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BitVM：將圖靈完備計算帶入比特幣

2 分鐘閱讀
BitVM：將圖靈完備計算帶入比特幣

前言

2023 年 10 月，Robin Linus 發表了 BitVM 白皮書，提出了一個革命性的概念：在不改變比特幣協議的情況下，實現任意計算的驗證。這個突破為比特幣帶來了前所未有的可能性，包括真正去信任的跨鏈橋和比特幣原生 Rollup。

一、什麼是 BitVM？

核心概念

BitVM 不是在比特幣上「執行」複雜計算，而是驗證計算是否正確。

關鍵洞察：

  • 鏈下執行，鏈上驗證
  • 使用「樂觀執行」模式
  • 通過「欺詐證明」處理爭議

類比理解

想像一場數學考試：

  • 傳統方式（以太坊）：所有人一起做每道題
  • BitVM 方式：一人提交答案，其他人只在發現錯誤時挑戰

這種「挑戰-回應」模式大幅減少了鏈上計算需求。

二、技術架構

參與角色

角色 功能
Prover（證明者） 聲稱計算結果正確
Verifier（驗證者） 可以挑戰錯誤的計算

樂觀執行流程

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1. Prover 提交計算結果
   ↓
2. 設定挑戰期（例如：1週）
   ↓
3a. 無人挑戰 → 結果被接受
3b. 有人挑戰 → 進入爭議解決

欺詐證明機制

當 Verifier 認為計算錯誤時：

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# 二分搜尋找到分歧點
步驟1: 驗證前半部分
        ↓
步驟2: 如果正確，驗證後半部分
        ↓
步驟N: 最終找到具體的錯誤步驟
        ↓
鏈上驗證: 比特幣腳本驗證這一步

三、比特幣腳本實現

邏輯閘的鏈上表示

BitVM 將計算分解為基本的邏輯閘（NAND 閘可以構建任何邏輯）：

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# NAND 閘的比特幣腳本實現
OP_IF
  OP_IF
    0  # 1 NAND 1 = 0
  OP_ELSE
    1  # 1 NAND 0 = 1
  OP_ENDIF
OP_ELSE
  1    # 0 NAND X = 1
OP_ENDIF

承諾方案

Prover 對計算的每個中間狀態做出承諾：

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# 使用哈希承諾
H(state_0) → H(state_1) → ... → H(state_N)

# 每個狀態轉換對應一個邏輯操作

Taptree 結構

使用 Taproot 的 MAST 樹存儲所有可能的挑戰路徑：

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                Root
               /    \
          Split1    Split2
         /    \    /    \
       ...   ... ...   ...

# 每個葉節點是一個可能的爭議腳本

四、BitVM 的演進

BitVM 1.0

特點：

  • 雙方協議（1 Prover vs 1 Verifier）
  • 需要預簽名大量交易
  • 適合特定雙方之間的合約

限制：

  • 只有兩方參與
  • 設置複雜度高
  • Verifier 必須時刻在線監控

BitVM 2.0

改進：

  • 支持 N-of-N 多方
  • 任何人都可以成為 Verifier
  • 更實用的橋接設計

關鍵創新：

  • 使用 Groth16 SNARK 驗證器
  • 預計算承諾減少交互
  • 更高效的爭議解決

五、主要應用

1. 去信任的比特幣橋

當前跨鏈橋的問題：

  • 多簽託管（信任假設）
  • 聯邦側鏈（信任聯邦成員）
  • 中心化橋（單點故障）

BitVM 橋的優勢：

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BTC 主鏈                    目標鏈
    │                          │
    │  存入: 1 BTC            │
    ├─────────────────────────→│
    │  BitVM 合約鎖定          │  發行: 1 wrapped BTC
    │                          │
    │  提款請求                │
    ←─────────────────────────┤
    │  驗證/挑戰期             │  銷毀: 1 wrapped BTC
    │  釋放: 1 BTC             │

安全模型：

  • 只需一個誠實的 Verifier
  • 不是 N-of-M 多簽
  • 數學保證而非信任

2. 比特幣 Rollups

ZK Rollup on Bitcoin：

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L2 交易
   ↓
批量處理 & 生成 ZK 證明
   ↓
提交證明到比特幣
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BitVM 驗證證明有效性

