走近BTC：詳解BitVM所需的背景知識

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《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。

正文：

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在後面幾次演講和訪談中，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。
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序及其數據處理痕跡，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
• 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）

 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所得到的「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.程序分解與承諾：先將複雜的程式分解成大量的、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（說白了就是一段程式跑在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數據有誤，先向比特幣節點證明這部分數據和鏈上的承諾相關聯，也就是證明這些數據是Alice本人對外公開的，然後讓比特幣節點確定這部分數據有錯誤。

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，轉帳其實就是把舊的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，把新生成的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，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就可以解鎖並把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地址關聯的未解鎖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，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）並不直接記錄哪些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，會批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做「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。