走近 BTC：理解 BitVM 所需的背景知识（1）

撰文：Nickqiao、Faust、Shew Wang，极客 web3

顾问：Bitlayer 研究团队

摘要：近期 Delphi Digital 发布了题为《The Dawn of Bitcoin Programmability: Paving the Way for Rollups 》的比特币二层相关技术研报，系统的梳理了和比特币 Rollup 有关的核心概念，如 BitVM 全家桶、OP_CAT 和 Covenant 限制条款、比特币生态 DA 层、桥以及 Bitlayer、Citrea、Yona、Bob 等四大采用 BitVM 的比特币二层。

该研报虽然大体展示了比特币二层技术的大致图景，但整体比较泛泛而缺乏细节描述，让人似懂非懂。极客 web3 在 Delphi 研报基础上进行了展开式的深入挖掘，尝试让更多人系统的理解 BitVM 等技术。

我们将与 Bitlayer 研究团队及 BitVM 中文社区共同开展一个名为「走近 BTC」的系列专栏，长期围绕 BitVM、OP_CAT 和比特币跨链桥等重点话题进行科普，致力于为更多人祛魅比特币二层相关技术，帮更多爱好者铺平道路。

几个月前，ZeroSync 负责人 Robin Linus 发布了名为《BitVM: Compute Anything on Bitcoin》的文章，正式提出了 BitVM 的概念，推动了比特币二层技术的进展。可以说这是比特币生态最具革命性的创新之一，引爆了整个比特币二层生态，吸引了如 Bitlayer、Citrea、BOB 等明星项目的参与，为整个市场带来了生机。

之后，更多研究人员参与改进了 BitVM，先后推出了 BitVM1、BitVM2、BitVMX、BitSNARK 等不同的迭代版本。其大致情况如下所示：

1. Robin Linus 于去年最先提出的 BitVM 实现白皮书，就是基于虚构逻辑门电路的 BitVM 实现方案，被称为 BitVM0；

2. Robin Linus 在后面几次演讲和采访中，又非正式的介绍了基于虚构 CPU 的 BitVM 方案（称为 BitVM1），类似于 Optimism 的欺诈证明系统 Cannon，可以用比特币脚本在链下模拟出一个通用 CPU 的效果。

3. Robin Linus 还提出了 BitVM2，一个 Permissionless 的单步非交互式欺诈证明协议。

4. Rootstock Labs 和 Fairgate Labs 的成员发布了 BitVMX 白皮书，与 BitVM1 类似，他们希望通过比特币脚本模拟出通用 CPU 的效果（在链下）。

目前 BitVM 相关开发者生态的建设日渐明朗，周边工具的迭代完善也已肉眼可见，相比于去年，如今的 BitVM 生态已经从最初的「空中楼阁」变得「依稀可见」，这也吸引了越来越多的开发者和 VC 争相涌入比特币生态。

但对于大多数人而言，要理解 BitVM 和比特币二层相关的技术名词绝非易事，因为你要先对其周边的基础知识有系统性的理解，尤其是比特币脚本和 Taproot 等背景知识。目前网上已有的参考资料要么篇幅太长废话连篇，要么解释的不够透彻让人似懂非懂。我们致力于解决上述问题，力求以尽可能清晰的语言，帮助更多人理解比特币二层的周边知识，对 BitVM 体系建立起系统性认知。

MATT 和承诺：BitVM 的基础思想

首先我们要强调，BitVM 的基础思想是 MATT，含义是 Merkleize All The Things，主要指通过 Merkle Tree 这种树状的数据存储结构来展示复杂的程序执行过程，设法让比特币 Native 的验证欺诈证明。

MATT 虽然可以表达出一段复杂程序及其数据处理痕迹，但不会直接在 BTC 链上发布这些数据，因为这些数据的总体规模非常庞大。采用 MATT 的方案只在链下的 Merkle 树中存储数据，只把 Merkle 树最顶部的摘要（Merkle Root）发布到链上。这棵 Merkle 树主要包含三大核心内容：

