Le 9 octobre, Robin Linus, un développeur de ZeroSync, a publié le livre blanc de BitVM, qui a suscité un énorme intérêt de la part de la communauté. BitVM introduit un nouveau paradigme de calcul capable d'exprimer des contrats Bitcoin Turing-complets sans nécessiter de modifications des règles de consensus du réseau.

Contrats intelligents décentralisés : Limitations et objectifs

Le Script de Bitcoin, un langage basé sur une pile, fournit des structures de contrôle fondamentales, telles que des vérifications conditionnelles, pour définir la logique de validation des transactions. Il exige des signatures numériques valides pour dépenser des bitcoins à travers un processus simple de validation conditionnelle. Cela dit, le Script a été conçu pour ne pas être Turing-complet. Bien qu'il ne prenne pas en charge des fonctionnalités complexes de contrôle de flux comme les boucles, cette conception assure la simplicité et la sécurité du langage. Ces limitations ont rendu difficile pour le Script d'exécuter des calculs complexes, y compris ceux impliquant des contrats intelligents.

Bien que certaines solutions de couche 2 conçues pour Bitcoin puissent réaliser des fonctions de contrat intelligent de base en verrouillant des actifs, elles reposent essentiellement sur des adresses multi-signatures et des mappages d'actifs inter-chaînes, qui nécessitent un certain niveau de confiance centralisée. Cela compromet l'engagement de Bitcoin envers la décentralisation. Avant l'introduction de BitVM, la communauté Bitcoin explorait des méthodes qui seraient décentralisées, minimisant la confiance et capables de calculs Turing-complets.

BitVM : Calculer n'importe quoi sur Bitcoin

Au cœur de son innovation, BitVM utilise le système Script existant de Bitcoin pour implémenter des portes logiques (cela inclut les portes AND, OR, NOT et XOR, permettant des opérations comme AND, OR, NOT et XOR) pour construire des circuits booléens arbitrairement complexes. Ces circuits sont utilisés pour effectuer des opérations logiques sur des entrées binaires et donner des sorties binaires ; le calcul booléen peut être implémenté en utilisant des portes logiques pour effectuer des opérations comme AND, OR, NOT et XOR. Plus précisément, BitVM emploie des Contrats de verrouillage temporel par hachage (HTLC) et Taproot (un soft fork pour optimiser Script activé en novembre 2021) pour représenter des portes logiques fondamentales, telles que les portes AND et OR. BitVM combine ensuite ces portes logiques de base pour construire des circuits de n'importe quelle complexité, simulant essentiellement un ordinateur programmable sur la blockchain Bitcoin.

Enfin, en cas de litiges entre les parties à la transaction, un élégant protocole de défi-réponse, similaire aux preuves de fraude sur Bitcoin, peut être employé pour la validation. Un prouveur affirme qu'une fonction donnée évalue pour certaines entrées particulières à une sortie spécifique. Si cette affirmation est fausse, alors le vérificateur peut effectuer une preuve de fraude et punir le prouveur. En utilisant ce mécanisme, toute fonction calculable peut être vérifiée sur Bitcoin.

La conception de BitVM

Engagement de valeur binaire

L'engagement de valeur binaire, un script Bitcoin, utilise des instructions if-else pour implémenter un schéma d'engagement. Cette primitive cryptographique garantit que l'expéditeur peut confirmer le contenu du message avant de l'envoyer, et que le contenu ne peut pas être modifié une fois qu'il est divulgué publiquement. Ce schéma d'engagement comprend deux valeurs de hachage, hash0 et hash1. La valeur retournée sera 0 ou 1 selon que la valeur de hachage de l'entrée correspond à l'une ou l'autre de ces deux valeurs de hachage.

Figure 1 : Une implémentation concrète pour un engagement de 1 bit

Source : https://bitvm.org/bitvm.pdf

Engagement de porte logique

Dans la théorie du calcul, toute fonction calculable peut être représentée comme un circuit booléen. En particulier, la porte NAND est une porte logique universelle qui peut être utilisée pour construire toutes les autres portes logiques complexes. BitVM incorpore deux engagements de valeur binaire représentant les deux entrées et un troisième engagement de valeur binaire représentant la sortie pour implémenter la porte NAND.

BitVM exprime ingénieusement la porte NAND à travers des scripts Bitcoin. Cela lui permet de construire des circuits logiques booléens arbitrairement complexes, simulant efficacement un ordinateur programmable via Script.

Figure 2 : Implémentation d'une porte NAND utilisant des engagements de valeur binaire

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

Figure 3 : Engagement de porte logique pour une opération NAND

Source : https://bitvm.org/bitvm.pdf

Le script calcule la valeur NAND des deux entrées pour s'assurer qu'elle correspond au bit de sortie engagé.

Engagement de Circuit Binaire

BitVM peut exprimer n'importe quel circuit en composant des engagements de portes. Chaque étape de l'exécution est engagée dans un Tapleaf. Ils sont tous combinés dans la même adresse Taproot, de sorte que le prouveur peut exécuter n'importe quelle porte dans le circuit. L'exécution d'une porte nécessite que le prouveur ouvre l'engagement de porte correspondant et définisse les valeurs de ses bits d'entrée et de sortie. Par exemple, dans la Figure 4, A, B, C et D sont des engagements de valeur de bit prédéfinis, chacun représentant un bit. Les opérations logiques impliquant les huit portes NAND sont ensuite effectuées. Par exemple, si A NAND B donne E, et E est utilisé comme entrée pour la porte NAND suivante, la sortie finale de l'ensemble du circuit sera VRAI. Cette conception de circuits booléens connecte les portes NAND des engagements de valeur de bit et réalise des opérations logiques complexes, offrant une représentation compacte pour le calcul vérifiable sur la blockchain Bitcoin.

