一文詳解比特幣虛擬機BitVM所需的背景知識！對于大多數(shù)人而言，要理解BitVM和比特幣二層相關(guān)的技術(shù)名詞絕非易事，因為你要先對其周邊的基礎(chǔ)知識有系統(tǒng)性的理解，尤其是比特幣腳本和Taproot等背景知識。目前網(wǎng)上已有的參考資料要么篇幅太長廢話連篇，要么解釋的不夠透徹讓人似懂非懂。我們致力于解決上述問題，力求以盡可能清晰的語言，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(tǒng)性認知。需要的朋友一起看看吧！

BitVM前言

近期Delphi Digital發(fā)布了題為《The Dawn of Bitcoin Programmability: Paving the Way for Rollups 》的比特幣二層相關(guān)技術(shù)研報，系統(tǒng)的梳理了和比特幣Rollup有關(guān)的核心概念，如BitVM全家桶、OP_CAT和Covenant限制條款、比特幣生態(tài)DA層、橋以及Bitlayer、Citrea、Yona、Bob等四大采用BitVM的比特幣二層。

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

我們將與Bitlayer研究團隊及BitVM中文社區(qū)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，致力于為更多人祛魅比特幣二層相關(guān)技術(shù)，幫更多愛好者鋪平道路。

幾個月前，ZeroSync負責人Robin Linus發(fā)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(shù)的進展?？梢哉f這是比特幣生態(tài)最具革命性的創(chuàng)新之一，引爆了整個比特幣二層生態(tài)，吸引了如Bitlayer、Citrea、BOB等明星項目的參與，為整個市場帶來了生機。

之后，更多研究人員參與改進了BitVM，先后推出了BitVM1、BitVM2、BitVMX、BitSNARK等不同的迭代版本。其大致情況如下所示：

• Robin Linus于去年最先提出的BitVM實現(xiàn)白皮書，就是基于虛構(gòu)邏輯門電路的BitVM實現(xiàn)方案，被稱為BitVM0；
• Robin Linus在后面幾次演講和采訪中，又非正式的介紹了基于虛構(gòu)CPU的BitVM方案（稱為BitVM1），類似于Optimism的欺詐證明系統(tǒng)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還提出了BitVM2，一個Permissionless的單步非交互式欺詐證明協(xié)議。
• Rootstock Labs和Fairgate Labs的成員發(fā)布了BitVMX白皮書，與BitVM1類似，他們希望通過比特幣腳本模擬出通用CPU的效果（在鏈下）。

目前BitVM相關(guān)開發(fā)者生態(tài)的建設(shè)日漸明朗，周邊工具的迭代完善也已肉眼可見，相比于去年，如今的BitVM生態(tài)已經(jīng)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(fā)者和VC爭相涌入比特幣生態(tài)。

但對于大多數(shù)人而言，要理解BitVM和比特幣二層相關(guān)的技術(shù)名詞絕非易事，因為你要先對其周邊的基礎(chǔ)知識有系統(tǒng)性的理解，尤其是比特幣腳本和Taproot等背景知識。目前網(wǎng)上已有的參考資料要么篇幅太長廢話連篇，要么解釋的不夠透徹讓人似懂非懂。我們致力于解決上述問題，力求以盡可能清晰的語言，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(tǒng)性認知。

MATT和承諾：BitVM的基礎(chǔ)思想

首先我們要強調(diào)，BitVM的基礎(chǔ)思想是MATT，含義是Merkleize All The Things，主要指通過Merkle Tree這種樹狀的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)來展示復雜的程序執(zhí)行過程，設(shè)法讓比特幣Native的驗證欺詐證明。

MATT雖然可以表達出一段復雜程序及其數(shù)據(jù)處理痕跡，但不會直接在BTC鏈上發(fā)布這些數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)的總體規(guī)模非常龐大。采用MATT的方案只在鏈下的Merkle樹中存儲數(shù)據(jù)，只把Merkle樹最頂部的摘要（Merkle Root）發(fā)布到鏈上。這棵Merkle樹主要包含三大核心內(nèi)容：

