در 9 اکتبر، رابین لینوس، یک توسعه‌دهنده از ZeroSync، مقاله سفید BitVM را منتشر کرد که توجه زیادی را در جامعه به خود جلب کرد. BitVM یک پارادایم محاسباتی جدید را معرفی می‌کند که قادر به بیان قراردادهای بیت‌کوین تورینگ کامل بدون نیاز به تغییر در قوانین اجماع شبکه است.

قراردادهای هوشمند غیرمتمرکز: محدودیت‌ها و اهداف

اسکریپت بیت‌کوین، یک زبان مبتنی بر پشته، ساختارهای کنترلی اساسی مانند بررسی‌های شرطی را برای تعریف منطق اعتبارسنجی تراکنش‌ها فراهم می‌کند. این زبان برای خرج کردن بیت‌کوین‌ها از طریق یک فرآیند ساده اعتبارسنجی شرطی، امضاهای دیجیتال معتبر را می‌طلبد. با این حال، اسکریپت به گونه‌ای طراحی شده است که تورینگ کامل نباشد. اگرچه از ویژگی‌های پیچیده کنترل جریان مانند حلقه‌ها پشتیبانی نمی‌کند، این طراحی سادگی و امنیت زبان را تضمین می‌کند. چنین محدودیت‌هایی اجرای محاسبات پیچیده، از جمله محاسبات مربوط به قراردادهای هوشمند را برای اسکریپت چالش‌برانگیز کرده است.

در حالی که برخی راه‌حل‌های لایه 2 طراحی شده برای بیت‌کوین می‌توانند با قفل کردن دارایی‌ها به توابع اولیه قراردادهای هوشمند دست یابند، آن‌ها اساساً بر آدرس‌های چند امضایی و نگاشت دارایی‌های بین زنجیره‌ای متکی هستند که نیازمند سطح خاصی از اعتماد متمرکز است. این امر تعهد بیت‌کوین به غیرمتمرکز بودن را به خطر می‌اندازد. قبل از معرفی BitVM، جامعه بیت‌کوین در حال بررسی روش‌هایی بود که غیرمتمرکز، با حداقل اعتماد و قادر به انجام محاسبات تورینگ کامل باشند.

BitVM: محاسبه هر چیزی روی بیت‌کوین

در هسته نوآوری خود، BitVM از سیستم اسکریپت موجود بیت‌کوین برای پیاده‌سازی گیت‌های منطقی (شامل گیت‌های AND، OR، NOT و XOR، که عملیات‌هایی مانند AND، OR، NOT و XOR را امکان‌پذیر می‌کند) استفاده می‌کند تا مدارهای بولی با پیچیدگی دلخواه را بسازد. این مدارها برای انجام عملیات منطقی روی ورودی‌های باینری و تولید خروجی‌های باینری استفاده می‌شوند؛ محاسبات بولی را می‌توان با استفاده از گیت‌های منطقی برای انجام عملیات‌هایی مانند AND، OR، NOT و XOR پیاده‌سازی کرد. به طور خاص، BitVM از قراردادهای قفل زمانی هش (HTLC) و Taproot (یک فورک نرم برای بهینه‌سازی اسکریپت که در نوامبر 2021 فعال شد) برای نمایش گیت‌های منطقی اساسی مانند گیت‌های AND و OR استفاده می‌کند. سپس BitVM این گیت‌های منطقی پایه را ترکیب می‌کند تا مدارهایی با هر پیچیدگی را بسازد، که در اصل یک کامپیوتر قابل برنامه‌ریزی را روی بلاک‌چین بیت‌کوین شبیه‌سازی می‌کند.

در نهایت، در صورت بروز اختلاف بین طرفین معامله، یک پروتکل چالش-پاسخ ظریف، مشابه اثبات تقلب در بیت‌کوین، می‌تواند برای اعتبارسنجی استفاده شود. یک اثبات‌کننده ادعا می‌کند که یک تابع مشخص برای برخی ورودی‌های خاص به یک خروجی مشخص ارزیابی می‌شود. اگر آن ادعا نادرست باشد، آنگاه تأییدکننده می‌تواند یک اثبات تقلب را انجام داده و اثبات‌کننده را مجازات کند. با استفاده از این مکانیسم، هر تابع قابل محاسبه‌ای می‌تواند در بیت‌کوین تأیید شود.

