BitVM优化探索:提升比特币可扩展性与可编程性

1. 引言

比特币作为去中心化、安全且值得信赖的数字资产,在扩容方面一直面临挑战。其UTXO模型导致系统无状态,难以执行复杂的依赖状态计算,限制了去中心化应用和复杂金融工具的构建。

现有的扩容方案如状态通道、侧链和客户端验证各有优缺点。2023年12月,ZeroSync项目提出的BitVM方案引发关注,它通过利用比特币脚本和Taproot实现乐观Rollup,使比特币能验证任意复杂计算而无需改变基本规则。

尽管BitVM在扩容方面极具潜力,但仍处于早期阶段,在效率和安全性上存在一些问题。本文针对这些问题提出了一些优化思路,以进一步提高BitVM的性能。

2. BitVM原理

BitVM是一种链下合约解决方案,致力于增强比特币的合约功能。它通过Lamport一次性签名实现有状态的比特币脚本,计算在链下进行,结果验证在链上完成。

BitVM的核心组件包括:

• 电路承诺:将程序编译为二进制电路并在Taproot地址中承诺
• 挑战和响应:预签一系列交易实现挑战-响应机制
• 模棱两可惩罚:对不正确声明进行惩罚

这种设计允许在比特币上进行通用计算验证,而无需修改共识规则。

3. BitVM优化方案

3.1 基于ZK降低OP交互次数

利用零知识证明可以显著降低BitVM的挑战轮数和周期。通过验证ZK证明而非原始算法,可大幅减少计算复杂度。

此外,可以探索构建ZK Fraud Proof,实现On-Demand ZK Proof模式。这种方式只在有挑战时才生成ZK证明,保持整体乐观设计,同时降低计算成本。

3.2 比特币友好的一次性签名

Lamport签名是BitVM的基础,但其长度较大。可以考虑使用Winternitz一次性签名方案,在d=15时可将公钥和签名长度缩短约4倍,从而显著降低交易费用。

未来可进一步优化Winternitz方案在比特币脚本中的实现,或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

由于比特币网络目前不支持OP_CAT,需要使用现有脚本以最优方式实现哈希函数。BLAKE3哈希函数是一个不错的选择,可以较容易地用比特币脚本实现。

此外,可以探索实现Keccak-256、Grøstl等其他哈希函数,从中选择最适合比特币的方案,或开发新的比特币友好哈希函数。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts可以将智能合约执行从链上转移到链下,提高功能性、隐私性和效率。通过使用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。

未来需要改进现有方案,减少交互需求,并探索将Scriptless Scripts应用到BitVM的具体功能模块中。

3.5 无需许可的多方挑战

当前BitVM采用许可模式和两方挑战,存在潜在风险。实现无需许可的多方挑战可以将信任模型从1-of-n扩展到1-of-N(N>>n),进一步降低信任假设。

需要解决的关键问题包括:

• 女巫攻击:设计争议解决算法,使诚实方的成本随对手数量呈对数增长
• 延迟攻击:要求挑战者质押,并设计算法限制最坏情况下的延迟上限

4. 结论

BitVM技术仍处于早期阶段,未来需要在多个方向持续探索和优化,以实现比特币的扩容并繁荣其生态系统。本文提出的优化方案为未来研究提供了一些思路,但仍需进一步的理论分析和实践验证。