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BitVM：在比特幣上計(jì)算任何東西

2023-10-12 09:53:25 | 來(lái)源： | 作者：佚名
BitVM是一種計(jì)算范式，用于表達(dá)圖靈完備的比特幣合約,BitVM在比特幣上計(jì)算任何東西,本文講述了BitVM白皮書(shū)相關(guān)介紹，感興趣的投資者不妨參考一下

作者：Robin Linux 譯者：登鏈社區(qū)翻譯小組

摘要

BitVM 是一種計(jì)算范式，用于表達(dá)圖靈完備的比特幣合約。這不需要對(duì)比特幣網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)規(guī)則進(jìn)行任何更改。與在比特幣上執(zhí)行計(jì)算不同，它們僅僅是被驗(yàn)證，類似于樂(lè)觀 Rollups。證明者聲明某個(gè)給定的函數(shù)對(duì)某些特定的輸入求值得到了特定的輸出。如果該聲明是錯(cuò)誤的，那么驗(yàn)證者可以進(jìn)行簡(jiǎn)明的欺詐證明并懲罰證明者。使用這種機(jī)制，任何可計(jì)算的函數(shù)都可以在比特幣上進(jìn)行驗(yàn)證。

在 Taproot 地址上承諾一個(gè)大型程序需要大量的鏈外計(jì)算和通信，然而其在鏈上的占用空間很小。只要雙方合作，他們可以進(jìn)行任意復(fù)雜的、有狀態(tài)的鏈外計(jì)算，而不在鏈上留下任何痕跡。只有在爭(zhēng)議的情況下才需要在鏈上執(zhí)行。

簡(jiǎn)介

按設(shè)計(jì)，比特幣的智能合約功能被限制為基本操作，如簽名、時(shí)間鎖和哈希鎖。BitVM 為更具表達(dá)力的比特幣合約和鏈外計(jì)算創(chuàng)造了一個(gè)新的設(shè)計(jì)空間。潛在的應(yīng)用包括象棋、圍棋或撲克等游戲，以及比特幣合約中有效性證明的驗(yàn)證。此外，可能還可以將比特幣橋接到外部鏈、構(gòu)建預(yù)測(cè)市場(chǎng)或模擬新的操作碼。

這里提出的模型的主要缺點(diǎn)是它僅適用于有兩方的設(shè)定，即證明者和驗(yàn)證者。另一個(gè)限制是，對(duì)于證明者和驗(yàn)證者，需要大量的鏈外計(jì)算和通信來(lái)執(zhí)行程序。然而，這些問(wèn)題似乎有望通過(guò)進(jìn)一步的研究得到解決。在這項(xiàng)工作中，我們僅關(guān)注兩方 BitVM 的關(guān)鍵組成部分。

架構(gòu)

與樂(lè)觀 Rollups 1[2] 和 MATT 提案（Merkelize All The Things）2[3] 類似，我們的系統(tǒng)基于欺詐證明和挑戰(zhàn)-響應(yīng)協(xié)議。然而，BitVM 不需要對(duì)比特幣的共識(shí)規(guī)則進(jìn)行任何更改。底層的原語(yǔ)相對(duì)簡(jiǎn)單。它主要基于哈希鎖、時(shí)間鎖和大 Taproot 樹(shù)。

證明者逐位地將程序提交到鏈上，但是在鏈上驗(yàn)證所有內(nèi)容將會(huì)消耗過(guò)多的計(jì)算資源，因此驗(yàn)證者會(huì)執(zhí)行一系列精心設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)來(lái)簡(jiǎn)潔地證偽證明者的錯(cuò)誤主張。證明者和驗(yàn)證者共同預(yù)簽名一系列挑戰(zhàn)-響應(yīng)交易，以便日后解決任何爭(zhēng)議。

該模型旨在簡(jiǎn)單地說(shuō)明這種方法允許在比特幣上進(jìn)行通用計(jì)算。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，我們應(yīng)考慮更高效的模型。

協(xié)議很簡(jiǎn)單：首先，證明者和驗(yàn)證者將程序編譯成一個(gè)巨大的二進(jìn)制電路。證明者將該電路提交到一個(gè) Taproot 地址中，該地址的每個(gè)邏輯門(mén)都有一個(gè)葉子腳本。此外，他們預(yù)簽名一系列交易，為證明者和驗(yàn)證者之間的挑戰(zhàn)-響應(yīng)游戲提供支持?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)交換了所有所需的數(shù)據(jù)，因此可以將他們的鏈上存款轉(zhuǎn)入生成的 Taproot 地址。

這將激活合約，他們可以開(kāi)始交換鏈下數(shù)據(jù)，以觸發(fā)電路中的狀態(tài)變化。如果證明者提出了任何錯(cuò)誤的聲明，驗(yàn)證者可以拿走他們的存款。這確保了攻擊者總是會(huì)損失他們的存款。