طراحی BitVM

تعهد ارزش بیت

تعهد ارزش بیت، یک اسکریپت بیت‌کوین، از دستورات if-else برای پیاده‌سازی یک طرح تعهد استفاده می‌کند. این اصل رمزنگاری اطمینان حاصل می‌کند که فرستنده می‌تواند محتوای پیام را قبل از ارسال تأیید کند و پس از افشای عمومی، محتوا قابل تغییر نیست. این طرح تعهد شامل دو مقدار هش، hash0 و hash1 است. اینکه آیا مقدار بازگشتی 0 یا 1 خواهد بود با مقایسه مقدار هش ورودی با این دو مقدار هش تعیین می‌شود.

شکل 1: یک پیاده‌سازی مشخص برای یک تعهد 1 بیتی

منبع: https://bitvm.org/bitvm.pdf

تعهد دروازه منطقی

در نظریه محاسبات، هر تابع قابل محاسبه‌ای می‌تواند به عنوان یک مدار بولی نمایش داده شود. به طور خاص، دروازه NAND یک دروازه منطقی جهانی است که می‌تواند برای ساخت تمام دروازه‌های منطقی پیچیده دیگر استفاده شود. BitVM دو تعهد ارزش بیت را که نشان‌دهنده دو ورودی هستند و یک تعهد ارزش بیت سوم که نشان‌دهنده خروجی است را برای پیاده‌سازی دروازه NAND ترکیب می‌کند.

BitVM به طور هوشمندانه‌ای دروازه NAND را از طریق اسکریپت‌های بیت‌کوین بیان می‌کند. این امر به آن اجازه می‌دهد تا مدارهای منطقی بولی به طور دلخواه پیچیده‌ای را بسازد و در نتیجه یک کامپیوتر قابل برنامه‌ریزی را از طریق اسکریپت شبیه‌سازی کند.

شکل 2: پیاده‌سازی یک دروازه NAND با استفاده از تعهدات ارزش بیت

منبع: https://biquanlibai.notion.site/BitVM-2b8557e0ea004d0cbc52951782bc9754

شکل 3: تعهد گیت منطقی برای عملیات NAND

منبع: https://bitvm.org/bitvm.pdf

اسکریپت مقدار NAND دو ورودی را محاسبه می‌کند تا اطمینان حاصل شود که با بیت خروجی متعهد شده مطابقت دارد.

تعهد مدار باینری

BitVM می‌تواند هر مداری را با ترکیب تعهدات گیت بیان کند. هر مرحله از اجرا در یک Tapleaf متعهد می‌شود. همه آنها در یک آدرس Taproot یکسان ترکیب می‌شوند، به طوری که اثبات‌کننده می‌تواند هر گیت را در مدار اجرا کند. اجرای یک گیت مستلزم آن است که اثبات‌کننده تعهد گیت مربوطه را باز کند و مقادیری را برای بیت‌های ورودی و خروجی آن تعیین کند. به عنوان مثال، در شکل 4، A، B، C و D تعهدات مقدار بیت از پیش تعریف شده هستند که هر کدام نشان‌دهنده یک بیت هستند. عملیات منطقی شامل هشت گیت NAND سپس انجام می‌شود. به عنوان مثال، اگر A NAND B منتج به E شود و E به عنوان ورودی برای گیت NAND بعدی استفاده شود، خروجی نهایی کل مدار TRUE خواهد بود. این طراحی مدارهای بولی، گیت‌های NAND تعهدات مقدار بیت را به هم متصل می‌کند و عملیات منطقی پیچیده‌ای را انجام می‌دهد که نمایش فشرده‌ای برای محاسبات قابل تأیید در بلاکچین بیت‌کوین ارائه می‌دهد.

