BitVM优化方案探索

1. 引言

比特币作为去中心化的数字资产具有重要价值,但其可扩展性一直是一个亟待解决的问题。比特币的UTXO模型导致其难以执行复杂的状态依赖计算,限制了在其上构建丰富应用的可能性。

为解决比特币扩容问题,业界提出了多种技术方案,如状态通道、侧链和客户端验证等。但这些方案或多或少存在功能局限、安全性不足等问题。2023年底提出的BitVM方案为比特币提供了一种实现图灵完备合约的可能,引发了广泛关注。

BitVM利用比特币脚本和Taproot技术,实现了一种乐观Rollup机制。它通过Lamport签名在UTXO间建立联系,在Taproot地址中承诺大型程序,并通过链下交互和链上验证来执行复杂计算。这大大拓展了比特币的应用场景。

然而,BitVM技术仍处于早期阶段,在效率和安全性等方面还有优化空间。本文将探讨几个主要的BitVM优化方向,以期进一步提升其性能和实用性。

2. BitVM原理

BitVM旨在为比特币提供链下合约功能。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状态。BitVM的计算在链下进行,结果验证则在链上完成。

BitVM系统基于欺诈证明和挑战-响应协议,主要由以下组件构成:

• 电路承诺:将程序编译为二进制电路并承诺在Taproot地址中
• 挑战和响应:预签一系列交易实现挑战-响应游戏
• 惩罚机制:对提出不正确声明的证明者进行惩罚

这种设计使得BitVM可以在不改变比特币共识规则的情况下,验证任意复杂的计算。

3. BitVM优化方案

3.1 基于ZK降低OP交互次数

BitVM当前的挑战-响应机制在最坏情况下可能需要大量交互,耗时较长。引入零知识证明可以有效降低交互次数:

• 使用零知识证明验证算法替代原始算法,降低挑战轮数和周期
• 探索On-Demand ZK Proof模型,仅在有挑战时才生成证明
• 研究为单个争议指令生成ZK Fraud Proof的可能性

3.2 比特币友好的一次性签名

Lamport签名是BitVM的基础组件,但其签名和公钥较长。可考虑使用Winternitz一次性签名方案:

• 当d=15时,公钥和签名长度可缩短至Lamport方案的1/4
• 使用d=15、v=160、f=ripemd160(x)的Winternitz方案可将BitVM交易费降低50%以上
• 进一步优化Winternitz方案在比特币脚本中的实现

3.3 比特币友好的哈希函数

设计一种比特币友好的哈希函数可优化BitVM的脚本size和witness size:

• 探索BLAKE3等哈希函数在比特币脚本中的实现
• 拆分哈希函数代码,通过分步执行降低链上数据量
• 比较Keccak-256、Grøstl等哈希函数的比特币友好度

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以降低链上数据量,提高BitVM效率:

• 利用Schnorr多重签名和适配器签名实现逻辑门承诺
• 降低BitVM脚本空间占用,提高效率
• 改进现有方案,减少证明者和挑战者的交互量

3.5 无需许可的多方挑战

扩展BitVM的信任模型,实现无需许可的多方挑战:

• 解决女巫攻击问题,使诚实方胜出成本呈对数增长
• 应对延迟攻击,要求挑战者质押并设置延迟上限
• 探索适合比特币特性的无需许可多方挑战模型

4. 结论

BitVM为比特币扩容提供了新的可能性,但仍有很大的优化空间。通过引入零知识证明、改进签名和哈希方案、利用Scriptless Scripts以及实现无需许可的多方挑战等方式,可以进一步提升BitVM的性能和安全性。未来还需要更多的探索和实践,以充分发挥BitVM的潜力,促进比特币生态的繁荣发展。