极简解读BitVM：如何在BTC链上验证欺诈证明（执行EVM或其他VM的操作码）
作者：雾月 & Faust，极客web3
顾问：Kevin He, BitVM 中文社区发起人，ex Web3 Tech Head@Huobi
导语：目前，比特币Layer2已经成为一股热潮，市面上自我定位为“比特币Layer2”的项目，据说已有数十家。其中，不少自封为“Rollup”的比特币Layer2，声称采用了BitVM白皮书提出的方案，使得BitVM成为比特币生态的显学。
但无奈的是，目前大多数关于BitVM的文字资料，都未能通俗的解释其原理。
本文是我们读过了BitVM只有8页的白皮书后，查阅了与Taproot、MAST树、Bitcoin Script相关的资料后，得出的简单总结。为了便于读者理解，其中一些表达方式与BitVM白皮书中阐述的内容不同，我们假定读者对Layer2有一些了解，并能够理解“欺诈证明”的简单思想。
先几句话概括BitVM的思路：无需on chain的数据，先在链下发布并存储，链上只存放Commitment（承诺）。
发生挑战/欺诈证明时，我们只把需要上链的数据on chian，证明其与链上的Commitment存在关联。之后，BTC主网再校验这些on chian的数据是否有问题，数据生产者（处理交易的节点）是否有作恶行为。这一切都遵循奥卡姆剃刀原则——“若非必要，勿增实体”（能少on chain，就少on chain）。
正文：所谓的基于BitVM的BTC链上欺诈证明验证方案，通俗总结：
1.首先，计算机/处理器，是一个由大量逻辑门电路组合成的输入-输出系统。BitVM的核心思路之一，是用Bitcoin Script（比特币脚本），模拟出逻辑门电路的输入-输出效果。
只要能模拟出逻辑门电路，理论上就可以实现图灵机，完成所有可计算任务。也就是说，只要你人多钱多，就可以召集一帮工程师，帮你用功能简陋的Bitcoin Script代码，先模拟出逻辑门电路，再用巨量的逻辑门电路实现EVM或是WASM的功能。
（此截图来自于一款 教学游戏：《图灵完备》 ，其中最核心的内容，就是用逻辑门电路尤其是与非门，搭建出完整的CPU处理器）
有人曾将BitVM的思路比作：在《我的世界》里，用红石电路做一个M1处理器。或者说，相当于用积木撘出来纽约帝国大厦。
（据说，这是有人花了一年时间，在《我的世界》里搭出来的“处理器”）
2. 那么，为什么非要用Bitcoin Script模拟EVM或WASM？这样不是很麻烦吗？这是因为大多数比特币Layer2往往选择支持Solidity或Move等高级语言，而目前可以直接在比特币链上运行的，是Bitcoin Script这种简陋的、由一堆独特操作码组成的、非图灵完备的编程语言。
（一段Bitcoin Script代码示例）
如果比特币Layer2打算像Arbitrum等以太坊Layer2一样，在Layer1上验证欺诈证明，极大程度继承BTC安全性，需要在BTC链上直接验证“某笔有争议的交易”或“某个有争议的操作码”。如此一来，就要把Layer2采用的Solidity语言 / EVM对应的操作码，放在比特币链上重新跑一遍。问题归结为：
用Bitcoin Script这种比特币native的简陋编程语言，实现出EVM或其他虚拟机的效果。
所以，从编译原理的角度去理解BitVM方案，它是把EVM / WASM / Javascript操作码，转译为Bitcoin Script的操作码，逻辑门电路作为“ EVM 操作码 ——> Bitcoin Script操作码”两者之间的一种中间形态（IR）。
Anyway，最终模拟出的效果是，把原本在EVM / WASM上才能处理的指令，放到比特币链上直接处理 。这个方案虽然可行，但难点在于，如何用大量的逻辑门电路作为中间形态，表达出所有的EVM / WASM 操作码op code。而且，用逻辑门电路的组合，直接表达某些极为复杂的交易处理流程，可能产生巨大的工作量。
3.下面说下BitVM白皮书中提到的另一个核心，也就是与Arbitrum高度相似的“交互式欺诈证明”。
交互式欺诈证明会涉及到一个称为assert（断言）的词，一般而言，Layer2的提议者Proposer（往往由排序器充当），会在Layer1上发布assert断言，声明某些交易数据、状态转换结果，是有效无误的。
如果有人认为Proposer提交的assert断言有问题（关联的数据有误），就会发生争议。此时，Proposer和Challenger会回合式的交换信息，并对有争议的数据进行二分法查找，快速定位到某个粒度极细的操作指令，及其关联的数据片段。
对这个有争议的操作指令（OP Code），需要连带其输入参数在Layer1上直接执行，并对输出结果作出验证（Layer1节点会把自己计算得到的输出结果，与Proposer之前发布的输出结果进行对比）。在Arbitrum里，这被称为“单步欺诈证明”。参考资料：前Arbitrum技术大使解读Arbitrum的组件结构（上）
（Arbitrum的交互式欺诈证明流程图，阐述的比较粗糙）
到了这里，单步欺诈证明的思路很好理解了：绝大多数发生在Layer2的交易指令，不需要在BTC链上重新验证。但其中某个有争议的数据片段/操作码，在被人挑战时要在Layer1重放一遍。
如果检测结论为：Proposer之前发布的数据有问题，则Slash掉Proposer质押的资产；如果是Challenger有问题，则Slash掉Challenger质押的资产。如果Prover长时间不响应挑战，也可以被Slash。
Arbitrum通过以太坊上的合约来实现上述效果，BitVM则要借助Bitcoin Script实现时间锁、多签等功能。
4.简单讲完“交互式欺诈证明”与“单步欺诈证明”后，我们将谈及MAST树和Merkle Proof。
前面谈到，BitVM方案中，不会将Layer2在链下处理的大量交易数据/涉及的巨量逻辑门电路 直接on chain，只在必要时刻将极少数据/逻辑门电路on chian。
