撰文：Nickqiao、Faust、Shew Wang，極客 web3
顧問：Bitlayer 研究團隊
摘要：近期 Delphi Digital 發佈了題爲《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 中文社區共同開展一個名爲「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，致力於爲更多人祛魅比特幣二層相關技術，幫更多愛好者鋪平道路。
幾個月前，ZeroSync 負責人 Robin Linus 發佈了名爲《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，吸引瞭如 Bitlayer、Citrea、BOB 等明星項目的參與，爲整個市場帶來了生機。
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。其大致情況如下所示：
Robin Linus 於去年最先提出的 BitVM 實現白皮書，就是基於虛構邏輯門電路的 BitVM 實現方案，被稱爲 BitVM0；
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（稱爲 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。
Robin Linus 還提出了 BitVM2，一個 Permissionless 的單步非交互式欺詐證明協議。
Rootstock Labs 和 Fairgate Labs 的成員發佈了 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 相關開發者生態的建設日漸明朗，周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 爭相涌入比特幣生態。
但對於大多數人而言，要理解 BitVM 和比特幣二層相關的技術名詞絕非易事，因爲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。目前網上已有的參考資料要麼篇幅太長廢話連篇，要麼解釋的不夠透徹讓人似懂非懂。我們致力於解決上述問題，力求以儘可能清晰的語言，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 和承諾：BitVM 的基礎思想
首先我們要強調，BitVM 的基礎思想是 MATT，含義是 Merkleize All The Things，主要指通過 Merkle Tree 這種樹狀的數據存儲結構來展示覆雜的程序執行過程，設法讓比特幣 Native 的驗證欺詐證明。
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 鏈上發佈這些數據，因爲這些數據的總體規模非常龐大。採用 MATT 的方案只在鏈下的 Merkle 樹中存儲數據，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：
智能合約腳本代碼
合約所需的數據
合約執行中留下的痕跡（智能合約在 EVM 等虛擬機中執行時對內存、CPU 寄存器產生的變更記錄）
（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 個數據片段經過多層 hash 計算得到的）
MATT 方案下，只有尺寸極小的 Merkle Root 存儲在鏈上，Merkle Tree 包含的完整數據集存儲在鏈下，這用到了一種被稱爲「承諾」的思路。這裏解釋下什麼是「承諾」（Commitment）。
承諾類似於一種簡潔化的聲明，我們可以把它理解爲一大批數據壓縮後得到的「指紋」。一般而言，在鏈上發佈「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，數據的 hash 可以作爲對數據本身的「承諾」，其他的承諾方案還有 KZG 承諾或 Merkle Tree 等。在 Layer2 慣用的欺詐證明協議中，數據發佈者會在鏈下發布完整數據集，在鏈上發佈數據集的承諾。如果有人發現鏈下的數據集中存在無效數據，就會針對鏈上的數據承諾進行挑戰。
通過承諾（Commitment），二層能夠把大量數據壓縮處理，只在比特幣鏈上發佈其「承諾」。當然，還要保證發佈在鏈下的完整數據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爲大量的、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 和內存中時，整個的狀態變化記錄，稱爲 Trace）。之後，我們對包括 Trace 和操作碼在內的所有數據進行整理，組織成一個數據集，然後生成該數據集的承諾。
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
2.資產質押和預簽名：數據發佈者和驗證者需要通過預簽名的形式，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，如果數據發佈者作惡，驗證者可以提交證明把數據發佈者的資產拿走
3.數據和承諾發佈：數據發佈者在鏈上發佈承諾，鏈下發布完整的數據集，驗證者檢索數據集並檢查是否有任何錯誤。鏈下數據集中的每個部分都與鏈上的承諾有關聯性。
4.挑戰和懲罰：一旦驗證者發現數據發佈者提供的數據有錯誤，它會把這部分數據拿到鏈上去直接驗證（要先把這部分數據切的特別細），這就是欺詐證明的邏輯。如果驗證結果顯示，數據發佈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，數據發佈者 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 變體基本都脫離不了上述範式。那麼接下來，讓我們開始學習和理解上述流程中用到的一些重要技術，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，就連最基礎的轉賬行爲都涉及到一系列概念，包括 UTXO（未花費的交易輸出）、鎖定腳本（也稱爲 ScriptPubKey）和解鎖腳本（也稱爲 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 ）
以太坊的資產表達方式，更像支付寶或者微信，每次轉賬只是對不同賬戶的餘額做加減法，這種方法是以賬戶爲核心，資產餘額只是賬戶名下的一個數字；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，轉賬實際上是把舊的 UTXO 銷燬，把新的 UTXO 產生（主人會變更）。
比特幣 UTXO 包含兩個關鍵字段：
數額，以「聰（satoshi）」爲單位（一億聰爲一 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 的所有權是通過鎖定腳本來表達的，如果你要把自己的 UTXO 轉讓給 Sam，可以發起交易銷燬自己的某個 UTXO，把新生成的 UTXO 的解鎖條件寫爲「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 就可以解鎖並把這些比特幣再轉給別人。
