走近BTC：理解BitVM 所需的背景知識

作者：Nickqiao、Faust、Shew Wang；來源：極客web3

摘要：近期Delphi Digital 發布了題為《The Dawn of Bitcoin Programmability: Paving the Way for Rollups 》的比特幣二層相關技術研報，系統的梳理了和比特幣Rollup 相關的核心概念，如BitVM 全家桶、 OP_CAT 和Covenant 限制條款、比特幣生態DA 層、橋以及Bitlayer、Citrea、Yona、Bob 等四大採用BitVM 的比特幣二層。

該研報雖然大致展示了比特幣二層技術的大致圖景，但整體比較泛泛而缺乏細節描述，讓人似懂非懂。極客web3 在Delphi 研報基礎上進行了展開式的深入挖掘，嘗試讓更多人系統的理解BitVM 等技術。

我們將與Bitlayer 研究團隊及BitVM 中文社群共同開展一個名為「走近BTC」的系列專欄，長期圍繞BitVM、OP_CAT 和比特幣跨鏈橋等重點話題進行科普，致力於為更多人祛魅比特幣二層相關技術，幫助更多愛好者鋪路。

幾個月前，ZeroSync 負責人Robin Linus 發布了名為《BitVM: Compute Anything on Bitcoin》的文章，正式提出了BitVM 的概念，推動了比特幣二層技術的進展。可以說這是比特幣生態最具革命性的創新之一，引爆了整個比特幣二層生態，吸引如Bitlayer、Citrea、BOB 等明星項目的參與，為整個市場帶來了活力。

之後，更多研究人員參與改進了BitVM，先後推出了BitVM1、BitVM2、BitVMX、BitSNARK 等不同的迭代版本。其大致情況如下圖所示：

1. Robin Linus 於去年最早提出的BitVM 實作白皮書，就是基於虛構邏輯閘電路的BitVM 實作方案，稱為BitVM0；

2. Robin Linus 在後面幾次演講和採訪中，又非正式的介紹了基於虛構CPU 的BitVM 方案（稱為BitVM1），類似於Optimism 的欺詐證明系統Cannon，可以用比特幣腳本在鏈下模擬出一個通用CPU 的效果。

3. Robin Linus 也提出了BitVM2，一個Permissionless 的單步非互動式詐欺證明協議。

4. Rootstock Labs 和Fairgate Labs 的成員發布了BitVMX 白皮書，與BitVM1 類似，他們希望透過比特幣腳本模擬出通用CPU 的效果（在鏈下）。

目前BitVM 相關開發者生態的建設日漸明朗，週邊工具的迭代完善也已肉眼可見，相比於去年，如今的BitVM 生態已經從最初的“空中樓閣”變得“依稀可見”，這也吸引了越來越多的開發者和VC 爭相湧入比特幣生態。

但對大多數人而言，要理解BitVM 和比特幣二層相關的技術名詞絕非易事，因為你要先對其周邊的基礎知識有系統性的理解，尤其是比特幣腳本和Taproot 等背景知識。目前網路上已有的參考資料不是篇幅太長廢話連篇，就是解釋的不夠透徹讓人似懂非懂。我們致力於解決上述問題，力求盡可能清晰的語言，幫助更多人理解比特幣二層的周邊知識，對BitVM 體系建立起系統性認知。

MATT 與承諾：BitVM 的基礎思想

首先我們要強調，BitVM 的基礎概念是MATT，意義是Merkleize All The Things，主要指透過Merkle Tree 這種樹狀的資料儲存結構來展示複雜的程式執行過程，設法讓比特幣Native 的驗證詐欺證明。

MATT 雖然可以表達出一段複雜程式及其資料處理痕跡，但不會直接在BTC 鏈上發布這些數據，因為這些數據的整體規模非常龐大。採用MATT 的方案只在鏈下的Merkle 樹中儲存數據，只把Merkle 樹最頂部的摘要（Merkle Root）發佈到鏈上。這棵Merkle 樹主要包含三大核心內容：

