Exploração de soluções de otimização BitVM

1. Introdução

O Bitcoin, como um ativo digital descentralizado, tem um valor importante, mas sua escalabilidade sempre foi um problema a ser resolvido. O modelo UTXO do Bitcoin torna difícil executar cálculos de dependência de estado complexos, limitando a possibilidade de construir aplicações ricas sobre ele.

Para resolver o problema de escalabilidade do Bitcoin, foram propostas várias soluções técnicas na indústria, como canais de estado, sidechains e validação do cliente, entre outras. No entanto, essas soluções apresentam, de uma forma ou de outra, limitações funcionais e insuficiências de segurança. A solução BitVM, proposta no final de 2023, oferece uma possibilidade de implementar contratos Turing completos para o Bitcoin, gerando ampla atenção.

O BitVM utiliza scripts do Bitcoin e a tecnologia Taproot para implementar um mecanismo de Rollup otimista. Ele estabelece conexões entre UTXOs através de assinaturas de Lamport, compromete grandes programas em endereços Taproot e executa cálculos complexos através de interações off-chain e validações on-chain. Isso expande significativamente os cenários de aplicação do Bitcoin.

No entanto, a tecnologia BitVM ainda está em estágios iniciais, havendo espaço para otimização em aspectos como eficiência e segurança. Este artigo irá explorar algumas das principais direções de otimização do BitVM, com o objetivo de melhorar ainda mais seu desempenho e utilidade.

2. Princípio do BitVM

BitVM tem como objetivo fornecer funcionalidades de contratos off-chain para o Bitcoin. Ele implementa scripts de Bitcoin com estado por meio de assinaturas únicas de Lamport, permitindo que diferentes scripts compartilhem estado. O cálculo do BitVM é realizado off-chain, enquanto a validação dos resultados é feita on-chain.

O sistema BitVM é baseado em provas de fraude e protocolos de desafio-resposta, composto principalmente pelos seguintes componentes:

• Compromisso de circuito: compilar o programa em circuito binário e comprometer-se no endereço Taproot
• Desafio e Resposta: Pré-assinar uma série de transações para realizar o jogo de desafio-resposta
• Mecanismo de penalização: penalizar os provadores que apresentem declarações incorretas

Este design permite que o BitVM verifique cálculos de qualquer complexidade sem alterar as regras de consenso do Bitcoin.

3. Proposta de otimização do BitVM

3.1 Reduzindo o número de interações OP com base em ZK

Os desafios atuais do BitVM - O mecanismo de resposta pode exigir muitas interações em situações adversas, levando muito tempo. A introdução de provas de conhecimento zero pode reduzir efetivamente o número de interações:

• Utilizar algoritmos de verificação de conhecimento zero em vez de algoritmos originais, reduzindo o número de desafios e o ciclo.
• Explorar o modelo de Prova ZK sob Demanda, gerando provas apenas quando há desafios
• Estudar a possibilidade de gerar ZK Fraud Proof para instruções de disputa individuais

3.2 Assinatura única amigável para Bitcoin

A assinatura Lamport é um componente fundamental do BitVM, mas suas assinaturas e chaves públicas são longas. Pode-se considerar usar o esquema de assinatura descartável Winternitz:

• Quando d=15, o comprimento da chave pública e da assinatura pode ser reduzido para 1/4 do esquema de Lamport.
• Usando d=15, v=160, f=ripemd160(x), o esquema de Winternitz pode reduzir as taxas de transação do BitVM em mais de 50%
• Otimizar ainda mais a implementação do esquema Winternitz nos scripts do Bitcoin

3.3 Função de hash amigável para Bitcoin

Projetar uma função de hash amigável ao Bitcoin pode otimizar o tamanho do script e o tamanho da testemunha do BitVM:

• Explorar a implementação de funções de hash como o BLAKE3 no script do Bitcoin
• Dividir o código da função hash, reduzindo a quantidade de dados na cadeia através da execução passo a passo
• Comparar a compatibilidade do Bitcoin dos algoritmos de hash Keccak-256, Grøstl, entre outros.

3.4 Scripts sem Script BitVM

Scripts sem script podem reduzir a quantidade de dados na cadeia e aumentar a eficiência do BitVM:

• Utilizar a assinatura múltipla Schnorr e a assinatura adaptadora para implementar compromissos de porta lógica
• Reduzir a utilização de espaço dos scripts BitVM, aumentar a eficiência
• Melhorar a solução existente, reduzindo a quantidade de interações entre provadores e desafiadores

3.5 Desafio múltiplo sem permissão

Expandir o modelo de confiança do BitVM, permitindo desafios multipartidários sem permissão:

• Resolver o problema do ataque da bruxa, fazendo com que o custo do lado honesto cresça de forma logarítmica.
• Para enfrentar ataques de atraso, exige-se que o desafiador aposte e defina um limite de atraso.
• Explorar um modelo de desafio multiparte sem permissão adequado às características do Bitcoin

4. Conclusão

BitVM oferece novas possibilidades para a escalabilidade do Bitcoin, mas ainda há muito espaço para otimização. Ao introduzir provas de conhecimento zero, melhorar esquemas de assinatura e hash, utilizar Scripts sem Script e implementar desafios multipartidários sem permissão, é possível melhorar ainda mais o desempenho e a segurança do BitVM. No futuro, será necessário mais exploração e prática para aproveitar plenamente o potencial do BitVM e promover o desenvolvimento próspero do ecossistema Bitcoin.