走近BTC:理解BitVM所需的背景知识

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作者:Nickqiao & Faust & Shew Wang,极客web3

摘要:近期Delphi Digital发布了题为《The Dawn of Bitcoin Programmability: Paving the Way for Rollups 》的比特币二层相关技术研报,系统的梳理了和比特币Rollup有关的核心概念,如BitVM全家桶、OP_CAT和Covenant限制条款、比特币生态DA层、桥以及Bitlayer、Citrea、Yona、Bob等四大采用BitVM的比特币二层。

该研报虽然大体展示了比特币二层技术的大致图景,但整体比较泛泛而缺乏细节描述,让人似懂非懂。极客web3在Delphi研报基础上进行了展开式的深入挖掘,尝试让更多人系统的理解BitVM等技术。

我们将与Bitlayer研究团队及BitVM中文社区共同开展一个名为“走近BTC”的系列专栏,长期围绕BitVM、OP_CAT和比特币跨链桥等重点话题进行科普,致力于为更多人祛魅比特币二层相关技术,帮更多爱好者铺平道路。

走近BTC:理解BitVM所需的背景知识

正文:几个月前,ZeroSync负责人Robin Linus发布了名为《BitVM: Compute Anything on Bitcoin》的文章,正式提出了BitVM的概念,推动了比特币二层技术的进展。可以说这是比特币生态最具革命性的创新之一,引爆了整个比特币二层生态,吸引了如Bitlayer、Citrea、BOB等明星项目的参与,为整个市场带来了生机。

之后,更多研究人员参与改进了BitVM,先后推出了BitVM1、BitVM2、BitVMX、BitSNARK等不同的迭代版本。其大致情况如下所示:

  • Robin Linus于去年最先提出的BitVM实现白皮书,就是基于虚构逻辑门电路的BitVM实现方案,被称为BitVM0;

  • Robin Linus在后面几次演讲和采访中,又非正式的介绍了基于虚构CPU的BitVM方案(称为BitVM1),类似于Optimism的欺诈证明系统Cannon,可以用比特币脚本在链下模拟出一个通用CPU的效果。

  • Robin Linus还提出了BitVM2,一个Permissionless的单步非交互式欺诈证明协议。

  • Rootstock Labs和Fairgate Labs的成员发布了BitVMX白皮书,与BitVM1类似,他们希望通过比特币脚本模拟出通用CPU的效果(在链下)。

  • 目前BitVM相关开发者生态的建设日渐明朗,周边工具的迭代完善也已肉眼可见,相比于去年,如今的BitVM生态已经从最初的“空中楼阁”变得“依稀可见”,这也吸引了越来越多的开发者和VC争相涌入比特币生态。

    但对于大多数人而言,要理解BitVM和比特币二层相关的技术名词绝非易事,因为你要先对其周边的基础知识有系统性的理解,尤其是比特币脚本和Taproot等背景知识。目前网上已有的参考资料要么篇幅太长废话连篇,要么解释的不够透彻让人似懂非懂。我们致力于解决上述问题,力求以尽可能清晰的语言,帮助更多人理解比特币二层的周边知识,对BitVM体系建立起系统性认知。

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    MATT和承诺:BitVM的基础思想

    首先我们要强调,BitVM的基础思想是MATT,含义是Merkleize All The Things,主要指通过Merkle Tree这种树状的数据存储结构来展示复杂的程序执行过程,设法让比特币Native的验证欺诈证明。

    MATT虽然可以表达出一段复杂程序及其数据处理痕迹,但不会直接在BTC链上发布这些数据,因为这些数据的总体规模非常庞大。采用MATT的方案只在链下的Merkle树中存储数据,只把Merkle树最顶部的摘要(Merkle Root)发布到链上。这棵Merkle树主要包含三大核心内容:

    · 智能合约脚本代码

    · 合约所需的数据

    · 合约执行中留下的痕迹(智能合约在EVM等虚拟机中执行时对内存、CPU寄存器产生的变更记录)

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    (一个简单的Merkle Tree默克尔树示意图 其Merkle Root是由图中底部的8个数据片段经过多层hash计算得到的)

    MATT方案下,只有尺寸极小的Merkle Root存储在链上,Merkle Tree包含的完整数据集存储在链下,这用到了一种被称为“承诺”的思路。这里解释下什么是“承诺”(Commitment)。

    承诺类似于一种简洁化的声明,我们可以把它理解为一大批数据压缩后得到的“指纹”。一般而言,在链上发布“承诺”的人会声称,某些存放在链下的数据是准确无误的,这些链下数据要对应一个简洁化的声明,这个声明就是“承诺”。