• 智慧合約腳本程式碼

• 合約所需的數據

• 合約執行中留下的痕跡（智慧合約在EVM 等虛擬機器中執行時對記憶體、CPU 暫存器產生的變更記錄）
  

（一個簡單的Merkle Tree 梅克爾樹示意圖其Merkle Root 是由圖中底部的8 個資料片段經過多層hash 計算得到的）

MATT 方案下，只有尺寸極小的Merkle Root 儲存在鏈上，Merkle Tree 包含的完整資料集儲存在鏈下，這用到了一種稱為「承諾」的想法。這裡解釋下什麼是「承諾」（Commitment）。

承諾類似於一種簡潔化的聲明，我們可以把它理解為一大批資料壓縮後得到的「指紋」。一般而言，在鏈上發布「承諾」的人會聲稱，某些存放在鏈下的數據是準確無誤的，這些鏈下數據要對應一個簡潔化的聲明，這個聲明就是「承諾」。

在某些時候，資料的hash 可以作為對資料本身的「承諾」，其他的承諾方案還有KZG 承諾或Merkle Tree 等。在Layer2 慣用的詐欺證明協議中，資料發布者會在鏈下發布完整資料集，在鏈上發布資料集的承諾。如果有人發現鏈下的資料集中存在無效數據，就會針對鏈上的數據承諾進行挑戰。

透過承諾（Commitment），二層能夠壓縮大量資料處理，只在比特幣鏈上發布其「承諾」。當然，也要確保發佈在鏈下的完整資料集可以被外界觀測到。

目前幾大BitVM 方案如BitVM0、BitVM1、BitVM2 和BitVMX，基本上都採用了類似的抽象結構：

1.程序分解和承諾：首先將複雜的程序分解為大量的、較基礎的操作碼（編譯），然後把這些操作碼在具體執行時產生的痕跡記錄下來（說白了就是一段程序跑在CPU 和記憶體中時，整個的狀態變化記錄，稱為Trace）。之後，我們對包括Trace 和操作碼在內的所有資料進行整理，組織成一個資料集，然後產生該資料集的承諾。

具體的承諾方案可以有多種形式，如：Merkle 樹、PIOPs（各種ZK 演算法）、雜湊函數

2.資產質押和預簽名：資料發布者和驗證者需要透過預簽名的形式，把一定金額的資產鎖定在鏈上，並且會有限制條件。這些條件會針對未來可能發生的情況而針對性的觸發，如果資料發布者作惡，驗證者可以提交證明把資料發布者的資產拿走

3.資料和承諾發布：資料發布者在鏈上發布承諾，鏈下發布完整的資料集，驗證者檢索資料集並檢查是否有任何錯誤。鏈下資料集中的每個部分都與鏈上的承諾有關。

4.挑戰與懲罰：一旦驗證者發現資料發布者提供的資料有錯誤，它會把這部分資料拿到鏈上去直接驗證（要先把這部分資料切的特別細），這就是詐欺證明的邏輯。如果驗證結果顯示，數據發布者的確在鏈下提供了無效數據，它的資產就會被挑戰他的驗證者拿走。

總結下就是，資料發布者Alice 在鏈下公開二層交易執行過程中產生的所有痕跡，把對應的承諾發佈到鏈上。如果你要證明某部分資料有誤，先向比特幣節點證明這部分資料和鏈上的承諾相關聯，也就是證明這些資料是Alice 本人對外公開的，然後讓比特幣節點確定這部分資料有錯誤。

現在我們大致理解了BitVM 的整體思路，所有的BitVM 變體基本上都脫離不了上述範式。那麼接下來，讓我們開始學習並理解上述流程中用到的一些重要技術，先從最基礎的比特幣腳本和Taproot 以及預簽名開始。

什麼是Bitcoin Script 腳本

比特幣相關的知識要比以太坊的更難理解，就連最基礎的轉帳行為都涉及到一系列概念，包括UTXO（未花費的交易輸出）、鎖定腳本（也稱為ScriptPubKey）和解鎖腳本（也稱為ScriptSig）。我們先對這幾個主要概念進行講解。

