Am 9. Oktober veröffentlichte Robin Linus, ein Entwickler von ZeroSync, das BitVM-Whitepaper, das enorme Aufmerksamkeit in der Community erregte. BitVM führt ein neues Berechnungsparadigma ein, das in der Lage ist, Turing-vollständige Bitcoin-Verträge auszudrücken, ohne Änderungen an den Konsensregeln des Netzwerks zu erfordern.

Dezentralisierte Smart Contracts: Einschränkungen und Ziele

Bitcoins Script, eine stackbasierte Sprache, bietet grundlegende Kontrollstrukturen, wie bedingte Überprüfungen, zur Definition der Validierungslogik von Transaktionen. Es erfordert gültige digitale Signaturen, um Bitcoins durch einen einfachen Prozess der bedingten Validierung auszugeben. Allerdings wurde das Script so konzipiert, dass es nicht Turing-vollständig ist. Obwohl es keine komplexen Ablaufsteuerungsfunktionen wie Schleifen unterstützt, gewährleistet dieses Design die Einfachheit und Sicherheit der Sprache. Solche Einschränkungen haben es für Script schwierig gemacht, komplexe Berechnungen auszuführen, einschließlich solcher, die Smart Contracts betreffen.

Während einige für Bitcoin entwickelte Layer-2-Lösungen grundlegende Smart-Contract-Funktionen durch das Sperren von Vermögenswerten erreichen können, beruhen sie im Wesentlichen auf Multisignatur-Adressen und Chain-übergreifenden Asset-Mappings, die ein gewisses Maß an zentralisiertem Vertrauen erfordern. Dies gefährdet Bitcoins Verpflichtung zur Dezentralisierung. Vor der Einführung von BitVM hatte die Bitcoin-Community Methoden erforscht, die dezentralisiert, vertrauensminimiert und zu Turing-vollständigen Berechnungen fähig sein würden.

BitVM: Alles auf Bitcoin berechnen

Im Kern seiner Innovation nutzt BitVM das bestehende Script-System von Bitcoin, um logische Gatter zu implementieren (dazu gehören AND-Gatter, OR-Gatter, NOT-Gatter und XOR-Gatter, die Operationen wie AND, OR, NOT und XOR ermöglichen), um beliebig komplexe boolesche Schaltkreise zu bauen. Diese Schaltkreise werden verwendet, um logische Operationen auf binären Eingaben durchzuführen und binäre Ausgaben zu liefern; boolesche Berechnungen können unter Verwendung von logischen Gattern implementiert werden, um Operationen wie AND, OR, NOT und XOR durchzuführen. Speziell verwendet BitVM Hash Time Locked Contracts (HTLC) und Taproot (ein Soft Fork zur Optimierung von Script, der im November 2021 aktiviert wurde), um grundlegende logische Gatter wie AND- und OR-Gatter darzustellen. BitVM kombiniert dann diese grundlegenden logischen Gatter, um Schaltkreise beliebiger Komplexität zu konstruieren, was im Wesentlichen einen programmierbaren Computer auf der Bitcoin-Blockchain simuliert.

Schließlich kann im Falle von Streitigkeiten zwischen den Transaktionsparteien ein elegantes Challenge-Response-Protokoll, ähnlich den Betrugsbeweisen bei Bitcoin, zur Validierung eingesetzt werden. Ein Beweisführer behauptet, dass eine bestimmte Funktion für bestimmte Eingaben zu einem spezifischen Ergebnis ausgewertet wird. Wenn diese Behauptung falsch ist, kann der Prüfer einen Betrugsbeweis durchführen und den Beweisführer bestrafen. Mit diesem Mechanismus kann jede berechenbare Funktion auf Bitcoin verifiziert werden.

BitVMs Design

Bit-Wert-Commitment

Bit-Wert-Commitment, ein Bitcoin-Skript, verwendet If-Else-Anweisungen, um ein Commitment-Schema zu implementieren. Diese kryptografische Primitive stellt sicher, dass der Absender den Inhalt der Nachricht vor dem Senden bestätigen kann und der Inhalt nach der öffentlichen Offenlegung nicht mehr verändert werden kann. Dieses Commitment-Schema umfasst zwei Hash-Werte, hash0 und hash1. Ob der zurückgegebene Wert 0 oder 1 sein wird, wird durch den Vergleich des Hash-Wertes der Eingabe mit diesen beiden Hash-Werten bestimmt.

Abbildung 1: Eine konkrete Implementierung für ein 1-Bit-Commitment

Quelle: https://bitvm.org/bitvm.pdf

Logisches Gatter-Commitment

In der Berechenbarkeitstheorie kann jede berechenbare Funktion als boolescher Schaltkreis dargestellt werden. Insbesondere ist das NAND-Gatter ein universelles logisches Gatter, das zum Aufbau aller anderen komplexen logischen Gatter verwendet werden kann. BitVM integriert zwei Bit-Wert-Commitments, die die beiden Eingänge darstellen, und ein drittes Bit-Wert-Commitment, das den Ausgang darstellt, um das NAND-Gatter zu implementieren.