    在某些时候,数据的hash可以作为对数据本身的“承诺”,其他的承诺方案还有KZG承诺或Merkle Tree等。在Layer2惯用的欺诈证明协议中,数据发布者会在链下发布完整数据集,在链上发布数据集的承诺。如果有人发现链下的数据集中存在无效数据,就会针对链上的数据承诺进行挑战。

    通过承诺(Commitment),二层能够把大量数据压缩处理,只在比特币链上发布其“承诺”。当然,还要保证发布在链下的完整数据集可以被外界观测到。

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    目前几大BitVM方案如BitVM0、BitVM1、BitVM2和BitVMX,基本都采用了类似的抽象结构:

    1.程序分解和承诺:首先将复杂的程序分解为大量的、较基础的操作码(编译),然后把这些操作码在具体执行时产生的痕迹记录下来(说白了就是一段程序跑在CPU和内存中时,整个的状态变化记录,称为Trace)。之后,我们对包括Trace和操作码在内的所有数据进行整理,组织成一个数据集,然后生成该数据集的承诺。

    具体的承诺方案可以有多种形式,如:Merkle树、PIOPs(各种ZK算法)、哈希函数

    2.资产质押和预签名:数据发布者和验证者需要通过预签名的形式,把一定金额的资产锁定在链上,并且会有限制条件。这些条件会针对未来可能发生的情况而针对性的触发,如果数据发布者作恶,验证者可以提交证明把数据发布者的资产拿走

    3.数据和承诺发布:数据发布者在链上发布承诺,链下发布完整的数据集,验证者检索数据集并检查是否有任何错误。链下数据集中的每个部分都与链上的承诺有关联性。

    4.挑战和惩罚:一旦验证者发现数据发布者提供的数据有错误,它会把这部分数据拿到链上去直接验证(要先把这部分数据切的特别细),这就是欺诈证明的逻辑。如果验证结果显示,数据发布者的确在链下提供了无效数据,它的资产就会被挑战他的验证者拿走。

    总结下就是,数据发布者Alice在链下公开二层交易执行过程中产生的所有痕迹,把对应的承诺发布到链上。如果你要证明某部分数据有误,先向比特币节点证明这部分数据和链上的承诺相关联,也就是证明这些数据是Alice本人对外公开的,然后让比特币节点确定这部分数据有错误。

    现在我们大致理解了BitVM的整体思路,所有的BitVM变体基本都脱离不了上述范式。那么接下来,让我们开始学习和理解上述流程中用到的一些重要技术,先从最基础的比特币脚本和Taproot以及预签名开始。

    什么是Bitcoin Script脚本

    比特币相关的知识要比以太坊的更难理解,就连最基础的转账行为都涉及到一系列概念,包括UTXO(未花费的交易输出)、锁定脚本(也称为ScriptPubKey)和解锁脚本(也称为ScriptSig)。我们先对这几个主要概念进行讲解。

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    (一段比特币脚本代码的示例 由比高级语言更底层的操作码组成)

    以太坊的资产表达方式,更像支付宝或者微信,每次转账只是对不同账户的余额做加减法,这种方法是以账户为核心,资产余额只是账户名下的一个数字;比特币的资产表达形式更像黄金,每块黄金(UTXO)都会标记出主人,转账实际上是把旧的UTXO销毁,把新的UTXO产生(主人会变更)。

    比特币UTXO包含两个关键字段:

    数额,以“聪(satoshi)”为单位(一亿聪为一BTC);

    锁定脚本,也称 “脚本公钥(ScriptPubKey)”,会定义UTXO的解锁条件。

    需要注意的是比特币UTXO的所有权是通过锁定脚本来表达的,如果你要把自己的UTXO转让给Sam,可以发起交易销毁自己的某个UTXO,把新生成的UTXO的解锁条件写为“只有Sam可解锁”。

    之后,Sam如果要使用这些比特币,需要提交一个解锁脚本(ScriptSig),在这个解锁脚本中Sam要出示自己的数字签名,证明自己是Sam本人。如果解锁脚本和前述锁定脚本相匹配,Sam就可以解锁并把这些比特币再转给别人。

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    (解锁脚本要和锁定脚本相匹配才行)

    从表现形式的角度看,比特币链上的每笔交易都对应着多个Input和Output,每个Input中要声明自己想解锁的某个UTXO,并提交解锁脚本,解锁并销毁该UTXO;Output中会展示新生成的UTXO信息,对外公示锁定脚本的内容。