• 智能合约脚本代码

• 合约所需的数据

• 合约执行中留下的痕迹（智能合约在 EVM 等虚拟机中执行时对内存、CPU 寄存器产生的变更记录）

（一个简单的 Merkle Tree 默克尔树示意图 其 Merkle Root 是由图中底部的 8 个数据片段经过多层 hash 计算得到的）

MATT 方案下，只有尺寸极小的 Merkle Root 存储在链上，Merkle Tree 包含的完整数据集存储在链下，这用到了一种被称为「承诺」的思路。这里解释下什么是「承诺」（Commitment）。

承诺类似于一种简洁化的声明，我们可以把它理解为一大批数据压缩后得到的「指纹」。一般而言，在链上发布「承诺」的人会声称，某些存放在链下的数据是准确无误的，这些链下数据要对应一个简洁化的声明，这个声明就是「承诺」。

在某些时候，数据的 hash 可以作为对数据本身的「承诺」，其他的承诺方案还有 KZG 承诺或 Merkle Tree 等。在 Layer2 惯用的欺诈证明协议中，数据发布者会在链下发布完整数据集，在链上发布数据集的承诺。如果有人发现链下的数据集中存在无效数据，就会针对链上的数据承诺进行挑战。

通过承诺（Commitment），二层能够把大量数据压缩处理，只在比特币链上发布其「承诺」。当然，还要保证发布在链下的完整数据集可以被外界观测到。

目前几大 BitVM 方案如 BitVM0、BitVM1、BitVM2 和 BitVMX，基本都采用了类似的抽象结构：

1.程序分解和承诺：首先将复杂的程序分解为大量的、较基础的操作码（编译），然后把这些操作码在具体执行时产生的痕迹记录下来（说白了就是一段程序跑在 CPU 和内存中时，整个的状态变化记录，称为 Trace）。之后，我们对包括 Trace 和操作码在内的所有数据进行整理，组织成一个数据集，然后生成该数据集的承诺。

具体的承诺方案可以有多种形式，如：Merkle 树、PIOPs（各种 ZK 算法）、哈希函数

2.资产质押和预签名：数据发布者和验证者需要通过预签名的形式，把一定金额的资产锁定在链上，并且会有限制条件。这些条件会针对未来可能发生的情况而针对性的触发，如果数据发布者作恶，验证者可以提交证明把数据发布者的资产拿走

3.数据和承诺发布：数据发布者在链上发布承诺，链下发布完整的数据集，验证者检索数据集并检查是否有任何错误。链下数据集中的每个部分都与链上的承诺有关联性。

4.挑战和惩罚：一旦验证者发现数据发布者提供的数据有错误，它会把这部分数据拿到链上去直接验证（要先把这部分数据切的特别细），这就是欺诈证明的逻辑。如果验证结果显示，数据发布者的确在链下提供了无效数据，它的资产就会被挑战他的验证者拿走。

总结下就是，数据发布者 Alice 在链下公开二层交易执行过程中产生的所有痕迹，把对应的承诺发布到链上。如果你要证明某部分数据有误，先向比特币节点证明这部分数据和链上的承诺相关联，也就是证明这些数据是 Alice 本人对外公开的，然后让比特币节点确定这部分数据有错误。

现在我们大致理解了 BitVM 的整体思路，所有的 BitVM 变体基本都脱离不了上述范式。那么接下来，让我们开始学习和理解上述流程中用到的一些重要技术，先从最基础的比特币脚本和 Taproot 以及预签名开始。

什么是 Bitcoin Script 脚本

比特币相关的知识要比以太坊的更难理解，就连最基础的转账行为都涉及到一系列概念，包括 UTXO（未花费的交易输出）、锁定脚本（也称为 ScriptPubKey）和解锁脚本（也称为 ScriptSig）。我们先对这几个主要概念进行讲解。

