BitVM优化:提高比特币可扩展性和可编程性

1. 引言

比特币作为一种去中心化的数字资产,具有安全性和可信赖性。然而,它在可扩展性和可编程性方面存在局限。比特币的UTXO模型导致系统无状态,难以执行复杂的状态依赖计算。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。

为解决比特币的扩容问题,业界提出了多种技术方案,包括状态通道、侧链和客户端验证等。但这些方案都存在一定的局限性,如安全性较低或应用范围有限。

2023年12月,ZeroSync项目提出了BitVM方案,旨在不改变比特币共识的情况下实现图灵完备的比特币合约。BitVM利用比特币脚本和Taproot技术,实现了乐观Rollup。它通过Lamport签名在比特币UTXO之间建立联系,实现了有状态的比特币脚本。

尽管BitVM在比特币扩容方面具有优势,但仍处于早期阶段,在效率和安全性方面存在一些问题。本文将探讨一些优化BitVM的思路,以进一步提高其效率和安全性。

2. BitVM原理

BitVM是一种比特币链下合约解决方案,旨在扩展比特币的合约功能。它通过Lamport一次性签名实现了有状态的比特币脚本,使得不同脚本间可以共享相同的变量值。BitVM的计算过程发生在链下,而计算结果的验证则在链上进行。

BitVM系统基于欺诈证明和挑战-响应协议,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地址中进行承诺。

• 挑战和响应:预签一系列交易以实现挑战-响应游戏。

• 模棱两可惩罚:如果证明者提出不正确声明,验证者可获得其存款。

3. BitVM优化方案

3.1 基于ZK降低OP交互次数

通过引入零知识证明,可以降低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。可以构建ZK Fraud Proof,实现On-Demand ZK Proof,仅在有挑战时才生成ZK Proof。

3.2 比特币友好的一次性签名

Winternitz一次性签名方案可以显著降低签名和公钥长度。在BitVM中使用特定参数的Winternitz签名,可以将bit commitment size降低50%,从而大幅降低交易费用。未来可探索更紧凑的一次性签名方案。

3.3 比特币友好的哈希函数

BLAKE3哈希函数可作为一种比特币友好的哈希函数选择。它可以高效地实现merkle inclusion proof验证功能。通过优化BLAKE3在比特币脚本中的实现,可以构建出适用于BitVM的toy版本。此外,还可探索其他比特币友好的哈希函数。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts技术可以将智能合约的执行从链上转移到链下,提高功能性、隐私性和效率。通过结合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,从而节省脚本空间,提高效率。

3.5 无需许可的多方挑战

扩展BitVM为无需许可的多方挑战模型,可以将信任假设从1-of-n扩展到1-of-N(N>>n)。需要解决女巫攻击和延迟攻击等问题,可参考相关研究成果设计适合比特币特性的解决方案。

4. 结论

BitVM技术仍处于探索阶段,未来将有更多优化方向有待实践,以实现比特币的扩容和生态繁荣。通过引入零知识证明、改进一次性签名、优化哈希函数、应用Scriptless Scripts以及实现无需许可的多方挑战等方式,BitVM有望在效率和安全性方面取得显著提升。