• 智能合約腳本代碼
• 合約所需的數(shù)據(jù)
• 合約執(zhí)行中留下的痕跡（智能合約在EVM等虛擬機中執(zhí)行時對內(nèi)存、CPU寄存器產(chǎn)生的變更記錄）

（一個簡單的Merkle Tree默克爾樹示意圖 其Merkle Root是由圖中底部的8個數(shù)據(jù)片段經(jīng)過多層hash計算得到的）

MATT方案下，只有尺寸極小的Merkle Root存儲在鏈上，Merkle Tree包含的完整數(shù)據(jù)集存儲在鏈下，這用到了一種被稱為“承諾”的思路。這里解釋下什么是“承諾”（Commitment）。

承諾類似于一種簡潔化的聲明，我們可以把它理解為一大批數(shù)據(jù)壓縮后得到的“指紋”。一般而言，在鏈上發(fā)布“承諾”的人會聲稱，某些存放在鏈下的數(shù)據(jù)是準確無誤的，這些鏈下數(shù)據(jù)要對應一個簡潔化的聲明，這個聲明就是“承諾”。

在某些時候，數(shù)據(jù)的hash可以作為對數(shù)據(jù)本身的“承諾”，其他的承諾方案還有KZG承諾或Merkle Tree等。在Layer2慣用的欺詐證明協(xié)議中，數(shù)據(jù)發(fā)布者會在鏈下發(fā)布完整數(shù)據(jù)集，在鏈上發(fā)布數(shù)據(jù)集的承諾。如果有人發(fā)現(xiàn)鏈下的數(shù)據(jù)集中存在無效數(shù)據(jù)，就會針對鏈上的數(shù)據(jù)承諾進行挑戰(zhàn)。

通過承諾（Commitment），二層能夠把大量數(shù)據(jù)壓縮處理，只在比特幣鏈上發(fā)布其“承諾”。當然，還要保證發(fā)布在鏈下的完整數(shù)據(jù)集可以被外界觀測到。

目前幾大 BitVM方案如BitVM0、BitVM1、BitVM2和BitVMX，基本都采用了類似的抽象結(jié)構(gòu)：

1.程序分解和承諾：首先將復雜的程序分解為大量的、較基礎(chǔ)的操作碼（編譯），然后把這些操作碼在具體執(zhí)行時產(chǎn)生的痕跡記錄下來（說白了就是一段程序跑在CPU和內(nèi)存中時，整個的狀態(tài)變化記錄，稱為Trace）。之后，我們對包括Trace和操作碼在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進行整理，組織成一個數(shù)據(jù)集，然后生成該數(shù)據(jù)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算法）、哈希函數(shù)

2.資產(chǎn)質(zhì)押和預簽名：數(shù)據(jù)發(fā)布者和驗證者需要通過預簽名的形式，把一定金額的資產(chǎn)鎖定在鏈上，并且會有限制條件。這些條件會針對未來可能發(fā)生的情況而針對性的觸發(fā)，如果數(shù)據(jù)發(fā)布者作惡，驗證者可以提交證明把數(shù)據(jù)發(fā)布者的資產(chǎn)拿走

3.數(shù)據(jù)和承諾發(fā)布：數(shù)據(jù)發(fā)布者在鏈上發(fā)布承諾，鏈下發(fā)布完整的數(shù)據(jù)集，驗證者檢索數(shù)據(jù)集并檢查是否有任何錯誤。鏈下數(shù)據(jù)集中的每個部分都與鏈上的承諾有關(guān)聯(lián)性。

4.挑戰(zhàn)和懲罰：一旦驗證者發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布者提供的數(shù)據(jù)有錯誤，它會把這部分數(shù)據(jù)拿到鏈上去直接驗證（要先把這部分數(shù)據(jù)切的特別細），這就是欺詐證明的邏輯。如果驗證結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)發(fā)布者的確在鏈下提供了無效數(shù)據(jù)，它的資產(chǎn)就會被挑戰(zhàn)他的驗證者拿走。

