比特币白皮书16周年,解析比特币应用去信任化的关键:BitVM及其形式化验证

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比特币白皮书发布于 2008 年 10 月 31 日,中本聪(Satoshi Nakamoto)在 P2P foundation 网站发布比特币白皮书《比特币:一种点对点的电子现金系统》,今天迎来 16 周年生日。


比特币的初始交易价格为 0.0008 美元,如今升值超过 9000 万倍。


众所周知,比特币重新定义了人们对价值转移的信任方式。在去中心化的网络中,信任被技术所取代,每一笔交易都由网络自身验证。然而,随着去中心化金融(DeFi)和智能合约的兴起,如何在比特币网络中安全地引入更复杂的计算,构建更丰富的内容,成为了新的挑战。


BitVM 是什么?


2023 年 12 月,ZeroSync 项目负责人 Robin Linus 发表了一篇名为《BitVM:Compute Anything On Bitcoin》的白皮书,引发了大家对于提升比特币可编程性的思考。


BitVM 的出现,为比特币带来了链下执行复杂计算、链上验证结果的能力,极大地扩展了其功能。更直白来说,BitVM 是一个允许在比特币网络上执行复杂计算和智能合约的解决方案。这是一种在不改变比特币网络共识的情况下,可实现图灵完备的解决方案。通过成为图灵完备,比特币区块链理论上可以用来扩展比特币的功能,远远超出比特币白皮书中首次提出的「点对点电子现金系统」愿景。它允许用户在比特币之上创建应用程序——类似于以太坊等其他平台上已经实现的功能,同时,保持了比特币众所周知的高度安全性和去中心化。


简单总结,BitVM 可以使 Bitcoin 生态不仅满足交易需求,而且能在 BTC 层上创造更加复杂的 DApps。同时,保留了 Bitcoin 的安全性和去中心化的特征。


然而,复杂性往往伴随着风险,如何确保这些复杂计算的安全性,成为了亟待解决的问题。


当前,致力于 BitVM 研究与开发的团队众多,其中包括: BitVM 创始人 Robin 创立的 ZeroSync, 加州大学圣芭芭拉分校 Prof. Yu Feng 创立的比特币原生项目 Nubit,致力 ZK 扩容比特币的 Alpen Labs,专注比特币 ZK Rollup 的Chainway Labs,Citrea,以及 Fiamma,还有 BRC20 的创始人 Domo 所在的 Layer 1 Foundation 等。


目前,Nubit 联合 ZeroSync、Alpen Labs、Chainway Labs 以及 Domo 带领的 Layer 1 Foundation,在 10 月 31 日发表论文《Push-Button Verification for BitVM Implementations》,完成并推出了 BitVM 形式化验证工具。论文中,Nubit 通过形式验证(Formal Verification)自动化数学证明,为 BitVM 应用的安全性提供进一步保障,让开发者和用户能放心地构建和使用应用。


形式化验证是什么?如何帮助确保 BitVM 的安全性?


在 Robin 的论文中,BitVM 引入了一个系统,该系统使任何计算都可以在比特币的区块链上进行验证,其方式不会影响其安全性或更改网络。然而,系统开发以及基于此的应用构建,往往需要专家人工审查代码。在比特币这样对安全性要求极高的生态中,手动审查既耗时又可能出错。形式化验证(Formal Verification)通过纯数学运算,能够自动验证程序逻辑是否符合预期,为 BitVM 整体系统提供安全保障。


想象一下,你正在比特币上部署一个涉及多方交易的智能合约。为了确保合约在各种情况下都能正确执行,传统方法可能需要反复测试每一种可能性。但有了形式化验证(Formal Verification)工具,数学证明将自动检查合约的正确性,极大提升系统运行的安全属性。


BitVM 的特殊挑战:智能合约复杂度与比特币脚本的局限性


与以太坊等具备图灵完备性(Turing-complete)的区块链不同,比特币脚本语言受限于安全性考量,无法直接运行复杂计算。BitVM 通过链下执行和链上验证的模式实现了比特币智能合约的基本功能。换句话说,所有复杂的计算都在链下完成,只有结果在链上得到验证,极大地减轻了比特币链的负载。然而,这一创新带来了显著的实现难度。


首先,BitVM 的设计中包含了大量堆栈操作和寄存器计算,这些操作需要在比特币的非图灵完备脚本中高效地实现和验证。例如,为确保合约执行时能够正确判断数值的正负,一个常用函数是 is_positive,它通过检查数值的最高位判断正负。然而在一个早期版本中,is_positive 函数因为计算偏差而错误地将 0 判定为正数,这种细微的错误可能导致合约执行的严重偏差,甚至引发潜在的经济损失。




通过形式化验证(Formal Verification),Nubit 的工具能够在代码部署之前自动检查类似的计算逻辑,确保所有执行路径都符合预期。在这里,Nubit 团队设计了一种基于寄存器的 DSL(领域特定语言),将比特币脚本复杂的堆栈操作转化为更易于验证的寄存器操作,从而简化了开发和验证流程。此外,针对多次重复的循环式计算,该 DSL 引入了「循环不变量」,以有效地减少代码中的重复计算,降低验证难度。




验证效果:自动化形式化验证的高效性


从论文中看,Nubit 的形式化验证(Formal Verification)工具在 98 个 BitVM 的 SNARK 验证器基准上进行了广泛测试,验证成功率高达 94%,且大部分验证任务在数秒内即可完成。相比于传统的手动审查,这一工具不仅提高了验证速度,也避免了人工错误的可能性,为 BitVM 智能合约在比特币上的可靠执行提供了保障。


这一结果证明,形式化验证(Formal Verification)在比特币复杂应用中的确具备极高的实际价值,特别是在对安全性要求极高的 BTCFi 应用中,能够有效降低风险。



BitVM 与比特币生态:拓展比特币智能合约的潜力


通过形式化验证(Formal Verification),BitVM 的安全性得到了显著提升,在帮助开发者在比特币上构建更复杂的合约和应用的同时,让用户在去中心化金融和跨链应用中享受到比特币生态的高安全性。作为比特币生态系统的创新工具,BitVM 为比特币在复杂应用中的拓展奠定了基础。


比特币从未被设计成复杂计算平台,而是专注于价值存储和转移的可靠性。然而,随着 BitVM 推出,比特币生态正在向智能合约和 DeFi 应用迈进。对于去中心化应用的发展而言,完成形式化验证 BitVM 不仅是技术上的进步,更代表了比特币在去中心化金融和智能合约上的一个重要里程碑。


BitVM 打开比特币未来生态


在 BitVM 的发展过程中,Nubit 与 ZeroSync、Alpen Labs、Chainway Labs 和 Layer 1 Foundaton 等团队紧密合作,其推出的形式化验证 BitVM 为比特币生态带来了全新的安全和技术标准。同时,Nubit 在 Starkware 和 Fractal Bitcoin 的资助下将继续推动安全、可验证的比特币原生计算的发展。


万事开头难,由 BitVM 带来的比特币生态仍在萌芽,但早期项目间深度的协作和创新,将不仅为复杂计算的安全性提供有力保障,也将为比特币的未来打开无限可能。一个人人都能信任、人人都能参与的比特币新时代正在到来。



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