（一段比特幣腳本程式碼的範例由比高階語言更底層的操作碼組成）

以太坊的資產表達方式，更像支付寶或微信，每次轉帳只是對不同帳戶的餘額做加減法，這種方法是以帳戶為核心，資產餘額只是帳戶名下的一個數字；比特幣的資產表達形式更像黃金，每塊黃金（UTXO）都會標記出主人，轉帳實際上是把舊的UTXO 銷毀，把新的UTXO 產生（主人會變更）。

比特幣UTXO 包含兩個關鍵字段：

• 金額，以「聰（satoshi）」為單位（一億聰為一BTC）；

• 鎖定腳本，也稱為「腳本公鑰（ScriptPubKey）」，會定義UTXO 的解鎖條件。

要注意的是，比特幣UTXO 的所有權是透過鎖定腳本來表達的，如果你要把自己的UTXO 轉讓給Sam，可以發起交易銷毀自己的某個UTXO，把新產生的UTXO 的解鎖條件寫為“只有Sam 可解鎖」。

之後，Sam 如果要使用這些比特幣，則需要提交一個解鎖腳本（ScriptSig），在這個解鎖腳本中Sam 要出示自己的數位簽名，證明自己是Sam 本人。如果解鎖腳本和前述鎖定腳本相匹配，Sam 就可以解鎖並將這些比特幣再轉給別人。

（解鎖腳本要和鎖定腳本相符才行）

從表現形式的角度來看，比特幣鏈上的每筆交易都對應著多個Input 和Output，每個Input 中要聲明自己想解鎖的某個UTXO，並提交解鎖腳本，解鎖並銷毀該UTXO；Output中會展示新產生的UTXO 訊息，對外公示鎖定腳本的內容。

例如，在一筆交易的Input 中，你證明自己是Sam，把別人給你的多個UTXO 解鎖，統一銷毀，再生成多個新的UTXO 並聲明讓xxx 在未來去解鎖。

具體而言，在交易的Input 資料中，你要聲明自己要解鎖哪些UTXO，並指出這些UTXO 資料的「儲存位置」。這裡要注意，比特幣和以太坊截然不同，以太坊提供了合約帳戶和EOA 帳戶兩種帳戶來存儲數據， 資產餘額作為數字，記錄在合約帳戶或EOA 帳戶名下，統一放置在名為“世界狀態」的資料庫中，轉帳時直接從「世界狀態」對特定帳戶進行修改，以便於定位到資料的儲存位置；

比特幣沒有世界狀態的設計，資產數據分散儲存在過往的區塊中（就是未解鎖的UTXO 數據，在每筆交易的OutPut 中單獨存放）。

如果你想解鎖某個UTXO，要說明該UTXO 資訊存在於過去哪筆交易的Output 中，出示這筆交易的ID（就是其hash），讓比特幣節點去歷史記錄中尋找。如果要查詢某個地址的比特幣餘額，則需要從頭遍歷所有區塊，找出和xx 位址關聯的未解鎖UTXO。

平時用比特幣錢包時，可以快速檢查某個地址擁有的比特幣餘額，很多時候是因為錢包服務本身通過掃描區塊，對所有地址建立了索引，方便我們快速查詢。

（當你產生交易聲明把自己的UTXO 送給別人時，要根據這些UTXO 所屬的交易hash/ID 來標記出該UTXO 在比特幣歷史記錄中的位置）

有趣的是，比特幣交易的結果是在鏈下計算完成的，用戶在本地設備上產生交易時，就要直接把Input 和Output 全部創建好，相當於把交易的輸出結果計算完了。交易在廣播到比特幣網路中，被節點驗證後才上鍊。這種「鏈下計算—鏈上驗證」的模式與以太坊是完全不同的，在以太坊上，你只需要提供交易輸入參數，交易結果由以太坊節點計算並輸出。