位值承諾（Bit Value Commitment）

位值承諾是該系統(tǒng)中最基本的組件。它允許證明者將特定位的值設(shè)置為“0”或“1”。特別地，它允許證明者在不同的腳本和 UTXO 之間設(shè)置變量的值。這是關(guān)鍵的，因?yàn)樗ㄟ^(guò)將比特幣的虛擬機(jī)執(zhí)行時(shí)間分割成多個(gè)交易來(lái)擴(kuò)展執(zhí)行運(yùn)行時(shí)。

承諾包含兩個(gè)哈希值，hash0 和 hash1。在稍后的某個(gè)時(shí)刻，證明者通過(guò)揭示 preimage0（hash0 的原像）將位的值設(shè)置為“0”，或者通過(guò)揭示 preimage1（hash1 的原像）將位的值設(shè)置為“1”。如果在某個(gè)時(shí)刻，他們同時(shí)揭示了 preimage0 和 preimage1，那么驗(yàn)證者可以將它們用作欺詐證明，并拿走證明者的存款。這被稱為矛盾陳述。能夠懲罰矛盾陳述是使承諾具有約束力的原因-它是一種“基于激勵(lì)的承諾”。

將位值承諾與時(shí)間鎖結(jié)合，使驗(yàn)證者能夠強(qiáng)制證明者在給定的時(shí)間范圍內(nèi)決定特定位的值。

圖 1：位值承諾的具體實(shí)現(xiàn)

圖 1：1 位承諾的具體實(shí)現(xiàn)。為了解鎖此腳本，證明者必須揭示 hash0 或 hash1 的原像之一。在此示例執(zhí)行中，證明者揭示了 hash1，并將位的值設(shè)置為“1”。我們可以復(fù)制此承諾以在不同的腳本中強(qiáng)制執(zhí)行特定的值。

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，從這里開(kāi)始，我們假設(shè)有一個(gè)名為 OP BITCOMMITMENT 的操作碼，它是上述腳本的簡(jiǎn)寫(xiě)。該操作碼消耗兩個(gè)哈希和一個(gè)哈希的原像。根據(jù)與原像匹配的哈希，它將一個(gè)位值放在堆棧上。

邏輯門(mén)承諾

任何可計(jì)算的函數(shù)都可以表示為布爾電路。NAND 門(mén)是一種通用邏輯門(mén)，因此任何布爾函數(shù)都可以由它們組成。為了保持我們的模型簡(jiǎn)單，我們展示了我們的方法如何適用于簡(jiǎn)單的 NAND 門(mén)。此外，我們還展示了如何任意組合門(mén)。這一切都證明了 BitVM 可以表示任何電路。

NAND 門(mén)承諾的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單。它包含兩個(gè)表示兩個(gè)輸入的位承諾和一個(gè)表示輸出的位承諾。腳本計(jì)算兩個(gè)輸入的 NAND 值，以確保它與承諾的輸出位匹配。

圖 2：NAND 操作的邏輯門(mén)承諾

圖 2：NAND 操作的邏輯門(mén)承諾。執(zhí)行此腳本需要揭示位承諾 A、B 和 C 的值，使得 A NAND B = C 成立。

（在這里，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們假設(shè)存在一個(gè)名為 OP NAND 的操作碼。實(shí)際上，它并不存在，但可以使用 OP BOOLAND 和 OP NOT 輕松實(shí)現(xiàn)。）

二進(jìn)制電路承諾

在前一節(jié)中，我們定義了 NAND 門(mén)承諾。我們可以通過(guò)組合門(mén)承諾來(lái)表示任何電路。執(zhí)行的每一步都在 Tapleaf 中進(jìn)行承諾。它們都被合并到同一個(gè) Taproot 地址中，以便證明者可以執(zhí)行電路中的任何門(mén)。執(zhí)行門(mén)需要證明者打開(kāi)相應(yīng)的門(mén)承諾，并為其輸入和輸出位設(shè)置值。

Taptree 可能會(huì)變得龐大，并且擁有十億個(gè) Tapleaf 腳本，但其鏈上占用空間很小。

圖 3：一個(gè)隨機(jī)示例電路

圖 3：一個(gè)隨機(jī)示例電路，其中包含 8 個(gè)不同的 NAND 門(mén)和 4 個(gè)輸入 A、B、C 和 D。使用數(shù)十億個(gè)門(mén)可以定義基本上任何函數(shù)。

圖 4

圖 4：對(duì)于每個(gè)門(mén)，證明者的 Taproot 地址包含一個(gè)具有相應(yīng)門(mén)承諾的葉腳本。這使得證明者可以在任何時(shí)間點(diǎn)上設(shè)置電路的輸入值（這里是 A、B、C 和 D）。

挑戰(zhàn)與響應(yīng)

僅僅承諾一個(gè)電路是不夠的。為了反駁錯(cuò)誤的聲明，驗(yàn)證者必須能夠挑戰(zhàn)證明者的陳述。這可以通過(guò)在設(shè)置過(guò)程中預(yù)簽名一系列交易來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些交易按照挑戰(zhàn)→響應(yīng)→挑戰(zhàn)→響應(yīng)→...的方式鏈接。如果其中一方停止參與，那么在一段超時(shí)時(shí)間后，另一方將贏得挑戰(zhàn)并可以拿走雙方的存款。只要雙方合作，他們可以通過(guò) 2-of-2 簽名共同解決任何合約。以下機(jī)制僅在存在欺詐行為時(shí)才需要。