總結(jié)下就是，數(shù)據(jù)發(fā)布者Alice在鏈下公開二層交易執(zhí)行過程中產(chǎn)生的所有痕跡，把對應的承諾發(fā)布到鏈上。如果你要證明某部分數(shù)據(jù)有誤，先向比特幣節(jié)點證明這部分數(shù)據(jù)和鏈上的承諾相關(guān)聯(lián)，也就是證明這些數(shù)據(jù)是Alice本人對外公開的，然后讓比特幣節(jié)點確定這部分數(shù)據(jù)有錯誤。

現(xiàn)在我們大致理解了BitVM的整體思路，所有的BitVM變體基本都脫離不了上述范式。那么接下來，讓我們開始學習和理解上述流程中用到的一些重要技術(shù)，先從最基礎(chǔ)的比特幣腳本和Taproot以及預簽名開始。

什么是Bitcoin Script腳本

比特幣相關(guān)的知識要比以太坊的更難理解，就連最基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)賬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。

（一段比特幣腳本代碼的示例 由比高級語言更底層的操作碼組成 ）

以太坊的資產(chǎn)表達方式，更像支付寶或者微信，每次轉(zhuǎn)賬只是對不同賬戶的余額做加減法，這種方法是以賬戶為核心，資產(chǎn)余額只是賬戶名下的一個數(shù)字；比特幣的資產(chǎn)表達形式更像黃金，每塊黃金（UTXO）都會標記出主人，轉(zhuǎn)賬實際上是把舊的UTXO銷毀，把新的UTXO產(chǎn)生（主人會變更）。

比特幣UTXO包含兩個關(guān)鍵字段：

數(shù)額，以“聰（satoshi）”為單位（一億聰為一BTC）；

鎖定腳本，也稱 “腳本公鑰（ScriptPubKey）”，會定義UTXO的解鎖條件。

需要注意的是，比特幣UTXO的所有權(quán)是通過鎖定腳本來表達的，如果你要把自己的UTXO轉(zhuǎn)讓給Sam，可以發(fā)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”。

之后，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(shù)字簽名，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就可以解鎖并把這些比特幣再轉(zhuǎn)給別人。

（解鎖腳本要和鎖定腳本相匹配才行）

從表現(xiàn)形式的角度看，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，并提交解鎖腳本，解鎖并銷毀該UTXO；Output中會展示新生成的UTXO信息，對外公示鎖定腳本的內(nèi)容。

比如，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(tǒng)一銷毀，再生成多個新的UTXO并聲明讓xxx在未來去解鎖。

具體而言，在交易的Input數(shù)據(jù)中，你要聲明自己要解鎖哪些UTXO，并指出這些UTXO數(shù)據(jù)的“存儲位置”。這里要注意，比特幣和以太坊截然不同，以太坊提供了合約賬戶和EOA賬戶兩種賬戶來存儲數(shù)據(jù)， 資產(chǎn)余額作為數(shù)字，記錄在合約賬戶或EOA賬戶名下，統(tǒng)一放置在名為“世界狀態(tài)”的數(shù)據(jù)庫中，轉(zhuǎn)賬時直接從“世界狀態(tài)”中對特定賬戶進行修改，便于定位到數(shù)據(jù)的存儲位置；

比特幣沒有世界狀態(tài)的設(shè)計，資產(chǎn)數(shù)據(jù)分散存儲在過往的區(qū)塊中（就是未解鎖的UTXO數(shù)據(jù)，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信息存在于過去哪筆交易的Output中，出示這筆交易的ID（就是其hash），讓比特幣節(jié)點去歷史記錄中尋找。如果要查詢某個地址的比特幣余額，需要從頭遍歷所有區(qū)塊，找出和xx地址關(guān)聯(lián)的未解鎖UTXO。