（解鎖腳本要和鎖定腳本相匹配纔行）
從表現形式的角度看，比特幣鏈上的每筆交易都對應着多個 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，解鎖並銷燬該 UTXO；Output 中會展示新生成的 UTXO 信息，對外公示鎖定腳本的內容。
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，統一銷燬，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 數據中，你要聲明自己要解鎖哪些 UTXO，並指出這些 UTXO 數據的「存儲位置」。這裏要注意，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據， 資產餘額作爲數字，記錄在合約賬戶或 EOA 賬戶名下，統一放置在名爲「世界狀態」的數據庫中，轉賬時直接從「世界狀態」中對特定賬戶進行修改，便於定位到數據的存儲位置；
比特幣沒有世界狀態的設計，資產數據分散存儲在過往的區塊中（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 信息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，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，可以快速檢查某地址擁有的比特幣餘額，很多時候是因爲錢包服務自身通過掃描區塊，對所有地址建立了索引，方便我們快速查詢。
（當你生成一筆交易聲明把自己的 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）
有意思的是，比特幣交易的結果是在鏈下計算完成的，用戶在本地設備上生成交易時，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絡中，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）是可以自定義的，你可以把 UTXO 設定爲「某個比特幣地址的主人可解鎖」，該地址的主人需要提供數字簽名和公鑰（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，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，用到了類似於 P2SH 的特性。
比特幣腳本怎麼觸發
這裏我們先以 P2PKH 爲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爲複雜的 Taproot 和 BitVM。P2PKH 全稱「Pay to Public Key Hash」，在這種方案下，UTXO 的鎖定腳本中會設置一個公鑰 hash，解鎖時需要提交對應該 hash 的公鑰，這和常規的比特幣轉賬思路基本一致。
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:
可能讀者並不瞭解 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。這些數據和操作碼會按照從左到右的順序，依次壓入棧內按照指定邏輯來執行，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）。
以上圖爲例，左側是某人上傳的解鎖腳本 ScriptSig，包含他的數字簽名和公鑰，而右側的鎖定腳本 ScriptPubkey 中，包含 UTXO 創建者生成該 UTXO 時設置的一段操作碼和數據（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，還要驗證交易發起人是否真是該公鑰的實際控制者，這就要對數字簽名進行覈驗。鎖定腳本中的 CHECKSIG 操作碼，就是負責驗證數字簽名的。
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，且交易的數字簽名正確，滿足這些條件才能順利解鎖 UTXO。
（這個圖是動態的：P2PKH 方案下比特幣解鎖腳本示意圖
來源：https://learnmeabitcoin.com/technical/script ）
當然，比特幣網絡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，一切取決於 UTXO 創建時自定義的鎖定腳本被設置成什麼樣。
這裏需要注意的是，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，如果這段腳本里定義了多籤驗證的邏輯，就可以在比特幣鏈上實現多籤錢包的效果。
當然，P2SH 方案下，UTXO 創建者要讓未來解鎖 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籤更復雜的業務邏輯。
這裏要說明一點，比特幣鏈上（區塊）並不直接記錄哪些 UTXO 和哪些地址關聯，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）。
我們之所以能在區塊瀏覽器和錢包界面看到 xx 地址下有 xx 數額的比特幣，是因爲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 的思路後，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。
覆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名本身），所以數字簽名只能覆蓋解鎖腳本之外的部分，也就是隻能與交易數據的主幹部分建立關聯，不能完整的覆蓋交易數據。
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，在不影響驗籤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。這被稱爲交易延展性問題。
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，會批量構建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爲，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數據包含進去。遵循 SegWit 升級的 UTXO 鎖定腳本，會默認在首位設置一個叫「OP_0」的操作碼，充當標記；而對應的解鎖腳本，從 SigScript 更名爲了 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數據被微調。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，包含特別多的代碼，通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 構建出的複雜方案。
在「走近 BTC」的下一篇文章中，我們將對 Taproot、預簽名等和 BitVM 相關的其他更復雜的技術進行詳細科普，大家敬請期待！
