BitVM 技術優化方案探討

1. 引言

比特幣作爲去中心化的數字資產具有廣泛認可，但其可擴展性和靈活性一直是制約其應用的瓶頸。比特幣的 UTXO 模型導致系統無狀態，難以執行復雜的依賴狀態的計算。這限制了在比特幣上構建去中心化應用和復雜金融工具的可能性。

目前主要的比特幣擴容方案包括狀態通道、側鏈和客戶端驗證等。但這些方案或多或少存在功能限制、安全性降低或集中化風險等問題。

2023 年底提出的 BitVM 方案爲比特幣的可編程性帶來了新的可能。BitVM 利用比特幣腳本和 Taproot 實現樂觀 Rollup，通過 Lamport 籤名在 UTXO 間建立聯繫，實現有狀態的比特幣腳本。這極大拓展了比特幣的潛在應用場景。

然而，BitVM 技術仍處於早期階段，在效率和安全性方面存在一些待優化的問題。本文將探討幾個可能的優化方向，以進一步提高 BitVM 的實用性。

2. BitVM 原理

BitVM 旨在實現比特幣的鏈下合約功能。它通過 Lamport 一次性籤名讓比特幣腳本具有狀態性，使不同腳本間可以共享相同的變量值。BitVM 的計算在鏈下進行，結果驗證則在鏈上完成。

與樂觀 Rollup 類似，BitVM 基於欺詐證明和挑戰-響應協議，但無需修改比特幣共識規則。其核心組件包括:

• 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：通過預籤一系列交易實現
• 懲罰機制：對提出不正確聲明的證明者進行懲罰

3. BitVM 優化方案

3.1 基於 ZK 降低 OP 交互次數

考慮引入零知識證明來降低 BitVM 的挑戰次數，提高效率。零知識證明的驗證算法復雜度固定，相比二分法打開原始算法，計算復雜度更低。

可探索構建 ZK Fraud Proof，實現 On-Demand ZK Proof。這種模式下，只有在發生挑戰時才生成 ZK Proof，保持整體 Rollup 設計的樂觀性，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 的基礎組件，但其籤名和公鑰長度較長。可考慮使用 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，雖然驗籤復雜度會提高，但整體可降低交易費用。

未來可進一步探索更緊湊的一次性籤名方案，以比特幣腳本表達。

3.3 比特幣友好的哈希函數

當前比特幣網路不支持 OP_CAT，無法直接進行 Merkle path 驗證。需要設計一種比特幣友好的哈希函數，以最優的腳本大小實現 merkle inclusion proof 驗證功能。

BLAKE3 哈希函數是一個潛在的選擇，其壓縮函數輪數較少，且在特定輸入大小下只需一次壓縮函數。目前已有基於比特幣腳本實現 BLAKE3 的嘗試，未來可進一步優化和探索其他比特幣友好的哈希函數。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts 通過使用 Schnorr 籤名在鏈下執行智能合約，可以增加合約的復雜性、提高隱私性並提升效率。將 Scriptless Scripts 引入 BitVM 可以節省腳本空間，提高整體效率。

未來需要改進現有方案，減少證明者和挑戰者的交互次數，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 採用許可制的兩方挑戰模式，存在潛在的安全隱患。研究無需許可的多方挑戰協議可以將 BitVM 的信任模型從 1-of-n 擴展到 1-of-N（N 遠大於 n），進一步降低信任假設。

實現無需許可的多方挑戰需要解決以下問題：

• 女巫攻擊：設計爭議解決算法，使誠實參與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，未來有廣闊的優化空間。通過探索和實踐上述優化方向，有望實現比特幣的進一步擴容，促進比特幣生態的繁榮發展。