平時用比特幣錢包時，可以快速檢查某地址擁有的比特幣余額，很多時候是因為錢包服務自身通過掃描區(qū)塊，對所有地址建立了索引，方便我們快速查詢。

（當你生成一筆交易聲明把自己的UTXO送給別人時，要根據(jù)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）

有意思的是，比特幣交易的結(jié)果是在鏈下計算完成的，用戶在本地設(shè)備上生成交易時，就要直接把Input和Output全部創(chuàng)建好，相當于把交易的輸出結(jié)果計算完了。交易在廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，被節(jié)點驗證后才上鏈。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?yún)?shù)，交易結(jié)果由以太坊節(jié)點計算并輸出。

此外，UTXO的鎖定腳本（Locking Script）是可以自定義的，你可以把UTXO設(shè)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(shù)字簽名和公鑰（P2PKH）。而在Pay-to-Script-Hash（P2SH）交易類型中，你可以在UTXO鎖定腳本中添加一個Script Hash，誰能提交這個Hash對應的腳本原像，并滿足該腳本原像中預設(shè)的條件，就可以解鎖UTXO。BitVM所依賴的Taproot腳本，用到了類似于P2SH的特性。

比特幣腳本怎么觸發(fā)

這里我們先以P2PKH為案例介紹比特幣腳本的觸發(fā)方式，只有理解了其觸發(fā)方式才能理解更為復雜的Taproot和BitVM。P2PKH全稱“Pay to Public Key Hash”，在這種方案下，UTXO的鎖定腳本中會設(shè)置一個公鑰hash，解鎖時需要提交對應該hash的公鑰，這和常規(guī)的比特幣轉(zhuǎn)賬思路基本一致。

此時，比特幣節(jié)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(shè)的“鎖”彼此匹配。

進一步說，P2PKH方案下，比特幣節(jié)點收到交易后，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(zhí)行環(huán)境內(nèi)執(zhí)行。下圖給出執(zhí)行前的拼接結(jié)果:

可能讀者并不了解BTC的腳本執(zhí)行環(huán)境，此處我們進行簡單介紹。首先，BTC腳本包含兩種元素:

數(shù)據(jù)和操作碼。這些數(shù)據(jù)和操作碼會按照從左到右的順序，依次壓入棧內(nèi)按照指定邏輯來執(zhí)行，得到最終結(jié)果（關(guān)于什么是棧 此處不展開詳述 讀者可以自行Chatgpt）。

以上圖為例，左側(cè)是某人上傳的解鎖腳本ScriptSig，包含他的數(shù)字簽名和公鑰，而右側(cè)的鎖定腳本ScriptPubkey中，包含UTXO創(chuàng)建者生成該UTXO時設(shè)置的一段操作碼和數(shù)據(jù)（此處我們不需要了解每個操作碼的含義，理解個大概即可）。

上圖中右側(cè)的鎖定腳本中的DUP、HASH160、EQUALVERIFY等操作碼，負責把左側(cè)的解鎖腳本中攜帶的Public key取哈希，和鎖定腳本中預設(shè)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(shè)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(nèi)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后，還要驗證交易發(fā)起人是否真是該公鑰的實際控制者，這就要對數(shù)字簽名進行核驗。鎖定腳本中的CHECKSIG操作碼，就是負責驗證數(shù)字簽名的。

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

（這個圖是動態(tài)的：P2PKH方案下比特幣解鎖腳本示意圖 來源：https://learnmeabitcoin.com/technical/script ）

當然，比特幣網(wǎng)絡(luò)中支持多種交易類型，不只有Pay to public key/public key hash，還有P2SH（Pay to Script hash）等，一切取決于UTXO創(chuàng)建時自定義的鎖定腳本被設(shè)置成什么樣。