Figure 4 : Un circuit avec huit portes NAND différentes

Un circuit avec huit portes NAND différentes

Source : https://bitvm.org/bitvm.pdf

Défis et Réponses

Dans BitVM, s'engager sur un seul circuit n'est pas suffisant, et un mécanisme de défi-réponse est nécessaire pour prouver l'exactitude des calculs. Pour y parvenir, le prouveur et le vérificateur doivent pré-signer une séquence de transactions lors de la configuration. Les transactions sont liées dans l'ordre "défi - réponse - défi - réponse", créant plusieurs cycles d'interactions de défi et de réponse. Si l'une des parties cesse de s'engager, alors après un délai d'attente, l'autre partie gagne le défi et peut prendre les deux dépôts. Ce mécanisme n'est requis qu'en cas de fraude. Tant que les deux parties coopèrent, elles peuvent conjointement régler n'importe quel contrat avec une signature 2 sur 2.

Voyons comment ce mécanisme fonctionne dans un cas hypothétique. Paul (le prouveur) et Vicky (le vérificateur) ont pré-signé une séquence de transactions. Vicky peut alors initier un défi (TX 2) en sélectionnant un défi (hash7) parmi l'un des hashlocks dans ses feuilles Tapscript. Cela déverrouille pour Paul un Tapscript spécifique et le force à l'exécuter, avec des entrées et des sorties ouvertes. Toute affirmation incohérente peut être rapidement réfutée en répétant cette procédure pendant quelques cycles de requêtes. Si le prouveur cesse de collaborer, le vérificateur peut déverrouiller une préimage de hachage qu'il détient pour forcer le prouveur à répondre on-chain. Chaque cycle de requêtes peut valider ou réfuter une porte spécifique. Grâce à la recherche binaire (un algorithme utilisé pour localiser un élément spécifique dans un tableau trié), le vérificateur peut rapidement identifier l'erreur du prouveur après seulement quelques cycles de défi et de réponse. Une fois que les deux engagements du prouveur entrent en conflit, le vérificateur gagne immédiatement le défi et s'empare du dépôt.

Figure 5 : Une séquence de transactions pré-signées pour effectuer plusieurs cycles de défi et de réponse

Une séquence de transactions pré-signées

Source : https://bitvm.org/bitvm.pdf

Cette conception méticuleuse permet à BitVM d'effectuer une vérification on-chain de tout calcul complexe, ce qui assure l'efficacité de la collaboration et impose des pénalités en cas de fraude. Cela démontre la possibilité de vérifier des calculs interactifs Turing-complets dans le réseau Bitcoin.

Aspects clés de la conception de BitVM

Calcul hors chaîne et vérification on-chain

BitVM place la charge des calculs complexes hors de la blockchain, réservant la blockchain Bitcoin au seul but de vérifier les résultats. Cette approche évite d'exécuter des contrats complexes directement sur la blockchain, ce qui atténue la surcharge de la blockchain.

Portes logiques exprimées avec des verrous de hachage et des scripts Bitcoin

BitVM exploite les verrous de hachage et les opcodes de script pris en charge par Bitcoin pour représenter des portes logiques de base, telles que les portes ET et NON. La connexion de ces portes logiques lui permet de construire des circuits de complexité arbitraire, permettant ainsi un calcul Turing-complet.

Un mécanisme de théorie des jeux pour le prouveur et le vérificateur

Le mécanisme de validation de BitVM, qui ressemble à un rollup optimiste, implique des défis et des réponses interactifs entre les parties du calcul. En fin de compte, le résultat correct du calcul est confirmé sur la chaîne. Si le prouveur a triché, le vérificateur pourrait exécuter des pénalités sur la blockchain Bitcoin. Ainsi, BitVM et le rollup optimiste utilisent des mécanismes d'interaction similaires pour la vérification sur la chaîne, la seule différence étant que BitVM utilise directement des scripts Bitcoin pour mettre en œuvre un processus interactif de défi-réponse.

Impact minimal sur la chaîne

Le processus de calcul de BitVM a un impact minimal sur la blockchain Bitcoin, ne laissant qu'un petit nombre de transactions sur la chaîne lorsque des litiges surviennent. Cela préserve l'efficacité et l'évolutivité de Bitcoin.

Pas besoin de fourches souples

Comme BitVM n'utilise que les capacités de script Bitcoin existantes, il ne nécessite aucune modification du protocole Bitcoin par le biais de fourches souples. Cela facilite l'intégration de BitVM dans le réseau principal Bitcoin.

Conclusion

La plus grande innovation de BitVM réside dans sa capacité à mettre en œuvre une vérification Turing-complète sans modifier le protocole Bitcoin de base ; il y parvient en utilisant de manière créative les scripts, en particulier ceux optimisés par Taproot. Cette conception ingénieuse permet une intégration transparente avec le réseau principal Bitcoin sans introduire de nouveaux problèmes de compatibilité ni rendre Bitcoin moins décentralisé.

La solution innovante de BitVM a le potentiel d'introduire des contrats intelligents et des applications décentralisées dans l'écosystème Bitcoin. Par exemple, elle peut être utilisée pour construire des ponts interchaînes à confiance minimale afin de connecter différents actifs blockchain, améliorant ainsi l'interopérabilité de Bitcoin. De plus, BitVM peut également aider à construire des couches d'expansion zkRollup plus efficaces pour rendre Bitcoin plus évolutif. En résumé, BitVM démontre les vastes possibilités de faire entrer l'écosystème Bitcoin dans une nouvelle ère uniquement grâce à l'utilisation innovante des fonctionnalités existantes.

Références :

https://bitvm.org/bitvm.pdf

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

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

BitVM, le potentiel des contrats intelligents sur le réseau principal de Bitcoin