作者：ZKBase（前 ZKSpace）；來源：Medium

本設計的主要目標是為比特幣區(qū)塊鏈建立一個專門定制的Layer2網(wǎng)絡。比特幣Layer2網(wǎng)絡旨在滿足比特幣生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)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(wǎng)上釋放，旨在緩解比特幣主網(wǎng)的擁堵問題并大幅減少交易確認所需的時間。

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

為了增強比特幣Layer2網(wǎng)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(xiàn)狀態(tài)驗證。這些先進的加密技術允許比特幣主網(wǎng)可以有效驗證Layer2網(wǎng)絡的狀態(tài)，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(jié)，從而在保護隱私的同時確保Layer2網(wǎng)絡的完整性。

總體而言，該設計旨在通過Layer2網(wǎng)絡、采用BitVM進行智能合約執(zhí)行以及集成零知識證明技術進行狀態(tài)驗證，提高比特幣網(wǎng)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(gòu)

Layer2區(qū)塊鏈采用賬戶模型。整個區(qū)塊鏈的狀態(tài)是通過基于Halo2證明系統(tǒng)的zkVM來驗證的。Layer2狀態(tài)與比特幣主網(wǎng)絡進行同步，并且所有Layer2狀態(tài)都由BitVM實現(xiàn)的零知識證明（ZKP）驗證器進行驗證。 我們使用一個UTXO來追蹤所有的Layer2狀態(tài)。此外，我們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(xié)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(jiān)督Layer2網(wǎng)絡的整體運行狀況。在出現(xiàn)協(xié)議問題時，委員會可以介入并停止協(xié)議，保護所有用戶的資產(chǎn)。可信預言機對于驗證輸入/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(wǎng)絡上創(chuàng)建一個單一的Taproot地址來表示Layer2協(xié)議。當創(chuàng)建一個UTXO并將其轉(zhuǎn)移到Taproot地址時，相應的UTXO實際上是從比特幣主網(wǎng)“充值”到Layer2。

協(xié)議或委員會賬戶專門處理所有“充值”到Layer2的UTXO資產(chǎn)的“轉(zhuǎn)移”權(quán)限。只有協(xié)議、可信預言機或委員會賬戶可以更改存入UTXO的所有權(quán)。可信預言機確保所有權(quán)轉(zhuǎn)移交易中包含正確的輸出UTXO腳本。

3、同步到比特幣主網(wǎng)的區(qū)塊

所有Layer2網(wǎng)絡的狀態(tài)以區(qū)塊的形式同步到比特幣主網(wǎng)。對于一個區(qū)塊，應提供以下信息：

· 一個特定區(qū)塊中的交易；

· 應用這些交易后的新賬戶狀態(tài)；

· 當前區(qū)塊狀態(tài)下的新UTXO（即使協(xié)議被破壞，也始終準備好）；

· 比特幣網(wǎng)絡的區(qū)塊信息；

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

3.1 關于證明的更多信息

零知識證明被用來驗證Layer2的正確性。試圖證明以下內(nèi)容：

· Layer2的區(qū)塊交易被正確簽名。

· 所有賬戶的新狀態(tài)被正確處理。

· 在比特幣主網(wǎng)的某個特定區(qū)塊之前的所有充值交易被正確處理。

· 對于當前狀態(tài)，所有UTXO的分配都被正確創(chuàng)建。

3.2 區(qū)塊信息挑戰(zhàn)

為了確保比特幣主網(wǎng)中指定的區(qū)塊信息的正確性，我們使用了一個挑戰(zhàn)和響應方案。證明者可以通過指出在鎖定時間段內(nèi)特定區(qū)塊之后還存在N個區(qū)塊來證明區(qū)塊信息的準確性。

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戰(zhàn)。通過預簽名交易，可以發(fā)送挑戰(zhàn)以獲取電路的比特承諾。如果揭示0和1，則挑戰(zhàn)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于多個區(qū)塊，可能會揭示一個比特承諾的0和1。

對于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，對于Layer2的每個區(qū)塊，創(chuàng)建一個唯一的二進制電路，并且固定“公共輸入”。比特幣腳本用于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(nèi)的任何成員都有權(quán)利提出挑戰(zhàn)。

4、從Layer2到比特幣主網(wǎng)

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

4.1 提現(xiàn)和強制提現(xiàn)交易

從Layer2觸發(fā)的提現(xiàn)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(wǎng)絡發(fā)起的強制提現(xiàn)交易必須包含在下一個區(qū)塊狀態(tài)更新中。

4.2 UTXO分配

當一個區(qū)塊的狀態(tài)更新時，UTXO分配會進行同步。在協(xié)議停止的情況下，可以應用所有UTXO以確保所有用戶資產(chǎn)的安全。在這些UTXO中，只有提現(xiàn)或強制提現(xiàn)的UTXO由協(xié)議簽名。

5、Layer2退出

一旦ZKP未經(jīng)驗證，委員會必須停止并退出協(xié)議。如果協(xié)議停止，委員會會為Layer2最新區(qū)塊狀態(tài)中指定的所有UTXO分配進行簽名。憑借這些簽名，用戶可以從Layer2提現(xiàn)而不會有任何損失。