BitVM drückt das NAND-Gatter auf geniale Weise durch Bitcoin-Skripte aus. Dies ermöglicht es, beliebig komplexe boolesche Logikschaltkreise aufzubauen und effektiv einen programmierbaren Computer über Skript zu simulieren.

Abbildung 2: Implementierung eines NAND-Gatters unter Verwendung von Bit-Wert-Commitments

Quelle: https://biquanlibai.notion.site/BitVM-2b8557e0ea004d0cbc52951782bc9754

Abbildung 3: Logisches Gatter-Commitment für eine NAND-Operation

Quelle: https://bitvm.org/bitvm.pdf

Das Skript berechnet den NAND-Wert der beiden Eingänge, um sicherzustellen, dass er mit dem festgelegten Ausgabebit übereinstimmt.

Binäre Schaltkreis-Commitment

BitVM kann jeden Schaltkreis durch die Zusammensetzung von Gate-Commitments ausdrücken. Jeder Schritt der Ausführung wird in einem Tapleaf festgehalten. Sie alle werden in derselben Taproot-Adresse kombiniert, sodass der Beweisführer jedes Gate im Schaltkreis ausführen kann. Die Ausführung eines Gates erfordert, dass der Beweisführer das entsprechende Gate-Commitment öffnet und Werte für seine Eingangs- und Ausgangsbits festlegt. In Abbildung 4 beispielsweise sind A, B, C und D vordefinierte Bit-Wert-Commitments, die jeweils ein Bit repräsentieren. Logische Operationen unter Einbeziehung der acht NAND-Gates werden dann durchgeführt. Wenn zum Beispiel A NAND B E ergibt und E als Eingang für das nächste NAND-Gate verwendet wird, ist das endgültige Ergebnis des gesamten Schaltkreises WAHR. Dieses Design von booleschen Schaltkreisen verbindet die NAND-Gates von Bit-Wert-Commitments und erreicht komplexe logische Operationen, wodurch eine kompakte Darstellung für verifizierbare Berechnungen auf der Bitcoin-Blockchain ermöglicht wird.

Abbildung 4: Ein Schaltkreis mit acht verschiedenen NAND-Gates

Ein Schaltkreis mit acht verschiedenen NAND-Gates

Quelle: https://bitvm.org/bitvm.pdf

Herausforderungen und Antworten

In BitVM reicht es nicht aus, sich auf einen Schaltkreis festzulegen, und es ist ein Herausforderungs-Antwort-Mechanismus erforderlich, um die Korrektheit von Berechnungen zu beweisen. Um dies zu erreichen, sollten der Beweisführer und der Verifizierer während der Einrichtung eine Reihe von Transaktionen vorab signieren. Die Transaktionen sind in der Reihenfolge "Herausforderung - Antwort - Herausforderung - Antwort" verknüpft und schaffen so mehrere Runden von Herausforderungs-und-Antwort-Interaktionen. Wenn eine der Parteien die Beteiligung einstellt, gewinnt die andere Partei nach einer Zeitüberschreitung die Herausforderung und kann beide Einlagen für sich beanspruchen. Dieser Mechanismus ist nur im Falle von Betrug erforderlich. Solange beide Parteien kooperativ sind, können sie jeden Vertrag gemeinsam mit einer 2-von-2-Signatur abwickeln.

Sehen wir uns an, wie dieser Mechanismus in einem hypothetischen Fall funktioniert. Paul (Beweisführer) und Vicky (Verifizierer) haben eine Reihe von Transaktionen vorab signiert. Vicky kann dann eine Herausforderung (TX 2) initiieren, indem sie eine Herausforderung (hash7) aus einem der Hashlocks in ihren Tapscript-Blättern auswählt. Dies schaltet für Paul ein bestimmtes Tapscript frei und zwingt ihn dazu, es mit offenen Eingängen und Ausgängen auszuführen. Jede inkonsistente Behauptung kann schnell widerlegt werden, indem dieses Verfahren für einige Runden von Abfragen wiederholt wird. Wenn der Beweisführer die Zusammenarbeit einstellt, kann der Verifizierer ein von ihm gehaltenes Hash-Urbild freischalten, um den Beweisführer zu zwingen, on-chain zu antworten. Jede Abfragerunde kann ein bestimmtes Gate validieren oder widerlegen. Durch binäre Suche (ein Algorithmus zur Lokalisierung eines bestimmten Elements in einem sortierten Array) kann der Verifizierer den Fehler des Beweisführers nach nur wenigen Runden von Herausforderung und Antwort schnell identifizieren. Sobald die beiden Zusagen des Beweisführers in Konflikt geraten, gewinnt der Verifizierer sofort die Herausforderung und nimmt die Einlage.