這里需要注意的是，P2SH方案下，鎖定腳本中可以預設(shè)一個Script Hash，而解鎖腳本需要把Script Hash對應的腳本內(nèi)容完整提交上來。比特幣節(jié)點可以執(zhí)行這段腳本，如果這段腳本里定義了多簽驗證的邏輯，就可以在比特幣鏈上實現(xiàn)多簽錢包的效果。

當然，P2SH方案下，UTXO創(chuàng)建者要讓未來解鎖UTXO的人事先知道Script Hash對應的腳本內(nèi)容，只要雙方都知道這段Script的內(nèi)容，那么我們就可以實現(xiàn)比多簽更復雜的業(yè)務邏輯。

這里要說明一點，比特幣鏈上（區(qū)塊）并不直接記錄哪些UTXO和哪些地址關(guān)聯(lián)，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(jù)公鑰hash/腳本hash可以快速算出對應的地址（錢包界面顯示的那一段像亂碼的東西）。

我們之所以能在區(qū)塊瀏覽器和錢包界面看到xx地址下有xx數(shù)額的比特幣，是因為區(qū)塊瀏覽器和錢包項目方幫你解析了這些數(shù)據(jù)，會掃描所有區(qū)塊并根據(jù)鎖定腳本中聲明的公鑰hash/腳本hash，計算出對應的“地址”，然后顯示出xx地址名下有多少比特幣。

隔離見證與Witness

當我們理解了P2SH的思路后，便和BitVM所依賴的Taproot更近一步了。但在此之前，我們要了解一個重要的概念：Witness和隔離見證。

復盤前面講到的解鎖腳本和鎖定腳本，以及UTXO解鎖流程，會發(fā)現(xiàn)一個問題：交易的數(shù)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(shù)不能包含簽名本身），所以數(shù)字簽名只能覆蓋解鎖腳本之外的部分，也就是只能與交易數(shù)據(jù)的主干部分建立關(guān)聯(lián)，不能完整的覆蓋交易數(shù)據(jù)。

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(jié)果。比如說，比特幣節(jié)點或礦池可以在交易的解鎖腳本中，塞入其他數(shù)據(jù)，在不影響驗簽和交易結(jié)果的前提下，使得交易數(shù)據(jù)發(fā)生細微變化，最后算出的交易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(xù)發(fā)起多筆交易，并且有次序上的依賴關(guān)系（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），那么排后面的交易必然要引用前面交易的ID（hash），礦池或比特幣節(jié)點等任意中間人可以微調(diào)解鎖腳本中的內(nèi)容，使交易上鏈后的hash與你預期的不一致，那么你預先創(chuàng)建好的多筆有次序關(guān)聯(lián)的交易會失效。

實際上，在DLC橋和BitVM2的方案中，會批量構(gòu)建有先后次序關(guān)聯(lián)性的交易，所以前面提到的場景并不少見。

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(shù)據(jù)包含進去，而比特幣節(jié)點等中間人可以微調(diào)解鎖腳本中的內(nèi)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(shè)計時考慮不周留下的歷史包袱。

后來推出的隔離見證/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數(shù)據(jù)包含進去。遵循SegWit升級的UTXO鎖定腳本，會默認在首位設(shè)置一個叫“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(guī)則后，交易延展性問題會被妥善解決，你不需要擔心發(fā)送給比特幣節(jié)點的交易數(shù)據(jù)被微調(diào)。當然我們不需要想的太復雜，P2WSH的功能和前面談到的P2SH并無本質(zhì)差異，你可以在UTXO鎖定腳本中預設(shè)一個腳本哈希，等解鎖腳本的提交者把hash對應的腳本內(nèi)容提交到鏈上并執(zhí)行。

但如果你要實現(xiàn)的腳本內(nèi)容特別龐大，包含特別多的代碼，通過常規(guī)的方法無法把完整的腳本提交到比特幣鏈上（每個區(qū)塊有大小限制）。那怎么辦？這就需要借助Taproot，針對上鏈的腳本內(nèi)容進行精簡化處理，而BitVM正是基于Taproot構(gòu)建出的復雜方案。