Delphi Digital發布了比特幣二層技術研究《比特幣可程式性的黎明：為Rollups鋪路》，介紹了核心概念和四大專案採用的比特幣二層技術。然而報告內容偏通用，缺乏細節描述。極客web3在此基礎上深入挖掘比特幣二層技術，計畫舉辦一系列論壇。 BitVM基礎概念是MATT，利用Merkle樹展示程式執行過程，實現比特幣鏈上驗證詐欺證明。功能上對比特幣腳本、Taproot等技術進行科普。 BitVM變體和上述技術基本上按照抽象結構實作。透過了解比特幣腳本、Taproot等技術，有助於理解BitVM的核心思想。
作者：Nickqiao & Faust & Shew Wang，極客web3
顧問：Bitlayer研究團隊
摘要：
近期Delphi Digital發布了題為《比特幣可編程性的黎明：為Rollups鋪平道路》的比特幣二層相關技術研報，系統的梳理了和比特幣Rollup有關的核心概念，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。
該報雖然在很大程度上展示了比特幣二層技術，但整體上比較通用而缺乏細節描述，讓人感覺不太舒服。極客web3在Delphi報基礎上進行了展開式的深入挖礦，試著讓更多人了解BitVM等技術。
我們將與Bitlayer研究團隊及BitVM中文社群共同進行「走近BTC」的系列論壇，圍繞BitVM、OP_CAT和比特幣基礎架構等進行科普，為更多人提供比特幣基礎架構相關技術，協助BitVM之路建設。
正文：
幾個月前，ZeroSync 執行長Robin Linus 發布了名為《BitVM：在比特幣上計算任何東西》的文章，正式提出了BitVM 的概念，推動了比特幣二層技術的發展。 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，議會如Bitlayer、Citrea、BOB 等明星項目的參與，為整個市場帶來了活力。
之後，更多研究者參與的改進了BitVM，先後推出了BitVM1、BitVM2、BitVMX、BitSNARK等不同的迭代版本。其大致情況概要：
Robin Linus於去年最後一位寫道的BitVM實作白皮書，就是基於虛構的邏輯閘電路的BitVM實作方案，被稱為BitVM0；Robin Linus在後面幾次演講和訪談中，又非正式的介紹基於虛構CPU的BitVM方案（稱為BitVM1），類似Optimism的詐欺證明系統Cannon，可以用比特幣腳本在鏈下模擬出一個通用CPU的效果。 Robin Linus 也提出了BitVM2，一個Permissionless 的單步非互動詐欺證明協定。 Rootstock Labs 和Fairgate Labs 聯合創始人發布了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的建設日漸明朗，週邊基礎設施的完善，人們開始意識到這一點，這也使得BitVM的建設越來越困難，這也使得VC的支持者和開發商開始逐漸意識到這一點。
但對大多數人來說，要理解BitVM和比特幣二層相關的技術名詞絕非易事，因為你首先要理解比特幣的本質，其次要理解Taproot等知識點。 目前為止，網路上的資料太長，講的也太廢話了，不夠透徹讓人理解。 我們致力於解決上述問題，力求以不清楚的語言，幫助更多人理解比特幣的周邊技術，並建立起BitVM體係以適應系統性認知。
MATT與承諾：BitVM的基礎思想
首先我們要強調，BitVM基礎概念是MATT，意義是Merkleize All The Things，主要指透過Merkle Tree這種樹狀圖的資料來源來展示的程式執行過程，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，但不會在我們的BTC鏈上發布，因為這個鏈的整體規模非常龐大。採用MATT的只是鏈下的Merkle樹中儲存的數據，只把Merkle樹最頂端的摘要（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執行所需的資料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）
MATT方案下，只有尺寸極小的Merkle Root儲存在鏈上，Merkle Tree包含多個儲存空間儲存在鏈下，這用我們發現了一個被稱為「承諾」的想法。這裡解釋了什麼是「承諾」。
承諾類似於一種簡潔的聲明，能夠使我們理解為批次資料壓縮後所得到的「指紋」。一般而言，在鏈上發布「承諾」的人會表示，某些人提交的鏈下數據是準確無誤的，這些鏈下數據要對應一個簡潔的聲明，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”，還有KZG承諾或Merkle Tree等。在第2層慣用的詐欺證明協議中，資料發布者會在鏈下發布的完整資料中心化，在鏈上發布資料集內進行承諾。人們發現鏈下的資料中心化存在無效數據，就會針對鏈上資料承諾進行挑戰。
透過承諾（承諾），二層能夠將大量資料壓縮處理，只在比特幣上發布其「承諾」。當然，也要保證發佈在其他國家的資料中心聽到的觀測到。