（一段比特币脚本代码的示例 由比高级语言更底层的操作码组成 ）

以太坊的资产表达方式，更像支付宝或者微信，每次转账只是对不同账户的余额做加减法，这种方法是以账户为核心，资产余额只是账户名下的一个数字；比特币的资产表达形式更像黄金，每块黄金（UTXO）都会标记出主人，转账实际上是把旧的 UTXO 销毁，把新的 UTXO 产生（主人会变更）。

比特币 UTXO 包含两个关键字段：

• 数额，以「聪（satoshi）」为单位（一亿聪为一 BTC）；

• 锁定脚本，也称「脚本公钥（ScriptPubKey）」，会定义 UTXO 的解锁条件。

需要注意的是，比特币 UTXO 的所有权是通过锁定脚本来表达的，如果你要把自己的 UTXO 转让给 Sam，可以发起交易销毁自己的某个 UTXO，把新生成的 UTXO 的解锁条件写为「只有 Sam 可解锁」。

之后，Sam 如果要使用这些比特币，需要提交一个解锁脚本（ScriptSig），在这个解锁脚本中 Sam 要出示自己的数字签名，证明自己是 Sam 本人。如果解锁脚本和前述锁定脚本相匹配，Sam 就可以解锁并把这些比特币再转给别人。

（解锁脚本要和锁定脚本相匹配才行）

从表现形式的角度看，比特币链上的每笔交易都对应着多个 Input 和 Output，每个 Input 中要声明自己想解锁的某个 UTXO，并提交解锁脚本，解锁并销毁该 UTXO；Output 中会展示新生成的 UTXO 信息，对外公示锁定脚本的内容。

比如，在一笔交易的 Input 中，你证明自己是 Sam，把别人给你的多个 UTXO 解锁，统一销毁，再生成多个新的 UTXO 并声明让 xxx 在未来去解锁。

具体而言，在交易的 Input 数据中，你要声明自己要解锁哪些 UTXO，并指出这些 UTXO 数据的「存储位置」。这里要注意，比特币和以太坊截然不同，以太坊提供了合约账户和 EOA 账户两种账户来存储数据， 资产余额作为数字，记录在合约账户或 EOA 账户名下，统一放置在名为「世界状态」的数据库中，转账时直接从「世界状态」中对特定账户进行修改，便于定位到数据的存储位置；

比特币没有世界状态的设计，资产数据分散存储在过往的区块中（就是未解锁的 UTXO 数据，在每笔交易的 OutPut 中单独存放）。

如果你想解锁某个 UTXO，要说明该 UTXO 信息存在于过去哪笔交易的 Output 中，出示这笔交易的 ID（就是其 hash），让比特币节点去历史记录中寻找。如果要查询某个地址的比特币余额，需要从头遍历所有区块，找出和 xx 地址关联的未解锁 UTXO。

平时用比特币钱包时，可以快速检查某地址拥有的比特币余额，很多时候是因为钱包服务自身通过扫描区块，对所有地址建立了索引，方便我们快速查询。

（当你生成一笔交易声明把自己的 UTXO 送给别人时，要根据这些 UTXO 所属的交易 hash/ID 来标记出该 UTXO 在比特币历史记录中的位置）

有意思的是，比特币交易的结果是在链下计算完成的，用户在本地设备上生成交易时，就要直接把 Input 和 Output 全部创建好，相当于把交易的输出结果计算完了。交易在广播到比特币网络中，被节点验证后才上链。这种「链下计算—链上验证」的模式与以太坊是完全不同的，在以太坊上，你只需要提供交易输入参数，交易结果由以太坊节点计算并输出。

