BTCへのアプローチ：BitVMを理解するために必要な背景知識

著者：Nickqiao, Faust, Shew Wang; 出典：Geek web3

概要：最近、Delphi Digitalは「The Dawn of Bitcoin Programmability: Paving the Way for Rollups（ビットコインのプログラマビリティの夜明け：ロールアップへの道を開く）」と題したビットコインのレイヤー2技術に関する研究論文を発表しました。

この研究は、ビットコインの第2層技術に関する大まかなイメージを提示しているものの、包括的なものではありません。このレポートは、ビットコインのレイヤー2技術について大まかなイメージを与えてはいるものの、全体的な一般論と詳細の欠如により、理解できないものになっています。Geek web3は、Delphiの研究論文をさらに深く掘り下げることで、BitVMやその他の技術についてより体系的な理解を提供しようとしています。

Bitlayer チームと BitVM Chinese コミュニティと共にこのプロジェクトに取り組みます。

私たちはBitlayer研究チームおよびBitVMコミュニティと協力して、BitVM、OP_CAT、およびビットコイン・クロスチェーンブリッジやその他の重要なトピックに焦点を当て、ビットコイン技術の第2レイヤーに光を当て、より多くの愛好家が道を切り開くのを助けることに専念する「BTCに接近する」というコラムシリーズを開発する予定です。

数ヶ月前、ZeroSyncの責任者であるロビン・ライナスは、「BitVM: Compute Anything on Bitcoin」と題する記事を発表し、BitVMのコンセプトを正式に紹介し、ビットコインの第2層技術の進歩を推し進めました。ビットコインのエコシステムにおける最も革命的なイノベーションの1つであることは間違いなく、ビットコインレイヤー2のエコシステム全体に火をつけ、Bitlayer、Citrea、BOBなどのスタープロジェクトの参加を集め、市場全体に活気をもたらしました。

その後、より多くの研究者がBitVMの改良に関わりました。BitVMは、BitVM1、BitVM2、BitVMX、およびBitSNARKのさまざまなイテレーションによって改良されました。一般的なイメージは以下の通りです：

1. Robin Linusが昨年初めて発表したBitVM実装ホワイトペーパーは、BitVMの架空のゲートベース実装であるBitVM0;

2. ロビン・ライナスは、その後のいくつかの講演やインタビューで、ビットコインスクリプトを使用して汎用CPUとしてオフチェーンでシミュレートできる、Optimismの不正証明システムCannonに似た、架空のCPUベースのBitVMソリューション（BitVM1と呼ばれる）を非公式に紹介しました。

3. また、Robin Linusは、Permission-less single-step non-interactive proof-of-fraudプロトコルであるBitVM2を提案しました。

4. 
   また、Robin Linus氏は、Permission-less single-step non-teractive proof-of-fraud protocolであるBitVM2を提案しています。strong>RootstockラボとFairgateラボのメンバーは、BitVMXホワイトペーパーをリリースしました。これは、BitVM1と同様に、ビットコインスクリプティングを通じて汎用CPU（オフチェーン）の効果をエミュレートすることを目的としています。

現在、BitVM関連の開発者エコシステムの構築が目に見えるようになってきており、周辺ツールの反復的な改善も目に見えるようになってきています。BitVMのエコシステムは昨年と比較してより目に見えるものとなっており、ビットコインのエコシステムに参入する開発者やVCを引きつけている。

しかし、ほとんどの人にとって、BitVMとビットコイン第2層に関連する技術用語を理解するのは容易ではない。しかし、ほとんどの人にとって、BitVMとBitcoin第2層を理解するのは簡単なことではなく、その周辺の基礎知識、特にBitcoinスクリプティングとTaprootの背景知識を体系的に理解する必要があります。現在、オンラインで利用可能なリファレンスは、長すぎて複雑であるか、理解できるほど十分に説明されていません。私たちは、より多くの人がビットコインの第2層の周辺をできるだけわかりやすい言葉で理解できるように支援し、BitVMシステムの体系的な理解を構築することで、これらの問題を解決することを約束します。

MATT and the Promise: The Ideas Underlying BitVM

まず最初に、BitVMの根底にあるアイデアがMATTであることを強調したいと思います。これはMerkleize All The Thingsを意味し、主に複雑なプログラムの実行プロセスを示すツリー状のデータ記憶構造であるMerkle Treeを指し、これを管理してビットコインネイティブの検証済み不正証明。

