BitVM優化方案探索

1. 引言

比特幣作爲去中心化的數字資產具有重要價值,但其可擴展性一直是一個亟待解決的問題。比特幣的UTXO模型導致其難以執行復雜的狀態依賴計算,限制了在其上構建豐富應用的可能性。

爲解決比特幣擴容問題,業界提出了多種技術方案,如狀態通道、側鏈和客戶端驗證等。但這些方案或多或少存在功能局限、安全性不足等問題。2023年底提出的BitVM方案爲比特幣提供了一種實現圖靈完備合約的可能,引發了廣泛關注。

BitVM利用比特幣腳本和Taproot技術,實現了一種樂觀Rollup機制。它通過Lamport籤名在UTXO間建立聯繫,在Taproot地址中承諾大型程序,並通過鏈下交互和鏈上驗證來執行復雜計算。這大大拓展了比特幣的應用場景。

然而,BitVM技術仍處於早期階段,在效率和安全性等方面還有優化空間。本文將探討幾個主要的BitVM優化方向,以期進一步提升其性能和實用性。

2. BitVM原理

BitVM旨在爲比特幣提供鏈下合約功能。它通過Lamport一次性籤名實現了有狀態的比特幣腳本,使得不同腳本間可以共享狀態。BitVM的計算在鏈下進行,結果驗證則在鏈上完成。

BitVM系統基於欺詐證明和挑戰-響應協議,主要由以下組件構成:

• 電路承諾:將程序編譯爲二進制電路並承諾在Taproot地址中
• 挑戰和響應:預籤一系列交易實現挑戰-響應遊戲
• 懲罰機制:對提出不正確聲明的證明者進行懲罰

這種設計使得BitVM可以在不改變比特幣共識規則的情況下,驗證任意復雜的計算。

3. BitVM優化方案

3.1 基於ZK降低OP交互次數

BitVM當前的挑戰-響應機制在最壞情況下可能需要大量交互,耗時較長。引入零知識證明可以有效降低交互次數:

• 使用零知識證明驗證算法替代原始算法,降低挑戰輪數和週期
• 探索On-Demand ZK Proof模型,僅在有挑戰時才生成證明
• 研究爲單個爭議指令生成ZK Fraud Proof的可能性

3.2 比特幣友好的一次性籤名

Lamport籤名是BitVM的基礎組件,但其籤名和公鑰較長。可考慮使用Winternitz一次性籤名方案:

• 當d=15時,公鑰和籤名長度可縮短至Lamport方案的1/4
• 使用d=15、v=160、f=ripemd160(x)的Winternitz方案可將BitVM交易費降低50%以上
• 進一步優化Winternitz方案在比特幣腳本中的實現

3.3 比特幣友好的哈希函數

設計一種比特幣友好的哈希函數可優化BitVM的腳本size和witness size:

• 探索BLAKE3等哈希函數在比特幣腳本中的實現
• 拆分哈希函數代碼,通過分步執行降低鏈上數據量
• 比較Keccak-256、Grøstl等哈希函數的比特幣友好度

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以降低鏈上數據量,提高BitVM效率:

• 利用Schnorr多重籤名和適配器籤名實現邏輯門承諾
• 降低BitVM腳本空間佔用,提高效率
• 改進現有方案,減少證明者和挑戰者的交互量

3.5 無需許可的多方挑戰

擴展BitVM的信任模型,實現無需許可的多方挑戰:

• 解決女巫攻擊問題,使誠實方勝出成本呈對數增長
• 應對延遲攻擊,要求挑戰者質押並設置延遲上限
• 探索適合比特幣特性的無需許可多方挑戰模型

4. 結論

BitVM爲比特幣擴容提供了新的可能性,但仍有很大的優化空間。通過引入零知識證明、改進籤名和哈希方案、利用Scriptless Scripts以及實現無需許可的多方挑戰等方式,可以進一步提升BitVM的性能和安全性。未來還需要更多的探索和實踐,以充分發揮BitVM的潛力,促進比特幣生態的繁榮發展。