此外，UTXO 的锁定脚本（Locking Script）是可以自定义的，你可以把 UTXO 设定为「某个比特币地址的主人可解锁」，该地址的主人需要提供数字签名和公钥（P2PKH）。而在Pay-to-Script-Hash（P2SH）交易类型中，你可以在 UTXO 锁定脚本中添加一个 Script Hash，谁能提交这个 Hash 对应的脚本原像，并满足该脚本原像中预设的条件，就可以解锁 UTXO。BitVM 所依赖的 Taproot 脚本，用到了类似于 P2SH 的特性。

比特币脚本怎么触发

这里我们先以 P2PKH 为案例介绍比特币脚本的触发方式，只有理解了其触发方式才能理解更为复杂的 Taproot 和 BitVM。P2PKH 全称「Pay to Public Key Hash」，在这种方案下，UTXO 的锁定脚本中会设置一个公钥 hash，解锁时需要提交对应该 hash 的公钥，这和常规的比特币转账思路基本一致。

此时，比特币节点要确定解锁脚本中的公钥，和锁定脚本中指定的公钥 hash 能对上号，也就是说，要确定解锁人提交的「钥匙」和 UTXO 预设的「锁」彼此匹配。

进一步说，P2PKH 方案下，比特币节点收到交易后，会将用户给出的解锁脚本 ScriptSig，与要解锁的 UTXO 的锁定脚本 ScriptPubkey 拼接到一起，放在 BTC 脚本的执行环境内执行。下图给出执行前的拼接结果:

可能读者并不了解 BTC 的脚本执行环境，此处我们进行简单介绍。首先，BTC 脚本包含两种元素:

数据和操作码。这些数据和操作码会按照从左到右的顺序，依次压入栈内按照指定逻辑来执行，得到最终结果（关于什么是栈 此处不展开详述 读者可以自行 Chatgpt）。

以上图为例，左侧是某人上传的解锁脚本 ScriptSig，包含他的数字签名和公钥，而右侧的锁定脚本 ScriptPubkey 中，包含 UTXO 创建者生成该 UTXO 时设置的一段操作码和数据（此处我们不需要了解每个操作码的含义，理解个大概即可）。

上图中右侧的锁定脚本中的 DUP、HASH160、EQUALVERIFY 等操作码，负责把左侧的解锁脚本中携带的 Public key 取哈希，和锁定脚本中预设的 Public key hash 做对比，若两者相等，说明解锁脚本中上传的公钥，和锁定脚本中预设的公钥哈希相匹配，这就通过了第一道验证。

但是，有个问题，UTXO 锁定脚本的内容其实是在链上公开的，任何人都能观测到其中包含的公钥哈希，谁都可以上传对应的公钥，谎称自己是那个被「钦定」的人。所以在验证完公钥和公钥 hash 后，还要验证交易发起人是否真是该公钥的实际控制者，这就要对数字签名进行核验。锁定脚本中的 CHECKSIG 操作码，就是负责验证数字签名的。

总结一下，P2PKH 方案下，交易发起人提交的解锁脚本中，包含公钥和数字签名，该公钥要和锁定脚本中指定的公钥哈希匹配，且交易的数字签名正确，满足这些条件才能顺利解锁 UTXO。

（这个图是动态的：P2PKH 方案下比特币解锁脚本示意图

来源：https://learnmeabitcoin.com/technical/script ）

当然，比特币网络中支持多种交易类型，不只有 Pay to public key/public key hash，还有 P2SH（Pay to Script hash）等，一切取决于 UTXO 创建时自定义的锁定脚本被设置成什么样。

这里需要注意的是，P2SH 方案下，锁定脚本中可以预设一个 Script Hash，而解锁脚本需要把 Script Hash 对应的脚本内容完整提交上来。比特币节点可以执行这段脚本，如果这段脚本里定义了多签验证的逻辑，就可以在比特币链上实现多签钱包的效果。

当然，P2SH 方案下，UTXO 创建者要让未来解锁 UTXO 的人事先知道 Script Hash 对应的脚本内容，只要双方都知道这段 Script 的内容，那么我们就可以实现比多签更复杂的业务逻辑。

