BitVM技術優化：提升比特幣可擴展性和編程能力

1. 引言

比特幣作爲去中心化數字資產存在一些局限性，難以支持復雜應用和大規模支付網絡。爲解決這一問題，業界提出了多種擴容方案，如狀態通道、側鏈和客戶端驗證等。近期，BitVM技術的提出爲比特幣提供了一種新的擴容思路，可在不改變比特幣共識的情況下實現圖靈完備的智能合約。

BitVM通過巧妙利用比特幣腳本和Taproot技術，實現了類似樂觀Rollup的機制。它使用Lamport籤名建立UTXO之間的關聯，從而實現有狀態的比特幣腳本。通過在Taproot地址中承諾大型程序，BitVM可以執行復雜的鏈下計算，同時保持鏈上足跡很小。

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問題。本文將探討幾種優化方向，以進一步提高BitVM的性能和可用性。

2. BitVM原理

BitVM是一種鏈下合約解決方案，旨在擴展比特幣的合約功能。它通過Lamport一次性籤名實現了比特幣腳本的有狀態性，使得不同腳本之間可以共享相同的變量值。BitVM的核心組件包括：

1. 電路承諾：將程序編譯爲二進制電路，並在Taproot地址中進行承諾。

2. 挑戰和響應：預籤一系列交易來實現挑戰-響應機制，可在鏈下或鏈上執行。

3. 模棱兩可懲罰：如果證明者提出不正確聲明，驗證者可通過成功挑戰獲得證明者的存款。

3. BitVM優化方向

3.1 基於ZK降低OP交互次數

通過引入零知識證明技術，可以顯著減少BitVM中的挑戰次數，從而提高效率。零知識證明的驗證算法復雜度固定，相比於二分法打開原始算法，計算復雜度更低。這種方法可以縮短挑戰週期，降低手續費成本。

未來可探索結合零知識證明和欺詐證明，構建ZK Fraud Proof，實現On-Demand ZK Proof模型。這種模型只在有挑戰時才生成ZK Proof，可進一步優化計算資源使用。

3.2 比特幣友好的一次性籤名

Lamport籤名是BitVM的基礎組件，但其公鑰和籤名長度較長，消耗大量存儲空間。可以考慮使用Winternitz一次性籤名方案，該方案能夠顯著減少籤名和公鑰長度，盡管會增加一些計算復雜度。

在BitVM中使用優化後的Winternitz一次性籤名，可將bit commitment size降低約50%，從而大幅減少交易費用。未來還可探索更緊湊的一次性籤名方案，以進一步優化BitVM性能。

3.3 比特幣友好的哈希函數

當前比特幣網路不支持OP_CAT操作，無法直接進行字符串拼接來驗證Merkle路徑。因此，需要設計一種基於現有比特幣腳本的、優化過的哈希函數，以支持merkle inclusion proof驗證功能。

BLAKE3哈希函數是一個潛在的候選方案。它將輸入分割成固定大小的chunks，並使用壓縮函數進行處理。通過優化BLAKE3算法在比特幣腳本中的實現，可以顯著降低鏈上數據量和計算復雜度。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts是一種通過Schnorr籤名在鏈下執行智能合約的方法。它具有功能強大、隱私性好和效率高的特點。將Scriptless Scripts技術引入BitVM，可以進一步減少鏈上數據量，降低交易手續費。

通過使用Schnorr多重籤名和適配器籤名，可以實現BitVM電路中的邏輯門承諾，而無需提供哈希值和原像。這種方法可以顯著節省BitVM腳本空間，提高整體效率。

3.5 無需許可的多方挑戰

當前BitVM採用許可制兩方挑戰模式，存在潛在安全風險。爲了增強系統安全性，可以設計無需許可的多方OP挑戰協議，將BitVM的信任模型從1-of-n擴展到1-of-N（N遠大於n）。

在實現無需許可多方挑戰時，需要解決以下問題：

1. 女巫攻擊：設計爭議解決算法，使誠實參與方贏得爭議的成本隨對手數量呈對數增長。

2. 延遲攻擊：要求挑戰者提前質押，並設計機制限制延遲攻擊的影響範圍。

4. 結論

BitVM技術爲比特幣擴容和智能合約實現提供了新的可能性。通過上述優化方向的探索和實踐，有望進一步提升BitVM的性能和安全性，爲比特幣生態系統的繁榮做出貢獻。未來還需要更多的研究和實驗，以充分發揮BitVM的潛力。