شکل 4: یک مدار با هشت گیت NAND مختلف

منبع: https://bitvm.org/bitvm.pdf

چالش‌ها و پاسخ‌ها

در BitVM، تعهد به یک مدار کافی نیست و یک مکانیسم چالش-پاسخ برای اثبات صحت محاسبات لازم است. برای دستیابی به این هدف، اثبات‌کننده و تأییدکننده باید در طول راه‌اندازی، یک سری از تراکنش‌ها را از پیش امضا کنند. تراکنش‌ها به ترتیب "چالش - پاسخ - چالش - پاسخ" به هم پیوند می‌خورند و چندین دور تعامل چالش و پاسخ ایجاد می‌کنند. اگر یکی از طرفین از ادامه مشارکت خودداری کند، پس از مهلت زمانی، طرف دیگر در چالش پیروز می‌شود و می‌تواند هر دو سپرده را بردارد. این مکانیسم تنها در صورت تقلب مورد نیاز است. تا زمانی که هر دو طرف همکاری می‌کنند، می‌توانند به طور مشترک هر قراردادی را با امضای 2 از 2 تسویه کنند.

بیایید ببینیم این مکانیسم در یک مورد فرضی چگونه کار می‌کند. پل (اثبات‌کننده) و ویکی (تأیید‌کننده) یک سری تراکنش‌ها را از قبل امضا کرده‌اند. سپس ویکی می‌تواند با انتخاب یک چالش (hash7) از یکی از برگ‌های Tapscript خود، یک چالش (TX 2) را آغاز کند. این کار یک Tapscript خاص را برای پل باز می‌کند و او را مجبور می‌کند آن را با ورودی‌ها و خروجی‌های باز اجرا کند. هر ادعای ناسازگار را می‌توان به سرعت با تکرار این روند برای چند دور پرس و جو رد کرد. اگر اثبات‌کننده از همکاری دست بکشد، تأیید‌کننده می‌تواند یک پیش‌تصویر هش را که در اختیار دارد باز کند تا اثبات‌کننده را مجبور کند روی زنجیره پاسخ دهد. هر دور پرس و جو ممکن است یک گیت خاص را تأیید یا رد کند. از طریق جستجوی دودویی (الگوریتمی که برای یافتن یک عنصر خاص در یک آرایه مرتب شده استفاده می‌شود)، تأیید‌کننده می‌تواند پس از تنها چند دور چالش و پاسخ، خطای اثبات‌کننده را به سرعت شناسایی کند. هنگامی که دو تعهد اثبات‌کننده با هم در تضاد باشند، تأیید‌کننده بلافاصله در چالش پیروز می‌شود و سپرده را می‌گیرد.

شکل 5: یک سری تراکنش‌های از پیش امضا شده برای انجام چندین دور چالش و پاسخ

منبع: https://bitvm.org/bitvm.pdf

این طراحی دقیق به BitVM اجازه می‌دهد تا تأیید روی زنجیره هر محاسبه پیچیده‌ای را انجام دهد، که کارآیی همکاری را تضمین می‌کند و در صورت تقلب، مجازات‌هایی را اعمال می‌کند. این امر نشان می‌دهد که امکان تأیید محاسبات تعاملی تورینگ-کامل در شبکه بیت‌کوین وجود دارد.

جنبه‌های کلیدی طراحی BitVM

محاسبات خارج از زنجیره و تأیید روی زنجیره

BitVM بار محاسبات پیچیده را از روی بلاک‌چین برداشته و بلاک‌چین بیت‌کوین را تنها برای تأیید نتایج حفظ می‌کند. این رویکرد از اجرای قراردادهای پیچیده مستقیماً روی بلاک‌چین جلوگیری می‌کند که باعث کاهش تورم بلاک‌چین می‌شود.

