BitVM技术优化：提升比特币可扩展性和编程能力

1. 引言

比特币作为去中心化数字资产存在一些局限性，难以支持复杂应用和大规模支付网络。为解决这一问题，业界提出了多种扩容方案，如状态通道、侧链和客户端验证等。近期，BitVM技术的提出为比特币提供了一种新的扩容思路，可在不改变比特币共识的情况下实现图灵完备的智能合约。

BitVM通过巧妙利用比特币脚本和Taproot技术，实现了类似乐观Rollup的机制。它使用Lamport签名建立UTXO之间的关联，从而实现有状态的比特币脚本。通过在Taproot地址中承诺大型程序，BitVM可以执行复杂的链下计算，同时保持链上足迹很小。

然而，BitVM技术仍处于早期阶段，在效率和安全性方面存在一些问题。本文将探讨几种优化方向，以进一步提高BitVM的性能和可用性。

2. BitVM原理

BitVM是一种链下合约解决方案，旨在扩展比特币的合约功能。它通过Lamport一次性签名实现了比特币脚本的有状态性，使得不同脚本之间可以共享相同的变量值。BitVM的核心组件包括：

1. 电路承诺：将程序编译为二进制电路，并在Taproot地址中进行承诺。

2. 挑战和响应：预签一系列交易来实现挑战-响应机制，可在链下或链上执行。

3. 模棱两可惩罚：如果证明者提出不正确声明，验证者可通过成功挑战获得证明者的存款。

3. BitVM优化方向

3.1 基于ZK降低OP交互次数

通过引入零知识证明技术，可以显著减少BitVM中的挑战次数，从而提高效率。零知识证明的验证算法复杂度固定，相比于二分法打开原始算法，计算复杂度更低。这种方法可以缩短挑战周期，降低手续费成本。

未来可探索结合零知识证明和欺诈证明，构建ZK Fraud Proof，实现On-Demand ZK Proof模型。这种模型只在有挑战时才生成ZK Proof，可进一步优化计算资源使用。

3.2 比特币友好的一次性签名

Lamport签名是BitVM的基础组件，但其公钥和签名长度较长，消耗大量存储空间。可以考虑使用Winternitz一次性签名方案，该方案能够显著减少签名和公钥长度，尽管会增加一些计算复杂度。

在BitVM中使用优化后的Winternitz一次性签名，可将bit commitment size降低约50%，从而大幅减少交易费用。未来还可探索更紧凑的一次性签名方案，以进一步优化BitVM性能。

3.3 比特币友好的哈希函数

当前比特币网络不支持OP_CAT操作，无法直接进行字符串拼接来验证Merkle路径。因此，需要设计一种基于现有比特币脚本的、优化过的哈希函数，以支持merkle inclusion proof验证功能。

BLAKE3哈希函数是一个潜在的候选方案。它将输入分割成固定大小的chunks，并使用压缩函数进行处理。通过优化BLAKE3算法在比特币脚本中的实现，可以显著降低链上数据量和计算复杂度。

3.4 Scriptless Scripts BitVM

Scriptless Scripts是一种通过Schnorr签名在链下执行智能合约的方法。它具有功能强大、隐私性好和效率高的特点。将Scriptless Scripts技术引入BitVM，可以进一步减少链上数据量，降低交易手续费。

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，而无需提供哈希值和原像。这种方法可以显著节省BitVM脚本空间，提高整体效率。

3.5 无需许可的多方挑战

当前BitVM采用许可制两方挑战模式，存在潜在安全风险。为了增强系统安全性，可以设计无需许可的多方OP挑战协议，将BitVM的信任模型从1-of-n扩展到1-of-N（N远大于n）。

在实现无需许可多方挑战时，需要解决以下问题：

1. 女巫攻击：设计争议解决算法，使诚实参与方赢得争议的成本随对手数量呈对数增长。

2. 延迟攻击：要求挑战者提前质押，并设计机制限制延迟攻击的影响范围。

4. 结论

BitVM技术为比特币扩容和智能合约实现提供了新的可能性。通过上述优化方向的探索和实践，有望进一步提升BitVM的性能和安全性，为比特币生态系统的繁荣做出贡献。未来还需要更多的研究和实验，以充分发挥BitVM的潜力。