这里要说明一点，比特币链上（区块）并不直接记录哪些 UTXO 和哪些地址关联，它只记录 UTXO 可以被哪个公钥哈希 / 哪个脚本哈希解锁，但我们根据公钥 hash/ 脚本 hash 可以快速算出对应的地址（钱包界面显示的那一段像乱码的东西）。

我们之所以能在区块浏览器和钱包界面看到 xx 地址下有 xx 数额的比特币，是因为区块浏览器和钱包项目方帮你解析了这些数据，会扫描所有区块并根据锁定脚本中声明的公钥 hash/ 脚本 hash，计算出对应的「地址」，然后显示出 xx 地址名下有多少比特币。

隔离见证与 Witness

当我们理解了 P2SH 的思路后，便和 BitVM 所依赖的 Taproot 更近一步了。但在此之前，我们要了解一个重要的概念：Witness 和隔离见证。

复盘前面讲到的解锁脚本和锁定脚本，以及 UTXO 解锁流程，会发现一个问题：交易的数字签名包含在解锁脚本中，生成签名时不能把解锁脚本覆盖进去（生成签名用到的参数不能包含签名本身），所以数字签名只能覆盖解锁脚本之外的部分，也就是只能与交易数据的主干部分建立关联，不能完整的覆盖交易数据。

这样一来，就算交易的解锁脚本被中间人稍做手脚，也不会影响到验签结果。比如说，比特币节点或矿池可以在交易的解锁脚本中，塞入其他数据，在不影响验签和交易结果的前提下，使得交易数据发生细微变化，最后算出的交易 hash/ 交易 ID 也会改变。这被称为交易延展性问题。

这带来的坏处是，如果你打算连续发起多笔交易，并且有次序上的依赖关系（比如，交易 3 引用了交易 2 的输出，交易 2 引用了交易 1 的输出），那么排后面的交易必然要引用前面交易的 ID（hash），矿池或比特币节点等任意中间人可以微调解锁脚本中的内容，使交易上链后的 hash 与你预期的不一致，那么你预先创建好的多笔有次序关联的交易会失效。

实际上，在 DLC 桥和 BitVM2 的方案中，会批量构建有先后次序关联性的交易，所以前面提到的场景并不少见。

简单来说，交易延展性问题是因为，交易的 ID/hash 在计算时，会把解锁脚本的数据包含进去，而比特币节点等中间人可以微调解锁脚本中的内容， 导致交易 ID 与用户预期的不符合。其实这是比特币在早期设计时考虑不周留下的历史包袱。

后来推出的隔离见证 /SegWit 升级，其实就是把交易 ID 和解锁脚本彻底解耦，计算交易 hash 时不需要把解锁脚本数据包含进去。遵循 SegWit 升级的 UTXO 锁定脚本，会默认在首位设置一个叫「OP_0」的操作码，充当标记；而对应的解锁脚本，从 SigScript 更名为了 Witness（见证）。

遵循隔离见证规则后，交易延展性问题会被妥善解决，你不需要担心发送给比特币节点的交易数据被微调。当然我们不需要想的太复杂，P2WSH 的功能和前面谈到的 P2SH 并无本质差异，你可以在 UTXO 锁定脚本中预设一个脚本哈希，等解锁脚本的提交者把 hash 对应的脚本内容提交到链上并执行。

但如果你要实现的脚本内容特别庞大，包含特别多的代码，通过常规的方法无法把完整的脚本提交到比特币链上（每个区块有大小限制）。那怎么办？这就需要借助 Taproot，针对上链的脚本内容进行精简化处理，而 BitVM 正是基于 Taproot 构建出的复杂方案。

在「走近 BTC」的下一篇文章中，我们将对 Taproot、预签名等和 BitVM 相关的其他更复杂的技术进行详细科普，大家敬请期待！