MATTは、複雑なプログラムとそのデータ処理のトレースを表すことはできますが、BTCのデータを直接表すことはできません。トレースは、このデータの全体的なサイズが非常に大きいため、このデータをBTCチェーン上で直接公開することはありません。MATTのアプローチでは、連鎖の下のMerkleツリーにのみデータを保存し、Merkleツリーの一番上の要約（Merkle Root）のみが連鎖上で公開される。このメルクルツリーには、3つの主要なコア要素が含まれています：

• 。Smart Contract Script Code

• 契約に必要なデータ

• 契約に必要なデータ

コントラクトの実行中に残された痕跡（スマートコントラクトがEVMなどの仮想マシンで実行される際に、メモリ、CPUレジスタに加えられた変更の記録）

(Merkle Rootが多層ハッシュ計算後にグラフ下部の8つのデータフラグメントから計算される単純なMerkle Treeの概略図)

MATT スキームでは、非常に小さな Merkle Root だけがチェーン上に保存され、Merkle Tree に含まれる完全なデータセットはチェーンの下に保存されます。.ここで、コミットメントとは何かについて説明しよう。

コミットメントは簡略化されたステートメントに似ています。strong>は、大量のデータを圧縮して得られる「指紋」と考えることができます。一般的に、チェーン上で「約束」を公表する人々は、チェーン外に保存されたあるデータが正確であり、このチェーン外のデータが簡潔なステートメントに対応していると主張します。

ある時点で、データのハッシュはデータ自体の「約束」として機能する。他のコミットメントスキームにはKZGコミットメントやMerkle Treeがある。Layer2の慣習的な不正証明プロトコルでは、データ公開者はオフチェーンで完全なデータセットを公開し、オンチェーンでデータセットの約束を公開する。もし誰かがチェーン下のデータセットに無効なデータがあることを発見したら、彼らはチェーン上のデータに対してデータの約束に異議を唱えるだろう。

コミットメントによって、レイヤー2は、データセットに含まれるデータセットが無効であることを発見することができます。)、レイヤー2は大量のデータを圧縮し、ビットコインチェーン上でのみ「コミットメント」を公開することができる。もちろん、チェーンの下に公開された完全なデータセットが、外の世界から観察可能であることを保証することも重要です。

BitVM0, BitVM1, BitVM2, BitVMXといった現在の主要なBitVMスキームは、基本的に同様の抽象化を使用しています:

1. Procedural decomposition and commitment: まず、複雑なプロシージャを多数の基本的なオペコードに分解し（コンパイル）、特定の実行中にこれらのオペコードによって生成されたトレースを記録します。次に、特定の実行中にこれらのオペコードによって生成されたトレースを記録します（わかりやすく言うと、CPUとメモリで実行されているプログラムの全状態変化記録で、トレースと呼ばれます）。その後、トレースとオペコードを含むすべてのデータを照合してデータセットに整理し、そのデータセットに対する約束を生成します。

特定のコミットメントスキームには、メルクルツリーなどさまざまな形式があります。strong>2.アセットプレッジと事前署名：データパブリッシャーと検証者は、事前署名によってチェーン上の一定量のアセットをロックする必要があります。これらの条件は、将来起こりうる出来事に対応して発動され、データ発行者が悪事を働いた場合、検証者は証拠を提出してデータ発行者の資産を取り上げることができます

3. データとプロミスの公開: データ公開者はプロミスをオンチェーンで公開し、完全なデータセットはオフチェーンで公開され、バリデータはデータセットを取得してエラーがないかチェックする。チェーン下のデータセットの各部分は、チェーン上の約束と相関がある。

4. 挑戦と罰則：バリデータがデータセットに誤りがあることを発見したら、バリデータはそのデータセットに挑戦する。データパブリッシャーがエラーを含むデータを提供すると、この部分を直接検証チェーンに持ち込む（データのこの部分を特に細かく最初にカットする）ことになり、これが不正証明の論理となる。検証の結果、データ公開者が無効なデータをチェーンの下に提供したことが判明した場合、その資産は彼に異議を唱えた検証者に奪われます。

要約すると、データパブリッシャーであるアリスは、次のようになります。レイヤ2トランザクションの実行中に生成された全てのトレースをオフチェーンで公開し、対応するプロミスをチェーンに投稿する。データの一部が間違っていることを証明したい場合、まずビットコインノードに対して、データのこの部分がチェーン上の約束と関連していることを証明する、つまり、このデータがアリス自身によって公開されていることを証明し、次にビットコインノードにデータのこの部分が間違っていることを判断させる。