此外，UTXO 的鎖定腳本（Locking Script）是可以自訂的，你可以把UTXO 設定為「某個比特幣地址的主人可解鎖」，該地址的主人需要提供數位簽章和公鑰（P2PKH）。而在Pay-to-Script-Hash（P2SH）交易類型中，你可以在UTXO 鎖定腳本中加入一個Script Hash，誰能提交這個Hash 對應的腳本原像，並滿足該腳本原像中預設的條件，就可以解鎖UTXO。 BitVM 所依賴的Taproot 腳本，用到了類似P2SH 的特性。

比特幣腳本怎麼觸發

這裡我們先以P2PKH 為案例介紹比特幣腳本的觸發方式，只有理解了其觸發方式才能理解更為複雜的Taproot 和BitVM。 P2PKH 全名為“Pay to Public Key Hash”，在這個方案下，UTXO 的鎖定腳本中會設定一個公鑰hash，解鎖時需要提交對應該hash 的公鑰，這和常規的比特幣轉帳思路基本一致。

此時，比特幣節點要確定解鎖腳本中的公鑰，和鎖定腳本中指定的公鑰hash 能對上號，也就是說，要確定解鎖人提交的「鑰匙」和UTXO 預設的「鎖」彼此匹配。

進一步說，P2PKH 方案下，比特幣節點收到交易後，會將用戶給出的解鎖腳本ScriptSig，與要解鎖的UTXO 的鎖定腳本ScriptPubkey 拼接到一起，放在BTC 腳本的執行環境內執行。下圖給出執行前的拼接結果:

可能讀者並不了解BTC 的腳本執行環境，此處我們進行簡單介紹。首先，BTC 腳本包含兩種元素:

數據和操作碼。這些資料和操作碼會依照從左到右的順序，依序壓入棧內依照指定邏輯來執行，得到最終結果（關於什麼是棧此處不展開詳述讀者可以自行Chatgpt）。

以上圖為例，左側是某人上傳的解鎖腳本ScriptSig，包含他的數位簽章和公鑰，而右側的鎖定腳本ScriptPubkey 中，包含UTXO 創作者產生該UTXO 時設定的一段操作碼和資料（此處我們不需要了解每個操作碼的意義，理解個大概即可）。

上圖右側的鎖定腳本中的DUP、HASH160、EQUALVERIFY 等操作碼，負責把左側的解鎖腳本中攜帶的Public key 取哈希，和鎖定腳本中預設的Public key hash 做對比，若兩者相等，說明解鎖腳本中上傳的公鑰，和鎖定腳本中預設的公鑰哈希相匹配，這就通過了第一道驗證。

但是，有個問題，UTXO 鎖定腳本的內容其實是在鏈上公開的，任何人都能觀測到其中包含的公鑰哈希，誰都可以上傳對應的公鑰，謊稱自己是那個被“欽定」的人。所以在驗證完公鑰和公鑰hash 後，也要驗證交易發起人是否真是該公鑰的實際控制者，這就要對數位簽章進行核驗。鎖定腳本中的CHECKSIG 操作碼，就是負責驗證數位簽章的。

總結一下，P2PKH 方案下，交易發起人提交的解鎖腳本中，包含公鑰和數位簽名，該公鑰要和鎖定腳本中指定的公鑰哈希匹配，且交易的數位簽名正確，滿足這些條件才能順利解鎖UTXO。

（這張圖是動態的：P2PKH 方案下比特幣解鎖腳本示意圖

資料來源：https://learnmeabitcoin.com/technical/script ）

當然，比特幣網路中支援多種交易類型，不只有Pay to public key/public key hash，還有P2SH（Pay to Script hash）等，一切取決於UTXO 創建時自訂的鎖定腳本被設定成什麼樣。

這裡要注意的是，P2SH 方案下，鎖定腳本中可以預設一個Script Hash，而解鎖腳本需要把Script Hash 對應的腳本內容完整提交上來。比特幣節點可以執行這段腳本，如果這段腳本定義了多簽驗證的邏輯，就可以在比特幣鏈上實現多簽錢包的效果。

