BitVM優化探索:提升比特幣可擴展性與可編程性

1. 引言

比特幣作爲去中心化、安全且值得信賴的數字資產,在擴容方面一直面臨挑戰。其UTXO模型導致系統無狀態,難以執行復雜的依賴狀態計算,限制了去中心化應用和復雜金融工具的構建。

現有的擴容方案如狀態通道、側鏈和客戶端驗證各有優缺點。2023年12月,ZeroSync項目提出的BitVM方案引發關注,它通過利用比特幣腳本和Taproot實現樂觀Rollup,使比特幣能驗證任意復雜計算而無需改變基本規則。

盡管BitVM在擴容方面極具潛力,但仍處於早期階段,在效率和安全性上存在一些問題。本文針對這些問題提出了一些優化思路,以進一步提高BitVM的性能。

2. BitVM原理

BitVM是一種鏈下合約解決方案,致力於增強比特幣的合約功能。它通過Lamport一次性籤名實現有狀態的比特幣腳本,計算在鏈下進行,結果驗證在鏈上完成。

BitVM的核心組件包括:

• 電路承諾:將程序編譯爲二進制電路並在Taproot地址中承諾
• 挑戰和響應:預籤一系列交易實現挑戰-響應機制
• 模棱兩可懲罰:對不正確聲明進行懲罰

這種設計允許在比特幣上進行通用計算驗證,而無需修改共識規則。

3. BitVM優化方案

3.1 基於ZK降低OP交互次數

利用零知識證明可以顯著降低BitVM的挑戰輪數和週期。通過驗證ZK證明而非原始算法,可大幅減少計算復雜度。

此外,可以探索構建ZK Fraud Proof,實現On-Demand ZK Proof模式。這種方式只在有挑戰時才生成ZK證明,保持整體樂觀設計,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,但其長度較大。可以考慮使用Winternitz一次性籤名方案,在d=15時可將公鑰和籤名長度縮短約4倍,從而顯著降低交易費用。

未來可進一步優化Winternitz方案在比特幣腳本中的實現,或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,需要使用現有腳本以最優方式實現哈希函數。BLAKE3哈希函數是一個不錯的選擇,可以較容易地用比特幣腳本實現。

此外,可以探索實現Keccak-256、Grøstl等其他哈希函數,從中選擇最適合比特幣的方案,或開發新的比特幣友好哈希函數。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以將智能合約執行從鏈上轉移到鏈下,提高功能性、隱私性和效率。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,從而節省腳本空間,提高效率。

未來需要改進現有方案,減少交互需求,並探索將Scriptless Scripts應用到BitVM的具體功能模塊中。

3.5 無需許可的多方挑戰

當前BitVM採用許可模式和兩方挑戰,存在潛在風險。實現無需許可的多方挑戰可以將信任模型從1-of-n擴展到1-of-N(N>>n),進一步降低信任假設。

需要解決的關鍵問題包括:

• 女巫攻擊:設計爭議解決算法,使誠實方的成本隨對手數量呈對數增長
• 延遲攻擊:要求挑戰者質押,並設計算法限制最壞情況下的延遲上限

4. 結論

BitVM技術仍處於早期階段,未來需要在多個方向持續探索和優化,以實現比特幣的擴容並繁榮其生態系統。本文提出的優化方案爲未來研究提供了一些思路,但仍需進一步的理論分析和實踐驗證。