BitVMの一般的な理解ができたので、すべてのBitVMが同じ考えを持っていることがわかります。全てのBitVMの亜種は基本的に上記のパラダイムに従っている。それでは、上記のプロセスで使用される重要なテクニックのいくつかを、ビットコイン・スクリプティングとTaprootと事前署名の基本から学び、理解し始めましょう。

ビットコインスクリプトとは

(An example of Bitcoin scripting code consisting of lower-level opcodes than a high-level language)

イーサリアムの資産表現は、どちらかというとアリペイやWeChatのようなもので、各送金は異なる口座の残高を足したり引いたりするだけで、口座中心のアプローチであり、資産残高は口座名の下の数字に過ぎません。strong>転送は実際に古いUTXOを破壊し、新しいものを生成します（所有者が変わります）。

Bitcoin UTXOには2つのキーフィールドがあります。

• 「サトシ（satoshi）」（10億）単位の金額。(satoshi)」(10億satoshiは1BTC);

• 「ScriptPubKey」としても知られるロックスクリプトは、UTXOのロックを解除する条件を定義します。

重要なのは、UTXOのロックを解除するための条件です。

その後、サム。これらのビットコインを使用するには、ロック解除スクリプト（ScriptSig）を提出する必要があります。このスクリプトでは、サムがデジタル署名を提示し、彼自身がサムであることを証明します。ロック解除スクリプトが前述のロックスクリプトと一致すれば、サムはロックを解除してビットコインを他人に譲渡できる。

(unlock script must be match the lock script to work)

プレゼンテーションの観点から、ビットコインチェーン上の各トランザクションは複数のInputsとOutputsに対応し、各Inputはロックを解除したいUTXOを宣言し、UTXOのロックを解除して破棄するためのロック解除スクリプトを提出します。出力は新しく生成されたUTXO情報を表示し、ロックスクリプトを公開します。

例えば、トランザクションのInputで、あなたが以下のことを証明します。Samであることを証明し、他の誰かから与えられた複数のUTXOのロックを解除し、それらを一律に破棄し、将来的にロックを解除するためにxxxの宣言で複数の新しいUTXOを生成する。

具体的には、トランザクションの入力データで、どのUTXOのロックを解除したいかを宣言し、そのUTXOデータの「保管場所」を指定します。ビットコインは、データを保存するためにコントラクトアカウントとEOAアカウントの両方を提供するイーサとは大きく異なることに注意する必要があります。 資産残高は、コントラクトまたはEOAアカウント名の下に数字として記録され、「State of the World」と呼ばれるデータベースに配置されるため、State of the Worldから特定のアカウントに直接転送することができ、データがどこに保存されているかを簡単に特定することができます。

ビットコインにはステート・オブ・ワールドの設計がなく、資産データは散在しており、通過ブロック(つまり、アンロックされたUTXOデータで、各トランザクションのOutPutに個別に格納されています)。

UTXOのロックを解除したい場合、UTXO情報が過去のトランザクションのどのOutputに存在するかを述べ、トランザクションのID（これはそのハッシュです）を示し、、ビットコインノードに履歴を調べさせます。アドレスのビットコイン残高を調べるには、ゼロからすべてのブロックをトラバースして、アドレスxxに関連するロック解除されたUTXOを見つける必要があります。serif; font-size: 18px;">普段からビットコインウォレットを使っていると、特定のアドレスが所有しているビットコインの残高をすぐに確認することができます。ウォレットサービス自体がブロックをスキャンしてすべてのアドレスをインデックス化しているため、すぐに確認できることが多いのです。

（自分のUTXOを誰かに送るために取引明細を生成する場合、それらのUTXOが属する取引のハッシュ/IDに基づいて、ビットコインの履歴におけるUTXOの位置をマークします）

興味深いことに、ビットコイン取引の結果はオフチェーンで計算されるため、ユーザーがローカルデバイスで取引を生成する場合、入力と出力の両方を直接作成する必要がある。出力が作成され、これはトランザクションの出力を計算することと同じである。取引はその後ビットコインネットワークにブロードキャストされ、チェーンにアップロードされる前にノードによって検証される。この「オフチェーンでの計算-オンチェーンでの検証」モデルは、トランザクションの入力パラメータを提供するだけで結果がイーサノードによって計算され出力されるイーサとは完全に異なります。