目前幾大BitVM方案如BitVM0、BitVM1、BitVM2和BitVMX，基本上都應遵循這樣的抽象結構：
1.程式分解與承諾：首先將程式分解為大量的、基礎的操作碼（編譯），然後把這些操作碼在具體時產生的痕跡記錄（說白了就是程式運行在CPU和記憶體中，整個狀態變化記錄，稱為Trace）。之後，我們包含Trace和操作碼都引入到所有資料進行整理，組織成一個資料集，然後產生該資料集。
具體的承諾函數可以有多種形式，如：Merkle樹、PIOP（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先簽名的形式，把一定金額的資產確定在鏈上，並且會有限制條件。這些條件將針對未來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的者的資產拿走
3.數據和承諾發布：數據發布者在鏈上發布承諾，發布者概要，並檢查是否有任何錯誤。鏈上發布保證金的有效性。
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，請確保把這部分資料放到鏈上去直接驗證（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，數據發布者肯定在鏈下提供了無效的數據，它的資產就會被挑戰他的驗證者拿走。
總結就是，資料發布者Alice在鏈下公開二層交易過程中產生的所有疑問，把對應的承諾放到鏈上。如果你要證明部分數據有誤，請向比特幣保證金和鏈上證明金相關，然後與Alice本人公開的比特幣保證金確定這部分數據有錯誤。
現在我們大致了解了BitVM的核心思想，所有的BitVM變體基本上都脫離了上述的範式。那麼接下來，讓我們開始學習並了解上述流程中一些重要的技術，首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，就連最基本的轉帳行為都在下面一系列概念，包括UTXO（未支出交易輸出）鎖定腳本（稱為ScriptPubKey）和解鎖腳本（稱為ScriptSig ）。我們先對這幾個主要概念進行講解。
（本文由比特幣基金會提供）
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，本文以以太坊為基礎，資產餘額只是名下的一個數字；比特幣的資產表達形式更像黃金，每塊黃金（UTXO）都會標記主人，轉帳起初把舊的UTXO銷毀，把新的UTXO產生（主人會變更）。
BitcoinUTXO包含兩個關鍵字段：
數量，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的所有權透過固定腳本來表達的，如果你要把自己的UTXO轉讓給Sam，可以發起交易分發自己的某個UTXO，把新產生的UTXO的解鎖條件寫為「只有Sam可解鎖」。
之後，Sam如果要建立基本的比特幣，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。如果解鎖腳本和初始鎖定腳本匹配，Sam就可以解鎖並將這些比特幣再給別人。
（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，對外公開鎖定腳本的內容。
例如，在一筆交易的輸入中，你證明自己是Sam，和別人給你的多個UTXO解鎖，統一銷毀，再生成多個新的UTXO並聲明讓xxx在接下來的去解鎖。
具體而言，在交易的輸入資料中，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帳戶兩種帳戶來儲存數據，資產餘額作為數字，記錄在合約帳戶或EOA帳戶名下，統一被稱為「世界狀態」的資料庫，轉帳時從一開始就對特定帳戶進行修改，便可用於定位到資料的儲存位置；
比特幣沒有世界地位的設計，資產數據去中心化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資訊還需要過去哪筆交易的輸出中，出示這筆交易的ID（就是它的哈希值），讓比特幣節點去歷史記錄中。如果要某個地址的比特幣餘額，則需要從頭遍歷所有區塊，尋找和xx地址關聯的UTXO。
平時用手機刷分，可以快速查明帳戶餘額，方便快速地取得資金，很多時候，銀行帳戶餘額被盜用…
（當你產生匯率交易聲明把自己的UTXO送給別人時，要根據這些UTXO所屬的交易所hash/ID來標記出該UTXO在比特幣檔案中的位置）
有意義的是，比特幣交易的結果是在鏈下計算完成，用戶在本地設備上產生交易時，就要直接把輸入和輸出全部創建好，相當於把交易的輸出結果計算完了。交易在廣播到比特幣系統中，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）。在Pay-to-Script-Hash（P2SH）交易類型中，你可以將UTXO鎖定腳本發送給一個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
這裡我們先以P2PKH為案例介紹比特幣腳本的觸發方式，只有了解了它的觸發方式才能了解更為廣泛的Taproot和BitVM。 P2PKH全名為“Pay to Public Key Hash”，在這種方案下，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，並確定腳本中指定的公鑰哈希能對上號，也就是說，要確定解鎖人提交的「鑰匙」和UTXO預設的「鎖」彼此配對。