Abbildung 5: Eine vorab signierte Reihe von Transaktionen zur Durchführung mehrerer Runden von Herausforderung und Antwort

Eine vorab signierte Reihe von Transaktionen

Quelle: https://bitvm.org/bitvm.pdf

Dieses sorgfältige Design ermöglicht es BitVM, die On-Chain-Verifizierung jeder komplexen Berechnung durchzuführen, was die Effizienz der Zusammenarbeit gewährleistet und im Falle von Betrug Strafen verhängt. Es zeigt die Möglichkeit auf, Turing-vollständige interaktive Berechnungen im Bitcoin-Netzwerk zu verifizieren.

Schlüsselaspekte des Designs von BitVM

Off-Chain-Berechnung & On-Chain-Verifizierung

BitVM verlagert die Last komplexer Berechnungen von der Blockchain und reserviert die Bitcoin-Blockchain ausschließlich für die Überprüfung von Ergebnissen. Dieser Ansatz vermeidet die direkte Ausführung komplexer Verträge auf der Blockchain, was die Aufblähung der Blockchain mindert.

Logische Gatter, ausgedrückt durch Hashlocks und Bitcoin-Skripte

BitVM nutzt Hashlocks und von Bitcoin unterstützte Skript-Opcodes, um grundlegende logische Gatter wie AND- und NOT-Gatter darzustellen. Durch die Verbindung dieser logischen Gatter können Schaltkreise beliebiger Komplexität aufgebaut werden, was eine Turing-vollständige Berechnung ermöglicht.

Ein spieltheoretischer Mechanismus für den Beweisführer und den Prüfer

Der Validierungsmechanismus von BitVM, der dem Optimistic Rollup ähnelt, beinhaltet interaktive Herausforderungen und Antworten zwischen den Parteien der Berechnung. Letztendlich wird das korrekte Berechnungsergebnis on-chain bestätigt. Wenn der Beweisführer betrogen hat, könnte der Prüfer Strafen auf der Bitcoin-Blockchain durchsetzen. Somit verwenden BitVM und Optimistic Rollup ähnliche Interaktionsmechanismen für die On-Chain-Verifizierung, und der einzige Unterschied besteht darin, dass BitVM direkt Bitcoin-Skripte verwendet, um einen interaktiven Challenge-Response-Prozess zu implementieren.

Minimale On-Chain-Auswirkungen

Der Berechnungsprozess von BitVM hat minimale Auswirkungen auf die Bitcoin-Blockchain und hinterlässt nur eine kleine Anzahl von Transaktionen on-chain, wenn Streitigkeiten auftreten. Dies bewahrt die Effizienz und Skalierbarkeit von Bitcoin.

Kein Bedarf für Soft Forks

Da BitVM nur bestehende Bitcoin-Skript-Fähigkeiten nutzt, erfordert es keine Änderungen am Bitcoin-Protokoll durch Soft Forks. Dies erleichtert die Integration von BitVM in das Bitcoin-Mainnet.

Fazit

Die größte Innovation von BitVM liegt in seiner Fähigkeit, eine Turing-vollständige Verifizierung zu implementieren, ohne das Kern-Bitcoin-Protokoll zu modifizieren; dies wird durch den kreativen Einsatz von Skripten erreicht, insbesondere jenen, die durch Taproot optimiert wurden. Dieses geniale Design ermöglicht eine nahtlose Integration in das Bitcoin-Mainnet, ohne neue Kompatibilitätsprobleme einzuführen oder Bitcoin weniger dezentralisiert zu machen.

BitVMs innovative Lösung birgt das Potenzial, Smart Contracts und dezentrale Anwendungen in das Bitcoin-Ökosystem einzuführen. Beispielsweise kann es zum Aufbau von Cross-Chain-Brücken mit minimalem Vertrauensaufwand verwendet werden, um verschiedene Blockchain-Assets zu verbinden und so die Interoperabilität von Bitcoin zu verbessern. Darüber hinaus kann BitVM auch dazu beitragen, effizientere zkRollup-Erweiterungsschichten aufzubauen, um Bitcoin skalierbarer zu machen. Kurz gesagt, BitVM zeigt die enormen Möglichkeiten auf, das Bitcoin-Ökosystem allein durch die innovative Nutzung bestehender Funktionen in eine neue Ära zu führen.

Referenzen:

https://bitvm.org/bitvm.pdf

https://github.com/supertestnet/tapleaf-circuits

https://biquanlibai.notion.site/BitVM-2b8557e0ea004d0cbc52951782bc9754

BitVM, das Potenzial von Smart Contracts im Bitcoin-Mainnet