さらに、UTXOのロックスクリプト(Locking Script)はカスタマイズ可能で、UTXOを「特定のビットコインアドレスの所有者がロック解除可能」に設定でき、これにはデジタル署名と公開鍵(P2PKH)が必要です。また、Pay-to-Script-Hash（P2SH）トランザクションタイプでは、UTXOロックスクリプトにスクリプトハッシュを追加することができ、そのハッシュに対応するオリジナルスクリプトイメージを提出し、そのオリジナルスクリプトイメージにプリセットされた条件を満たすことができる人は誰でも、UTXOのロックを解除することができます。BitVMが依存しているTaprootスクリプトは、P2SHに似た機能を使用しています。

BitVM が依存している Taproot スクリプトは、P2SH と同様の機能を使用しています。P2PKHは「Pay to Public Key Hash」として知られており、このシナリオでは、UTXOのロックスクリプトは、P2PKHを設定します。このシナリオでは、UTXOはロックスクリプトに公開鍵ハッシュを設定し、ロック解除時にはそのハッシュに対応する公開鍵を提出する必要があり、これは基本的に通常のビットコイン送金と同じ考え方です。

この時点で、ビットコインノードは、どの公開鍵がロックスクリプトに設定されているかを判断します。とロックスクリプトで指定された公開鍵ハッシュ、つまり、ロック解除者によって提出された「鍵」とUTXOによってプリセットされた「ロック」が一致することを確認します。

さらに、P2PKHシナリオでは。トランザクションを受け取ると、ビットコインノードはユーザーから与えられたロック解除スクリプトScriptSigを、ロック解除されるUTXOのロックスクリプトScriptPubkeyとスプライスし、BTCスクリプトの実行環境内で実行します。次の画像は、実行前のスプライスを示しています:

おそらく読者はBTCスクリプト環境をご存じないでしょうから、ここで簡単に紹介します。まず、BTCスクリプトは2つの要素を含んでいます:

BTCスクリプトは2つの要素を含んでいます。: 18px;">データとオペコード。データとオペコードは左から右の順番でスタックに押され、指定されたロジックに従って実行され、最終的な結果を得ます（スタックが何であるかの詳細には触れませんが、それはChatgptの読者に任せます）。

例えば上の画像左は、誰かがロック解除スクリプトを含むScriptSigというスクリプトをアップロードしているところです。左側には、誰かがアップロードしたロック解除スクリプト ScriptSig があり、そこには彼のデジタル署名と公開鍵が含まれています。右側には、ロック スクリプト ScriptPubkey があり、そこには UTXO の生成時に UTXO の作成者によって設定されたオペコードの一部とデータが含まれています （これらのオペコードのそれぞれの意味を知る必要はなく、一般的な意味だけを知る必要があります）。

DUP, HASH160, EQUALVERIFYは、上の画像の右側にあるロックスクリプトのオペコードです、EQUALVERIFYと上図の右側のロッキングスクリプトの他のオペコードは、左側のアンロッキングスクリプトで運ばれた公開鍵とロッキングスクリプトの公開鍵ハッシュプリセットを比較する役割を担っており、もしそれらが等しければ、アンロッキングスクリプトでアップロードされた公開鍵とロッキングスクリプトの公開鍵ハッシュプリセットが一致することを意味し、最初の検証をパスします。

しかし、問題があります。UTXOロックダウン・スクリプトの内容は、実際にはチェーン上で公開されています。UTXOロックスクリプトの内容は実際にチェーン上で公開されており、誰でもその中に含まれる公開鍵ハッシュを観察することができ、誰でも対応する公開鍵をアップロードして「選ばれた」人物だと偽ることができる。したがって、公開鍵と公開鍵ハッシュを検証した後、トランザクションの開始者が本当に 公開鍵の実際の管理者であることを検証する必要がある。これは電子署名の検証を必要とする。lockスクリプトのCHECKSIGオペコードが電子署名の検証を担当する。

要約すると、P2PKHシナリオでは、以下のようになる。トランザクションの開始者によって提出されたロック解除スクリプトには公開鍵とデジタル署名が含まれており、ロックスクリプトで指定された公開鍵ハッシュと一致する必要があります。family: Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 18px;">

（この画像は動的です：P2PKHシナリオにおけるビットコインのロック解除スクリプトの概略図）