گیت‌های منطقی بیان شده با هش‌لاک‌ها و اسکریپت‌های بیت‌کوین

BitVM از هش‌لاک‌ها و اپکدهای اسکریپت که توسط بیت‌کوین پشتیبانی می‌شوند برای نمایش گیت‌های منطقی پایه مانند گیت‌های AND و NOT استفاده می‌کند. اتصال این گیت‌های منطقی به آن اجازه می‌دهد تا مدارهایی با پیچیدگی دلخواه بسازد و محاسبات تورینگ-کامل را امکان‌پذیر سازد.

یک مکانیزم تئوری بازی برای اثبات‌کننده و تأییدکننده

مکانیزم اعتبارسنجی BitVM که شبیه به Optimistic Rollup است، شامل چالش‌ها و پاسخ‌های تعاملی بین طرفین محاسبه است. در نهایت، نتیجه صحیح محاسبه روی زنجیره تأیید می‌شود. اگر اثبات‌کننده تقلب کرده باشد، تأییدکننده می‌تواند مجازات‌ها را روی بلاک‌چین بیت‌کوین اجرا کند. بدین ترتیب، BitVM و Optimistic Rollup از مکانیزم‌های تعاملی مشابهی برای تأیید روی زنجیره استفاده می‌کنند و تنها تفاوت این است که BitVM مستقیماً از اسکریپت‌های بیت‌کوین برای پیاده‌سازی یک فرآیند تعاملی چالش-پاسخ استفاده می‌کند.

تأثیر حداقلی روی زنجیره

فرآیند محاسباتی BitVM تأثیر حداقلی بر روی بلاک‌چین بیت‌کوین دارد و تنها در صورت بروز اختلافات، تعداد کمی تراکنش روی زنجیره باقی می‌گذارد. این کار کارایی و مقیاس‌پذیری بیت‌کوین را حفظ می‌کند.

عدم نیاز به سافت فورک

از آنجا که BitVM تنها از قابلیت‌های اسکریپت موجود بیت‌کوین استفاده می‌کند، نیازی به هیچ گونه تغییر در پروتکل بیت‌کوین از طریق سافت فورک ندارد. این امر ادغام BitVM در شبکه اصلی بیت‌کوین را آسان‌تر می‌کند.

نتیجه‌گیری

بزرگترین نوآوری BitVM در توانایی آن برای پیاده‌سازی تأیید تورینگ-کامل بدون تغییر پروتکل اصلی بیت‌کوین نهفته است؛ این کار را با استفاده خلاقانه از اسکریپت‌ها، به ویژه آنهایی که توسط Taproot بهینه شده‌اند، انجام می‌دهد. این طراحی هوشمندانه امکان ادغام بی‌درنگ با شبکه اصلی بیت‌کوین را بدون ایجاد مشکلات سازگاری جدید یا کاهش تمرکززدایی بیت‌کوین فراهم می‌کند.

راه‌حل نوآورانه BitVM پتانسیل معرفی قراردادهای هوشمند و برنامه‌های کاربردی غیرمتمرکز را به اکوسیستم بیت‌کوین دارد. به عنوان مثال، می‌توان از آن برای ساخت پل‌های بین زنجیره‌ای با حداقل اعتماد استفاده کرد تا دارایی‌های بلاک‌چین‌های مختلف را به هم متصل کند و قابلیت همکاری بیت‌کوین را افزایش دهد. علاوه بر این، BitVM می‌تواند به ساخت لایه‌های توسعه zkRollup کارآمدتر کمک کند تا بیت‌کوین را مقیاس‌پذیرتر سازد. به طور خلاصه، BitVM امکانات گسترده‌ای را برای هدایت اکوسیستم بیت‌کوین به عصر جدیدی تنها از طریق استفاده نوآورانه از ویژگی‌های موجود نشان می‌دهد.

منابع:

https://bitvm.org/bitvm.pdf

https://github.com/supertestnet/tapleaf-circuits

https://biquanlibai.notion.site/BitVM-2b8557e0ea004d0cbc52951782bc9754

BitVM، پتانسیل قراردادهای هوشمند در شبکه اصلی بیت‌کوین