進一步說，P2PKH方案下，比特幣比特幣節點交易後，將把用戶給出的解鎖ScriptSig，與要解鎖的UTXO的鎖定ScriptPubkey拼接在一起，放在BTC的環境裡。下圖給了拼接結果:
各種讀者並不了解BTC的執行環境，這裡我們進行的是簡單的介紹。首先，BTC包含兩種元素:
這些數據和操作碼。我建議您按照以下順序操作碼，然後按照指定邏輯順序輸入最終結果（此處未說明讀者可自行查看原文）。
以上圖為例，左側是上傳的解鎖腳本ScriptSig，包含他的數位簽章和公鑰，而右側的鎖定腳本Pubkey中，包含UTXO創建者產生該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歷史，估計個大概即可）。
上圖右側的鎖定腳本中的DUP、HASH160、EQUALVERIFY等操作碼，負責把亞馬遜的解鎖腳本中攜帶的公鑰取哈希，和鎖定腳本中預設的公鑰哈希做對比，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，便通過了第一道驗證。
但是，有一個問題，UTXO目標腳本其實是在鏈上公開的，我能看到小甜心的公鑰哈希，誰都可以上傳相應的公鑰，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。目標腳本中的CHECKSIG操作碼，就是負責驗證數位簽章。
類型：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，且交易數字簽名正確，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來源：https://learnmeabitcoin.com/technical/script ）
當然，比特幣鎖定支援多種交易類型，不僅包括支付給公鑰/公鑰哈希，還有P2SH（支付給腳本哈希）等，一切都取決於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，鎖定腳本中可以預定一個腳本哈希，而解鎖腳本需要把腳本哈希對應的腳本內容完整提交上來。比特幣區塊鏈可以執行此腳本，如果此腳本裡配置多簽驗證的邏輯，就可以在比特幣鏈上實現多簽驗證的效果。
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，只要雙方都知道此Script的內容，那麼我們就可以實現比多簽更複雜的業務邏輯。
您需要登入才能繼續使用UTXO，否則將無法繼續使用UTXO。
我們會確保所有區塊的金鑰hash/hash都正確，並且確保所有區塊的金鑰hash都正確，這樣我們就可以確保所有區塊的金鑰hash都正確。
隔離證與證人
當我們了解了P2SH的想法之後，便和BitVM所依賴的Taproot又更近了一步。但在此之前，我們要先了解一個重要的概念：見證和隔離見證。
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到的部分（生成簽名的參數不能包含簽名本身），所以數位簽名只能覆蓋解鎖腳本之外的部分，也就是與交易資料的所有者建立聯繫，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臨時用戶使用，也不會對交易結果造成太大影響。比方說，比特幣或比特幣礦池可以在交易的解鎖腳本中，塞入其他數據，在不影響交易結果的前提下，交易數據也發生了變化，最終交易哈希/交易ID也會改變。這被稱為交易的延展性問題。
這使得運作效率低下，如果您打算發起多筆交易，並且有次要依賴關係（例如，3個交易對手退出，2個交易對手退出），那麼首先要創建的交易平台是比特幣交易平台，然後是比特幣礦工，最後是比特幣礦工可以預先創建多筆交易以創建區塊鏈服務。
實際上，在DLC橋和BitVM2的方案中，會大量建構有開始和結束的交易所，所以前面提到的場景並不少見。
簡單來說，交易延遲問題是因為交易的ID/hash在計算時，會把包含的交易數據解鎖，而比特幣節點等中間人可以微調解鎖腳本，導致交易ID與用戶預期的不匹配。其實這是在早期設計時考慮不留下歷史包袱。
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做「OP_0」的操作碼，幫忙標記；而對應的解鎖腳本，從SigScript更名為Witness（見證）。
當然我們不需要想的太複雜，P2WSH的功能和前面提到的P2SH並無本質通信，你應該先在UTXO指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多程式碼，透過常規的方法，無法把腳本提交到比特幣區塊（每個區塊都有大小寫）呢？那就需要藉助Taproot，針對腳本內容進行精簡處理，而BitVM正是基於Taproot所建構的複雜程式。
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