    比如,在一笔交易的Input中,你证明自己是Sam,把别人给你的多个UTXO解锁,统一销毁,再生成多个新的UTXO并声明让xxx在未来去解锁。

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    具体而言,在交易的Input数据中,你要声明自己要解锁哪些UTXO,并指出这些UTXO数据的“存储位置”。这里要注意,比特币和以太坊截然不同,以太坊提供了合约账户和EOA账户两种账户来存储数据, 资产余额作为数字,记录在合约账户或EOA账户名下,统一放置在名为“世界状态”的数据库中,转账时直接从“世界状态”中对特定账户进行修改,便于定位到数据的存储位置;

    比特币没有世界状态的设计,资产数据分散存储在过往的区块中(就是未解锁的UTXO数据,在每笔交易的OutPut中单独存放)。

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    如果你想解锁某个UTXO,要说明该UTXO信息存在于过去哪笔交易的Output中,出示这笔交易的ID(就是其hash),让比特币节点去历史记录中寻找。如果要查询某个地址的比特币余额,需要从头遍历所有区块,找出和xx地址关联的未解锁UTXO。

    平时用比特币钱包时,可以快速检查某地址拥有的比特币余额,很多时候是因为钱包服务自身通过扫描区块,对所有地址建立了索引,方便我们快速查询。

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    (当你生成一笔交易声明把自己的UTXO送给别人时,要根据这些UTXO所属的交易hash/ID来标记出该UTXO在比特币历史记录中的位置)

    有意思的是,比特币交易的结果是在链下计算完成的,用户在本地设备上生成交易时,就要直接把Input和Output全部创建好,相当于把交易的输出结果计算完了。交易在广播到比特币网络中,被节点验证后才上链。这种“链下计算—链上验证”的模式与以太坊是完全不同的,在以太坊上,你只需要提供交易输入参数,交易结果由以太坊节点计算并输出。

    此外,UTXO的锁定脚本(Locking Script)是可以自定义的,你可以把UTXO设定为“某个比特币地址的主人可解锁”,该地址的主人需要提供数字签名和公钥(P2PKH)。而在Pay-to-Script-Hash(P2SH)交易类型中,你可以在UTXO锁定脚本中添加一个Script Hash,谁能提交这个Hash对应的脚本原像,并满足该脚本原像中预设的条件,就可以解锁UTXO。BitVM所依赖的Taproot脚本,用到了类似于P2SH的特性。

    比特币脚本怎么触发

    这里我们先以P2PKH为案例介绍比特币脚本的触发方式,只有理解了其触发方式才能理解更为复杂的Taproot和BitVM。P2PKH全称“Pay to Public Key Hash”,在这种方案下,UTXO的锁定脚本中会设置一个公钥hash,解锁时需要提交对应该hash的公钥,这和常规的比特币转账思路基本一致。

    此时,比特币节点要确定解锁脚本中的公钥,和锁定脚本中指定的公钥hash能对上号,也就是说,要确定解锁人提交的“钥匙”和UTXO预设的“锁”彼此匹配。

    进一步说,P2PKH方案下,比特币节点收到交易后,会将用户给出的解锁脚本ScriptSig,与要解锁的UTXO的锁定脚本ScriptPubkey拼接到一起,放在BTC脚本的执行环境内执行。下图给出执行前的拼接结果:

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    可能读者并不了解BTC的脚本执行环境,此处我们进行简单介绍。首先,BTC脚本包含两种元素:

    数据和操作码。这些数据和操作码会按照从左到右的顺序,依次压入栈内按照指定逻辑来执行,得到最终结果(关于什么是栈 此处不展开详述 读者可以自行Chatgpt)。

    以上图为例,左侧是某人上传的解锁脚本ScriptSig,包含他的数字签名和公钥,而右侧的锁定脚本ScriptPubkey中,包含UTXO创建者生成该UTXO时设置的一段操作码和数据(此处我们不需要了解每个操作码的含义,理解个大概即可)

    上图中右侧的锁定脚本中的DUP、HASH160、EQUALVERIFY等操作码,负责把左侧的解锁脚本中携带的Public key取哈希,和锁定脚本中预设的Public key hash做对比,若两者相等,说明解锁脚本中上传的公钥,和锁定脚本中预设的公钥哈希相匹配,这就通过了第一道验证。

    但是,有个问题,UTXO锁定脚本的内容其实是在链上公开的,任何人都能观测到其中包含的公钥哈希,谁都可以上传对应的公钥,谎称自己是那个被“钦定”的人。所以在验证完公钥和公钥hash后,还要验证交易发起人是否真是该公钥的实际控制者,这就要对数字签名进行核验。锁定脚本中的CHECKSIG操作码,就是负责验证数字签名的。

