ZK 和 BitVm 的比特幣 Layer2 拓展解決方案

ZK設計的主要目標是為比特幣區塊鏈建立一個專門定制的Layer2網絡。比特幣Layer2網絡旨在滿足比特幣生態系統內日益增長的對更快速、更高效交易的需求。通過將某些交易處理任務從主網上釋放，旨在緩解比特幣主網的擁堵問題並大幅減少交易確認所需的時間。

鑑於比特幣虛擬機（VM）計算能力的固有限制，他們的設計使用了BitVM，它展示了在兩層網絡之間執行智能合約的潛力。通過利用挑战和響應方案，BitVM展示了一種比特幣網絡可編程性的新方法，打破了傳統的限制。

為了增強比特幣Layer2網絡的安全性和完整性，該設計通過集成零知識證明（ZK）技術來實現狀態驗證。這些先進的加密技術允許比特幣主網可以有效驗證Layer2網絡的狀態，而不會損害底層交易的隱私和機密性。零知識證明能夠驗證信息而不泄露交易的具體細節，從而在保護隱私的同時確保Layer2網絡的完整性。

總體而言，該設計旨在通過Layer2網絡、採用BitVM進行智能合約執行以及集成零知識證明技術進行狀態驗證，提高比特幣網絡的可擴展性、速度和效率，同時保持底層交易的隱私和安全性。

0、架構

Layer2區塊鏈採用账戶模型。整個區塊鏈的狀態是通過基於Halo2證明系統的zkVM來驗證的。Layer2狀態與比特幣主網絡進行同步，並且所有Layer2狀態都由BitVM實現的零知識證明（ZKP）驗證器進行驗證。 使用一個UTXO來追蹤所有的Layer2狀態。此外，還使用了一個可信的預言機來確保只有鎖定/解鎖腳本的輸入/輸出遵循Layer2協議。

1、Layer2委員會和可信預言機

由一組被選中的用戶組成的Layer2委員會負責監督Layer2網絡的整體運行狀況。在出現協議問題時，委員會可以介入並停止協議，保護所有用戶的資產。可信預言機對於驗證輸入/輸出UTXO和腳本的正確性非常重要。

2、第一層到第二層

在比特幣網絡上創建一個單一的Taproot地址來表示Layer2協議。當創建一個UTXO並將其轉移到Taproot地址時，相應的UTXO實際上是從比特幣主網“充值”到Layer2。

協議或委員會账戶專門處理所有“充值”到Layer2的UTXO資產的“轉移”權限。只有協議、可信預言機或委員會账戶可以更改存入UTXO的所有權。可信預言機確保所有權轉移交易中包含正確的輸出UTXO腳本。

3、同步到比特幣主網的區塊

所有Layer2網絡的狀態以區塊的形式同步到比特幣主網。對於一個區塊，應提供以下信息：

· 一個特定區塊中的交易；

· 應用這些交易後的新账戶狀態；

· 當前區塊狀態下的新UTXO（即使協議被破壞，也始終准備好）；

· 比特幣網絡的區塊信息；

· 零知識證明（證明從上一個區塊到當前區塊的狀態轉換是正確的） 所有這些比特幣主網的狀態都記錄在一個UTXO交易歷史中。

3.1 關於證明的更多信息

零知識證明被用來驗證Layer2的正確性。試圖證明以下內容：

· Layer2的區塊交易被正確籤名。

· 所有账戶的新狀態被正確處理。

· 在比特幣主網的某個特定區塊之前的所有充值交易被正確處理。

· 對於當前狀態，所有UTXO的分配都被正確創建。

3.2 區塊信息挑战

為了確保比特幣主網中指定的區塊信息的正確性，他們使用了一個挑战和響應方案。證明者可以通過指出在鎖定時間段內特定區塊之後還存在N個區塊來證明區塊信息的准確性。

3.3 ZKP電路和BitVM增強

正如BitVM論文所示，ZKP驗證可以表示為一個二進制電路，可以由兩個參與方進行挑战。通過預籤名交易，可以發送挑战以獲取電路的比特承諾。如果揭示0和1，則挑战成功。為了使用BitVM來驗證ZKP，需要注意以下兩點：

• 相同的二進制電路承諾只能使用一次。也就是說，如果相同的電路承諾用於多個區塊，可能會揭示一個比特承諾的0和1。

• 對於ZKP驗證，除了電路的滿足性外，還應檢查“公共輸入”。

為了處理這兩個缺點，對於Layer2的每個區塊，創建一個唯一的二進制電路，並且固定“公共輸入”。比特幣腳本用於處理公共輸入的哈希和檢查。正確的公共輸入比特承諾由可信的預言機進行檢查。就電路滿足性而言，委員會內的任何成員都有權利提出挑战。

4、從Layer2到比特幣主網

資產可以通過兩種方式從Layer2移動到比特幣主網：提現（withdrawal）和強制提現（force-withdrawal）。 提現交易是從Layer2觸發的，ZKP電路確保交易按預期進行處理。強制提現交易是從比特幣網絡發起的。

4.1 提現和強制提現交易

從Layer2觸發的提現交易使用ZKP電路進行驗證，以確保正確處理交易。從比特幣網絡發起的強制提現交易必須包含在下一個區塊狀態更新中。

4.2 UTXO分配

當一個區塊的狀態更新時，UTXO分配會進行同步。在協議停止的情況下，可以應用所有UTXO以確保所有用戶資產的安全。在這些UTXO中，只有提現或強制提現的UTXO由協議籤名。

5、Layer2退出

一旦ZKP未經驗證，委員會必須停止並退出協議。如果協議停止，委員會會為Layer2最新區塊狀態中指定的所有UTXO分配進行籤名。憑借這些籤名，用戶可以從Layer2提現而不會有任何損失。

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