圖 5：預(yù)簽名的一系列交易

圖 5：預(yù)簽名的一系列交易，用于執(zhí)行多輪挑戰(zhàn)和回應(yīng)。此序列在設(shè)置過(guò)程中生成。

Vicky 通過(guò)打開(kāi)她的 Tapscript 葉子中的一個(gè)哈希鎖來(lái)選擇一個(gè)挑戰(zhàn)。這將為 Paul 解鎖一個(gè)特定的 Tapscript，并迫使他執(zhí)行它。該腳本強(qiáng)制 Paul 揭示 Vicky 挑戰(zhàn)的門(mén)承諾。通過(guò)對(duì)幾輪查詢重復(fù)此過(guò)程，可以快速反駁任何不一致的聲明。

如果證明者停止與驗(yàn)證者進(jìn)行鏈下合作，驗(yàn)證者需要一種方法來(lái)迫使證明者在鏈上采取行動(dòng)。驗(yàn)證者通過(guò)解鎖哈希鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：證明者的 UTXO 中的每個(gè) NAND Tapleaf 只能在證明者知道驗(yàn)證者持有的原像的情況下花費(fèi)。因此，證明者可以通過(guò)揭示其輸入和輸出來(lái)證明給定的 Tapleaf 正確執(zhí)行，但前提是驗(yàn)證者通過(guò)揭示保護(hù)該 Tapleaf 的哈希的原像來(lái)為其“解鎖”。通過(guò)應(yīng)用二分搜索，驗(yàn)證者可以在僅經(jīng)過(guò)幾輪挑戰(zhàn)和回應(yīng)后快速確定證明者的錯(cuò)誤。

圖 6：在每次響應(yīng)后，Vicky 可以懲罰模棱兩可的行為。如果 Paul 對(duì)一個(gè)變量公開(kāi)了兩個(gè)沖突的值，那么 Vicky 立即贏得挑戰(zhàn)，并被允許拿走他的押金。Vicky 通過(guò)揭示任何他的位承諾的兩個(gè)原像來(lái)證明 Paul 的模棱兩可。

輸入和輸出

證明者可以通過(guò)揭示相應(yīng)的位承諾來(lái)設(shè)置輸入。理想情況下，他們?cè)阪溝陆沂境兄Z以最小化鏈上的占用。在非合作情況下，驗(yàn)證者可以強(qiáng)制證明者在鏈上揭示他們的輸入。

可以通過(guò)提前交換加密的方式來(lái)處理大量數(shù)據(jù)。這樣，證明者可以在以后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上揭示解密密鑰。

多方輸入也是可能的。門(mén)可以有來(lái)自雙方的位承諾。

限制和展望

用簡(jiǎn)單的 NAND 電路來(lái)表示函數(shù)是低效的。通過(guò)使用更高級(jí)的操作碼，可以更有效地表示程序。例如，比特幣腳本支持添加 32 位數(shù)字，因此我們不需要二進(jìn)制電路。我們還可以有更大的位承諾，例如，可以在單個(gè)哈希中承諾 32 位。此外，腳本的大小可以達(dá)到約 4 MB。因此，我們可以在每個(gè)葉子腳本中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè) NAND 指令。

這里提出的模型僅限于兩方。然而，可能可以有雙向通道，并將它們鏈接起來(lái)形成類似閃電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)。探索兩方設(shè)置可能會(huì)產(chǎn)生有趣的泛化可能性。例如，我們可以為網(wǎng)絡(luò)探索 1 對(duì) n 的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另一個(gè)研究問(wèn)題是，我們是否可以將我們的模型應(yīng)用于 n 對(duì) n 的設(shè)置，并創(chuàng)建更復(fù)雜的通道工廠。此外，我們可以將我們的系統(tǒng)與不同的鏈下協(xié)議（例如閃電網(wǎng)絡(luò)或 rollups）結(jié)合起來(lái)。

其他研究方向包括跨應(yīng)用內(nèi)存，如何對(duì)刻在鏈上的任意數(shù)據(jù)進(jìn)行陳述，或者鏈下可編程電路，即鏈下虛擬機(jī)。還可能應(yīng)用更復(fù)雜的采樣技術(shù)，類似于 STARKs，在單回合中檢查電路。

下一個(gè)重要的里程碑是完成一個(gè)具體的 BitVM 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及 Tree++，一種用于編寫(xiě)和調(diào)試比特幣合約的高級(jí)語(yǔ)言。

結(jié)論

比特幣在某種意義上是圖靈完備的，因?yàn)樵诖笮?Taptrees 中編碼欺詐證明可以驗(yàn)證任何程序的執(zhí)行。這個(gè)模型的一個(gè)主要限制是它僅適用于兩方的情況。希望在進(jìn)一步的工作中可以進(jìn)行泛化。

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