    总结一下,P2PKH方案下,交易发起人提交的解锁脚本中,包含公钥和数字签名,该公钥要和锁定脚本中指定的公钥哈希匹配,且交易的数字签名正确,满足这些条件才能顺利解锁UTXO。

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    (这个图是动态的:P2PKH方案下比特币解锁脚本示意图

    来源:https://learnmeabitcoin.com/technical/script

    当然,比特币网络中支持多种交易类型,不只有Pay to public key/public key hash,还有P2SH(Pay to Script hash)等,一切取决于UTXO创建时自定义的锁定脚本被设置成什么样

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    这里需要注意的是,P2SH方案下,锁定脚本中可以预设一个Script Hash,而解锁脚本需要把Script Hash对应的脚本内容完整提交上来。比特币节点可以执行这段脚本,如果这段脚本里定义了多签验证的逻辑,就可以在比特币链上实现多签钱包的效果。

    当然,P2SH方案下,UTXO创建者要让未来解锁UTXO的人事先知道Script Hash对应的脚本内容,只要双方都知道这段Script的内容,那么我们就可以实现比多签更复杂的业务逻辑。

    这里要说明一点,比特币链上(区块)并不直接记录哪些UTXO和哪些地址关联,它只记录UTXO可以被哪个公钥哈希/哪个脚本哈希解锁,但我们根据公钥hash/脚本hash可以快速算出对应的地址(钱包界面显示的那一段像乱码的东西)。

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    我们之所以能在区块浏览器和钱包界面看到xx地址下有xx数额的比特币,是因为区块浏览器和钱包项目方帮你解析了这些数据,会扫描所有区块并根据锁定脚本中声明的公钥hash/脚本hash,计算出对应的“地址”,然后显示出xx地址名下有多少比特币。

    隔离见证与Witness

    当我们理解了P2SH的思路后,便和BitVM所依赖的Taproot更近一步了。但在此之前,我们要了解一个重要的概念:Witness和隔离见证。

    复盘前面讲到的解锁脚本和锁定脚本,以及UTXO解锁流程,会发现一个问题:交易的数字签名包含在解锁脚本中,生成签名时不能把解锁脚本覆盖进去(生成签名用到的参数不能包含签名本身),所以数字签名只能覆盖解锁脚本之外的部分,也就是只能与交易数据的主干部分建立关联,不能完整的覆盖交易数据。

    这样一来,就算交易的解锁脚本被中间人稍做手脚,也不会影响到验签结果。比如说,比特币节点或矿池可以在交易的解锁脚本中,塞入其他数据,在不影响验签和交易结果的前提下,使得交易数据发生细微变化,最后算出的交易hash/交易ID也会改变。这被称为交易延展性问题

    这带来的坏处是,如果你打算连续发起多笔交易,并且有次序上的依赖关系(比如,交易3引用了交易2的输出,交易2引用了交易1的输出),那么排后面的交易必然要引用前面交易的ID(hash),矿池或比特币节点等任意中间人可以微调解锁脚本中的内容,使交易上链后的hash与你预期的不一致,那么你预先创建好的多笔有次序关联的交易会失效。

    实际上,在DLC桥和BitVM2的方案中,会批量构建有先后次序关联性的交易,所以前面提到的场景并不少见。

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    简单来说,交易延展性问题是因为,交易的ID/hash在计算时,会把解锁脚本的数据包含进去,而比特币节点等中间人可以微调解锁脚本中的内容, 导致交易ID与用户预期的不符合。其实这是比特币在早期设计时考虑不周留下的历史包袱。

    后来推出的隔离见证/SegWit升级,其实就是把交易ID和解锁脚本彻底解耦,计算交易hash时不需要把解锁脚本数据包含进去。遵循SegWit升级的UTXO锁定脚本,会默认在首位设置一个叫“OP_0”的操作码,充当标记;而对应的解锁脚本,从SigScript更名为了Witness(见证)。

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    遵循隔离见证规则后,交易延展性问题会被妥善解决,你不需要担心发送给比特币节点的交易数据被微调。当然我们不需要想的太复杂,P2WSH的功能和前面谈到的P2SH并无本质差异,你可以在UTXO锁定脚本中预设一个脚本哈希,等解锁脚本的提交者把hash对应的脚本内容提交到链上并执行。

    如果你要实现的脚本内容特别庞大,包含特别多的代码,通过常规的方法无法把完整的脚本提交到比特币链上(每个区块有大小限制)。那怎么办?这就需要借助Taproot,针对上链的脚本内容进行精简化处理,而BitVM正是基于Taproot构建出的复杂方案。

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