Tối ưu hóa công nghệ BitVM: Nâng cao khả năng mở rộng và lập trình của Bitcoin

1. Giới thiệu

Bitcoin tồn tại một số giới hạn như là tài sản kỹ thuật số phi tập trung, khó hỗ trợ các ứng dụng phức tạp và mạng thanh toán quy mô lớn. Để giải quyết vấn đề này, ngành công nghiệp đã đề xuất nhiều giải pháp mở rộng, như kênh trạng thái, chuỗi bên và xác thực khách hàng. Gần đây, việc đề xuất công nghệ BitVM đã cung cấp cho Bitcoin một hướng mở rộng mới, có thể thực hiện hợp đồng thông minh đủ điều kiện Turing mà không thay đổi sự đồng thuận của Bitcoin.

BitVM thông qua việc tận dụng khéo léo các kịch bản Bitcoin và công nghệ Taproot, đã đạt được cơ chế tương tự như Rollup lạc quan. Nó sử dụng chữ ký Lamport để thiết lập mối liên hệ giữa các UTXO, từ đó thực hiện các kịch bản Bitcoin có trạng thái. Bằng cách cam kết các chương trình lớn trong địa chỉ Taproot, BitVM có thể thực hiện các phép toán phức tạp ngoài chuỗi, đồng thời giữ cho dấu chân trên chuỗi rất nhỏ.

Tuy nhiên, công nghệ BitVM vẫn ở giai đoạn đầu, còn tồn tại một số vấn đề về hiệu suất và độ an toàn. Bài viết này sẽ khám phá một vài hướng tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất và khả năng sử dụng của BitVM.

2. Nguyên lý BitVM

BitVM là một giải pháp hợp đồng ngoài chuỗi, nhằm mở rộng chức năng hợp đồng của Bitcoin. Nó đạt được trạng thái của script Bitcoin thông qua chữ ký một lần của Lamport, cho phép các script khác nhau chia sẻ cùng một giá trị biến. Các thành phần cốt lõi của BitVM bao gồm:

1. Cam kết mạch: Biên dịch chương trình thành mạch nhị phân và cam kết trong địa chỉ Taproot.

2. Thách thức và phản hồi: Tiền ký trước một loạt giao dịch để thực hiện cơ chế thách thức - phản hồi, có thể thực hiện ngoại tuyến hoặc trực tuyến.

3. Hình phạt mơ hồ: Nếu người chứng minh đưa ra tuyên bố không chính xác, người xác minh có thể nhận được tiền gửi của người chứng minh bằng cách thách thức thành công.

3. Hướng tối ưu hóa BitVM

3.1 Giảm số lần tương tác OP dựa trên ZK

Thông qua việc áp dụng công nghệ chứng minh không biết, có thể giảm đáng kể số lần thách thức trong BitVM, từ đó nâng cao hiệu quả. Độ phức tạp của thuật toán xác minh chứng minh không biết là cố định, so với việc mở rộng thuật toán gốc bằng phương pháp chia đôi, độ phức tạp tính toán thấp hơn. Phương pháp này có thể rút ngắn chu kỳ thách thức, giảm chi phí phí giao dịch.

Trong tương lai có thể khám phá sự kết hợp giữa chứng minh không biết và chứng minh gian lận, xây dựng ZK Fraud Proof, thực hiện mô hình ZK Proof theo yêu cầu. Mô hình này chỉ tạo ra ZK Proof khi có thách thức, có thể tối ưu hóa hơn nữa việc sử dụng tài nguyên tính toán.

3.2 Bitcoin thân thiện một lần ký

Chữ ký Lamport là thành phần cơ bản của BitVM, nhưng chiều dài khóa công khai và chữ ký khá dài, tiêu tốn nhiều không gian lưu trữ. Có thể xem xét việc sử dụng phương án chữ ký một lần Winternitz, phương án này có thể giảm đáng kể chiều dài của chữ ký và khóa công khai, mặc dù sẽ tăng một chút độ phức tạp tính toán.

Sử dụng chữ ký một lần Winternitz được tối ưu hóa trong BitVM, có thể giảm kích thước cam kết bit khoảng 50%, từ đó giảm đáng kể chi phí giao dịch. Trong tương lai, có thể khám phá các phương án chữ ký một lần nhỏ gọn hơn để tối ưu hóa hiệu suất của BitVM hơn nữa.

3.3 Bitcoin thân thiện với hàm băm

Mạng Bitcoin hiện tại không hỗ trợ thao tác OP_CAT, không thể trực tiếp thực hiện nối chuỗi để xác minh đường Merkle. Do đó, cần thiết kế một hàm băm tối ưu dựa trên kịch bản Bitcoin hiện tại, để hỗ trợ chức năng xác minh bằng chứng bao gồm Merkle.

Hàm băm BLAKE3 là một ứng viên tiềm năng. Nó phân chia đầu vào thành các chunks có kích thước cố định và sử dụng hàm nén để xử lý. Bằng cách tối ưu hóa việc triển khai thuật toán BLAKE3 trong script Bitcoin, có thể giảm đáng kể khối lượng dữ liệu trên chuỗi và độ phức tạp tính toán.

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts là một phương pháp thực hiện hợp đồng thông minh ngoài chuỗi thông qua chữ ký Schnorr. Nó có những đặc điểm mạnh mẽ, bảo mật tốt và hiệu quả cao. Việc đưa công nghệ Scriptless Scripts vào BitVM có thể giảm thêm lượng dữ liệu trên chuỗi và hạ thấp phí giao dịch.

Bằng cách sử dụng chữ ký Schnorr đa chữ ký và chữ ký thích ứng, có thể thực hiện cam kết cổng logic trong mạch BitVM mà không cần cung cấp giá trị băm và ảnh gốc. Phương pháp này có thể tiết kiệm đáng kể không gian kịch bản BitVM, nâng cao hiệu quả tổng thể.

3.5 Thách thức nhiều bên không cần phép

Hiện tại, BitVM áp dụng chế độ thách thức hai bên có giấy phép, tồn tại rủi ro an toàn tiềm tàng. Để tăng cường tính bảo mật của hệ thống, có thể thiết kế giao thức thách thức OP đa bên không cần giấy phép, mở rộng mô hình tin cậy của BitVM từ 1-of-n thành 1-of-N (N lớn hơn nhiều so với n).

Khi triển khai thách thức nhiều bên không cần cấp phép, cần giải quyết các vấn đề sau:

1. Tấn công phù thủy: Thiết kế thuật toán giải quyết tranh chấp, khiến chi phí để bên trung thực thắng tranh chấp tăng theo logarithm với số lượng đối thủ.

2. Tấn công trễ: yêu cầu thách thức viên đặt cọc trước và thiết kế cơ chế hạn chế phạm vi ảnh hưởng của tấn công trễ.

4. Kết luận

Công nghệ BitVM mang đến khả năng mới cho việc mở rộng Bitcoin và thực hiện hợp đồng thông minh. Thông qua việc khám phá và thực hành các phương hướng tối ưu hóa nêu trên, có hy vọng sẽ nâng cao hơn nữa hiệu suất và tính an toàn của BitVM, góp phần vào sự thịnh vượng của hệ sinh thái Bitcoin. Trong tương lai, cần nhiều nghiên cứu và thí nghiệm hơn nữa để phát huy tối đa tiềm năng của BitVM.