比特币白皮书16周年，解析比特币应用去信任化的关键：BitVM及其形式化验证

24-11-01 10:05

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比特币白皮书发布于 2008 年 10 月 31 日，中本聪（Satoshi Nakamoto）在 P2P foundation 网站发布比特币白皮书《比特币：一种点对点的电子现金系统》，今天迎来 16 周年生日。

比特币的初始交易价格为 0.0008 美元，如今升值超过 9000 万倍。

众所周知，比特币重新定义了人们对价值转移的信任方式。在去中心化的网络中，信任被技术所取代，每一笔交易都由网络自身验证。然而，随着去中心化金融（DeFi）和智能合约的兴起，如何在比特币网络中安全地引入更复杂的计算，构建更丰富的内容，成为了新的挑战。

BitVM 是什么？

2023 年 12 月，ZeroSync 项目负责人 Robin Linus 发表了一篇名为《BitVM：Compute Anything On Bitcoin》的白皮书，引发了大家对于提升比特币可编程性的思考。

BitVM 的出现，为比特币带来了链下执行复杂计算、链上验证结果的能力，极大地扩展了其功能。更直白来说，BitVM 是一个允许在比特币网络上执行复杂计算和智能合约的解决方案。这是一种在不改变比特币网络共识的情况下，可实现图灵完备的解决方案。通过成为图灵完备，比特币区块链理论上可以用来扩展比特币的功能，远远超出比特币白皮书中首次提出的「点对点电子现金系统」愿景。它允许用户在比特币之上创建应用程序——类似于以太坊等其他平台上已经实现的功能，同时，保持了比特币众所周知的高度安全性和去中心化。

简单总结，BitVM 可以使 Bitcoin 生态不仅满足交易需求，而且能在 BTC 层上创造更加复杂的 DApps。同时，保留了 Bitcoin 的安全性和去中心化的特征。

然而，复杂性往往伴随着风险，如何确保这些复杂计算的安全性，成为了亟待解决的问题。

当前，致力于 BitVM 研究与开发的团队众多，其中包括： BitVM 创始人 Robin 创立的 ZeroSync, 加州大学圣芭芭拉分校 Prof. Yu Feng 创立的比特币原生项目 Nubit，致力 ZK 扩容比特币的 Alpen Labs，专注比特币 ZK Rollup 的Chainway Labs以及Citrea，还有 BRC20 的创始人 Domo 所在的 Layer 1 Foundation 等。

目前，Nubit 联合 ZeroSync、Alpen Labs、Chainway Labs 以及 Domo 带领的 Layer 1 Foundation，在 10 月 31 日发表论文《Push-Button Verification for BitVM Implementations》，完成并推出了 BitVM 形式化验证工具。论文中，Nubit 通过形式验证（Formal Verification）自动化数学证明，为 BitVM 应用的安全性提供进一步保障，让开发者和用户能放心地构建和使用应用。

形式化验证是什么？如何帮助确保 BitVM 的安全性？

在 Robin 的论文中，BitVM 引入了一个系统，该系统使任何计算都可以在比特币的区块链上进行验证，其方式不会影响其安全性或更改网络。然而，系统开发以及基于此的应用构建，往往需要专家人工审查代码。在比特币这样对安全性要求极高的生态中，手动审查既耗时又可能出错。形式化验证（Formal Verification）通过纯数学运算，能够自动验证程序逻辑是否符合预期，为 BitVM 整体系统提供安全保障。

想象一下，你正在比特币上部署一个涉及多方交易的智能合约。为了确保合约在各种情况下都能正确执行，传统方法可能需要反复测试每一种可能性。但有了形式化验证（Formal Verification）工具，数学证明将自动检查合约的正确性，极大提升系统运行的安全属性。

BitVM 的特殊挑战：智能合约复杂度与比特币脚本的局限性

与以太坊等具备图灵完备性（Turing-complete）的区块链不同，比特币脚本语言受限于安全性考量，无法直接运行复杂计算。BitVM 通过链下执行和链上验证的模式实现了比特币智能合约的基本功能。换句话说，所有复杂的计算都在链下完成，只有结果在链上得到验证，极大地减轻了比特币链的负载。然而，这一创新带来了显著的实现难度。

首先，BitVM 的设计中包含了大量堆栈操作和寄存器计算，这些操作需要在比特币的非图灵完备脚本中高效地实现和验证。例如，为确保合约执行时能够正确判断数值的正负，一个常用函数是 is_positive，它通过检查数值的最高位判断正负。然而在一个早期版本中，is_positive 函数因为计算偏差而错误地将 0 判定为正数，这种细微的错误可能导致合约执行的严重偏差，甚至引发潜在的经济损失。

图源：《Push-Button Verification for BitVM Implementations》

通过形式化验证（Formal Verification），Nubit 的工具能够在代码部署之前自动检查类似的计算逻辑，确保所有执行路径都符合预期。在这里，Nubit 团队设计了一种基于寄存器的 DSL（领域特定语言），将比特币脚本复杂的堆栈操作转化为更易于验证的寄存器操作，从而简化了开发和验证流程。此外，针对多次重复的循环式计算，该 DSL 引入了「循环不变量」，以有效地减少代码中的重复计算，降低验证难度。

图源：《Push-Button Verification for BitVM Implementations》

验证效果：自动化形式化验证的高效性

从论文中看，Nubit 的形式化验证（Formal Verification）工具在 98 个 BitVM 的 SNARK 验证器基准上进行了广泛测试，验证成功率高达 94%，且大部分验证任务在数秒内即可完成。相比于传统的手动审查，这一工具不仅提高了验证速度，也避免了人工错误的可能性，为 BitVM 智能合约在比特币上的可靠执行提供了保障。

这一结果证明，形式化验证（Formal Verification）在比特币复杂应用中的确具备极高的实际价值，特别是在对安全性要求极高的 BTCFi 应用中，能够有效降低风险。

BitVM 与比特币生态：拓展比特币智能合约的潜力

通过形式化验证（Formal Verification），BitVM 的安全性得到了显著提升，在帮助开发者在比特币上构建更复杂的合约和应用的同时，让用户在去中心化金融和跨链应用中享受到比特币生态的高安全性。作为比特币生态系统的创新工具，BitVM 为比特币在复杂应用中的拓展奠定了基础。

比特币从未被设计成复杂计算平台，而是专注于价值存储和转移的可靠性。然而，随着 BitVM 推出，比特币生态正在向智能合约和 DeFi 应用迈进。对于去中心化应用的发展而言，完成形式化验证 BitVM 不仅是技术上的进步，更代表了比特币在去中心化金融和智能合约上的一个重要里程碑。

BitVM 打开比特币未来生态

在 BitVM 的发展过程中，Nubit 与 ZeroSync、Alpen Labs、Chainway Labs 和 Layer 1 Foundaton 等团队紧密合作，其推出的形式化验证 BitVM 为比特币生态带来了全新的安全和技术标准。同时，Nubit 在 Starkware 和 Fractal Bitcoin 的资助下将继续推动安全、可验证的比特币原生计算的发展。

万事开头难，由 BitVM 带来的比特币生态仍在萌芽，但早期项目间深度的协作和创新，将不仅为复杂计算的安全性提供有力保障，也将为比特币的未来打开无限可能。一个人人都能信任、人人都能参与的比特币新时代正在到来。