當然，P2SH 方案下，UTXO 創作者要讓未來解鎖UTXO 的人事先知道Script Hash 對應的腳本內容，只要雙方都知道這段Script 的內容，那麼我們就可以實現比多簽更複雜的業務邏輯。

這裡要說明一點，比特幣鏈上（區塊）不會直接記錄哪些UTXO 和哪些位址關聯，它只記錄UTXO 可以被哪個公鑰哈希/ 哪個腳本哈希解鎖，但我們根據公鑰hash/ 腳本hash 可以快速算出對應的位址（皮夾介面顯示的那一段像亂碼的東西）。

我們之所以能在區塊瀏覽器和錢包介面看到xx 地址下有xx 數額的比特幣，是因為區塊瀏覽器和錢包項目方幫你解析了這些數據，會掃描所有區塊並根據鎖定腳本中聲明的公鑰hash/ 腳本hash，計算出對應的「地址」，然後顯示xx 地址名下有多少比特幣。

隔離見證與Witness

當我們了解P2SH 的想法後，便和BitVM 所依賴的Taproot 又更近一步了。但在此之前，我們要先了解一個重要的概念：Witness 和隔離見證。

複盤前面講到的解鎖腳本和鎖定腳本，以及UTXO 解鎖流程，會發現一個問題：交易的數字簽名包含在解鎖腳本中，生成簽名時不能把解鎖腳本覆蓋進去（生成簽名用到的參數不能包含簽章本身），所以數位簽章只能覆蓋解鎖腳本以外的部分，也就是只能與交易資料的主幹部分建立關聯，不能完整的覆蓋交易資料。

這樣一來，就算交易的解鎖腳本被中間人稍做手腳，也不會影響到驗簽結果。比如說，比特幣節點或礦池可以在交易的解鎖腳本中，塞入其他數據，在不影響驗簽和交易結果的前提下，使得交易數據發生細微變化，最後算出的交易hash/ 交易ID 也會改變。這被稱為交易延展性問題。

這帶來的壞處是，如果你打算連續發起多筆交易，並且有次序上的依賴關係（比如，交易3 引用了交易2 的輸出，交易2 引用了交易1 的輸出），那麼排後面的交易必然要引用前面交易的ID（hash），礦池或比特幣節點等任意中間人可以微調解鎖腳本中的內容，使交易上鍊後的hash 與你預期的不一致，那麼你預先創建好的多筆有次序關聯的交易會失效。

實際上，在DLC 橋和BitVM2 的方案中，會大量建構有先後次序關聯性的交易，所以前面提到的場景並不少見。

簡單來說，交易延展性問題是因為，交易的ID/hash 在計算時，會把解鎖腳本的數據包含進去，而比特幣節點等中間人可以微調解鎖腳本中的內容， 導致交易ID 與用戶預期的不符合。其實這是比特幣在早期設計時考慮不周留下的歷史包袱。

後來推出的隔離見證/SegWit 升級，其實就是把交易ID 和解鎖腳本徹底解耦，計算交易hash 時不需要把解鎖腳本資料包含進去。遵循SegWit 升級的UTXO 鎖定腳本，會預設在首位設定一個叫「OP_0」的操作碼，充當標記；而對應的解鎖腳本，從SigScript 更名為了Witness（見證）。

遵循隔離見證規則後，交易延展性問題會被妥善解決，你不需要擔心發送給比特幣節點的交易資料被微調。當然我們不需要想的太複雜，P2WSH 的功能和前面談到的P2SH 並無本質差異，你可以在UTXO 鎖定腳本中預設一個腳本哈希，等解鎖腳本的提交者把hash 對應的腳本內容提交到鏈上並執行。

但如果你要實現的腳本內容特別龐大，包含特別多的程式碼，透過常規的方法無法把完整的腳本提交到比特幣鏈上（每個區塊都有大小限制）。那怎麼辦？這就需要藉助Taproot，針對上鍊的腳本內容進行精簡化處理，而BitVM 正是基於Taproot 所建構的複雜方案。