名单。同时，还需解决女巫攻击和延迟攻击等问题，以确保系统的安全性和效率。

4. 结论

BitVM技术的探索才刚刚开始，未来将继续研究和实践更多优化方向，以实现对比特币的扩容，繁荣比特币生态。通过上述优化措施，BitVM有望在效率、安全性和功能性方面取得显著进展，为比特币网络带来更广泛的应用场景。