優勢：

  • 繼承比特幣安全性
  • 高吞吐量（L2 處理）
  • 低成本（批量提交）

3. 複雜的鏈上合約

可實現的功能：

  • 預言機驗證
  • 複雜的支付條件
  • 遊戲和預測市場
  • DLC 增強版

六、BitVM Bridge 深入

架構設計

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┌─────────────────────────────────────────┐
│              BitVM Bridge                │
├─────────────┬─────────────┬─────────────┤
│   存款模組   │   驗證模組   │   提款模組   │
├─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│  用戶存入   │  ZK 證明    │  樂觀執行   │
│  BTC       │  驗證      │  欺詐證明   │
└─────────────┴─────────────┴─────────────┘

存款流程

  1. 用戶將 BTC 發送到 BitVM 合約地址
  2. 目標鏈監測到存款事件
  3. 目標鏈發行對應的 wrapped BTC

提款流程

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Day 0: 用戶在目標鏈請求提款
       ↓
Day 0-7: 挑戰期
       ↓
       ├→ 無挑戰: 自動釋放 BTC
       │
       └→ 有挑戰: 進入爭議解決
                  ↓
              二分搜尋
                  ↓
              鏈上驗證
                  ↓
              正確方獲勝

安全假設

假設 說明
至少一個誠實 Verifier 只要有一人監控，欺詐就會被發現
挑戰期足夠長 給 Verifier 足夠時間響應
比特幣網路活躍 能及時提交挑戰交易

七、技術挑戰

1. 鏈上數據限制

問題： 比特幣腳本大小有限

解決方案：

  • 將大型計算分解為小步驟
  • 使用 Taptree 分支存儲
  • 只在爭議時展開必要的分支

2. 交互複雜度

問題： 需要多輪交互完成爭議

緩解措施：

  • 減少爭議發生（高額保證金）
  • 優化二分搜尋效率
  • 預計算常見計算路徑

3. Liveness 要求

問題： Verifier 必須在線監控

解決方案：

  • 多個 Verifier 冗餘
  • 外包監控服務
  • 經濟激勵保持在線

4. 資本效率

問題： 資金在挑戰期被鎖定

改進方向：

  • 縮短挑戰期（風險權衡）
  • 流動性提供者
  • 快速退出機制

八、與其他方案比較

vs 閃電網路

特性 閃電網路 BitVM
用途 支付 任意計算
複雜度 低 高
成熟度 成熟 早期
通道需求 需要 不需要

vs Stacks/RSK

特性 Stacks/RSK BitVM
共識 獨立 比特幣
安全性 較弱 繼承 BTC
信任假設 聯邦/礦工 單一誠實方

vs RGB Protocol

特性 RGB BitVM
驗證方式 客戶端 鏈上
可擴展性 高 中
複雜合約 有限 任意

九、生態發展

活躍專案

BitVM Bridge

  • 官網： bitvm.org
  • 狀態： 測試網運行中
  • 目標： 去信任的 BTC 跨鏈橋

Citrea

  • 官網： citrea.xyz
  • 類型： ZK Rollup on Bitcoin
  • 特點： 使用 BitVM 驗證 ZK 證明

Build on Bitcoin

社區資源

十、未來展望

短期（2025年）

  • 測試網橋接上線
  • 更多團隊參與開發
  • 安全審計完成

中期（2026-2027年）

  • 主網橋接部署
  • 首批 Rollup 上線
  • 開發者工具成熟

長期願景

  • 比特幣成為結算層
  • 複雜 DeFi 在比特幣上實現
  • 真正去信任的跨鏈互操作

潛在影響

  1. 重新定義比特幣能力 - 不只是「數字黃金」
  2. Layer 2 競爭格局 - BitVM 為基礎的新方案
  3. 跨鏈橋安全標準 - 從信任到數學證明

結論

BitVM 是比特幣技術創新的重要里程碑：

  1. 無需軟分叉 - 使用現有比特幣腳本能力
  2. 圖靈完備驗證 - 任意計算的鏈上爭議解決
  3. 去信任橋接 - 突破多簽信任假設
  4. Rollup 可能性 - 比特幣原生擴容方案

雖然仍處於早期階段，但 BitVM 為比特幣生態打開了新的可能性。它證明了在保守的協議設計哲學下，仍然可以通過創新實現複雜功能。

建議關注：

  • BitVM Bridge 的測試網進展
  • Citrea 等 Rollup 專案的發展
  • 安全審計和學術研究

參考資料

# 標籤

bitcoin bitvm layer2 smart-contracts

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CP

Cypherpunks Taiwan

密碼學使自由和隱私再次偉大。Cryptography makes freedom and privacy great again.

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