但是，我们需要某种方式，证明这些“原本在链下，现在要on chain”的数据，不是随手捏造的，这就是密码学中常提到的Commitment。Merkle Proof就是Commitment的一种。
首先，我们说下MAST树。MAST树全名为Merkelized Abstract Syntax Trees，是把编译原理里涉及的AST树，转化为Merkle Tree之后的形态。
那么，AST树又是什么？它的中文名是“抽象语法树”，简单的讲，就是把一段复杂的指令，通过词法分析，细分为一堆基础的操作单元，然后组织为一棵树状的数据结构。
而MAST树，就是把AST树Merkle化，以支持Merkle Proof。Merkle树有一个好处，就是它可以实现高效率的“数据压缩”。比如，你想在必要时，将Merkle树上的某段数据发布到BTC链上，但又要让外界确信，这个数据片段确实存在于Merkle树上，而不是你“随手拈来”的，怎么办？
你只要事先将Merkle树的Root记录在链上，在未来出示Merkle Proof，证明某段数据，存在于Root对应的Merkle树上，就行。
（Merkle Proof/Branch与Root之间的关系）
所以，无需将完整的MAST树存放在BTC链上，只需要提前披露其Root充当Commitment，在必要时出示 数据片段 + Merkle Proof /Branch即可。这种可以极大程度压缩on chain的数据量，且能保证on chain数据真的存在于MAST树上。而且，仅在BTC链上公开小部分数据片段+Merkle Proof，而不是公开所有数据，能起到很好的隐私保护效果。
参考资料：数据扣留与欺诈证明：Plasma不支持智能合约的原因BitVM的方案，尝试把所有的逻辑门电路用比特币脚本表达出来，再组织成一个巨大的MAST树，这棵树最底下的叶子leaf（图中的Content），就对应着用比特币脚本实现的逻辑门电路。
Layer2的Proposer，会频繁的在BTC链上发布MAST树的root，每棵MAST树，都关联着一笔交易，涉及其所有的 输入参数 / 操作码 / 逻辑门电路。某种程度上，这类似于Arbitrum的Proposer在以太坊链上发布Rollup Block。
当争议发生时，挑战者在BTC链上声明，自己要挑战Proposer发布的哪个Root，然后要求Proposer揭示Root对应的某段数据。之后，Proposer出示默克尔证明，反复在链上披露MAST树的小部分数据片段，直到和挑战者共同定位到有争议的逻辑门电路。之后就可以执行Slash。
（图源：https://medium.com/crypto-garage/deep-dive-into-bitvm-computing-paradigm-to-express-turing-complete-bitcoin-contracts-1c6cb05edfca）
5. 到这里，BitVM整个方案最重要的部分基本讲完，虽然其中某些细节还是有点晦涩，但相信读者已经可以get到BitVM的精华与要旨。至于其白皮书里提到的bit value commitment，是为了防止Proposer在被挑战并被迫在链上验证逻辑门电路时，给该逻辑门的输入值“既赋值0，又赋值1”，产生二义性混乱。
总结：BitVM的方案，先用比特币脚本表达逻辑门电路，再用逻辑门电路表达EVM/其他VM的操作码，再用操作码表达任意一条交易指令的处理流程，最后组织成merkle tree/MAST树。
这样的一棵树，如果表达的交易处理流程很复杂，很容易破1亿个leaf，所以要尽量缩减Commitment占用的区块空间，以及欺诈证明波及的范围。
虽然单步欺诈证明，只需要onchain极小的一段数据和逻辑门脚本，但完整的Merkle Tree要长期存储在链下，以备有人挑战时，可以随时onchain树上的数据。
Layer2每笔发生的交易，都会产生一个大号Merkle Tree，节点的计算和存储压力可想而知，大多数人可能不愿意去运行节点（但这些历史数据可以被过期淘汰，而B^2 network专门引入类似Filecoin的zk存储证明，激励存储节点长期保存历史数据）
不过，基于欺诈证明的乐观Rollup，本身也不需要有太多节点，因为其信任模型是1/N，只要N个节点中有1个是诚实的，能够在关键时刻发起欺诈证明，Layer2网络就是安全的。
但是，基于BitVM的Layer2方案设计中，还存在许多挑战，比如：
1）理论上说，为了进一步压缩数据，不必直接在Layer1验证操作码，可以将操作码的处理流程再度压缩为zk proof，让挑战者对zk proof的验证步骤进行挑战。这样可以大幅度压缩on chain的数据量。但具体的开发细节会很复杂。
2）Proposer和Challenger要在链下反复产生交互，协议该如何设计，Commitment和挑战过程，该如何在处理流程上进一步优化，需要消耗很多脑细胞。
参考文献：
1.BitVM白皮书
https://bitvm.org/bitvm.pdf
2.Deep dive into BitVM -Computing paradigm to express Turing-complete Bitcoin contracts-
https://medium.com/crypto-garage/deep-dive-into-bitvm-computing-paradigm-to-express-turing-complete-bitcoin-contracts-1c6cb05edfca
3.Merkelized Abstract Syntax Trees
https://hashingit.com/elements/research-resources/2014-12-11-merkelized-abstract-syntax-trees.pdf
4.数据扣留与欺诈证明：Plasma不支持智能合约的原因https://mp.weixin.qq.com/s/oOPZqIoi2p6sCxBdfUP4eA
5.前Arbitrum技术大使解读Arbitrum的组件结构（上）