Bitcoin+STARK: ZeroSync & Khepri

1. 引言

当前，以下项目借助STARK，为Bitcoin引入类似Mina的功能：

• https://github.com/lucidLuckylee/zerosync：Pure Cairo based（Cairo+Python）
• https://github.com/bitcoin-stark/khepri：StarkNet contract based（Cairo+Python）

2. ZeroSync

ZeroSync定位为：
不再需要下载数百GB的区块，借助STARK proof，即可验证整个历史交易以及每个人的当前balance。

ZeroSync项目启动历程为：

• 2022年2月，Lukas George启动STARK relay作为其TU Berlin的本科论文，在STARK relay中，其证明了the headers chain of Bitcoin。
• Geometry Research为项目开发提供了grant资助。
• 2022年7月，Robin Linus加入项目，并将项目规划为full chain proof。
• Ruben Somsen将项目重命名为ZeroSync。

ZeroSync致力于成为custom Bitcoin proofs的工具盒。借助STARK proof，可：

• transform the blockchain data
• enhance the blockchain data
• filter the blockchain data
• index the blockchain data for efficient queries
• optimise the blockchain data for individual use case

ZeroSync的长期愿景为：“zerosync and scan the chain efficiently”，即：

• 1）Merkelized headers chain：对链上任意交易压缩并提供灵活的inclusion proofs；
• 2）Block filters：为zk-clients提供block filters，以检查某区块是否与其相关；
• 3）Compact blocks：为zk-clients提供区块压缩，可仅下载与其相关的部分区块，而不是所有区块。

ZeroSync未来也希望可实现：

• 1）Compact ring signatures：如，证明you control outputs worth at least 1BTC without revealing which ones。
• 2）Instant history verification for client-side validation protocols like Omni, RGB, or Taro，但是：
  • 借助transaction graph obfuscation，具有更好的隐私。每笔交易可为a coin teleport proven in zk。
• 3）强化Lightning Network中的routing隐私？

Zero Sync当前仍处于早期阶段，ZeroSync路线图为：

• 1）阶段1——“assumvalid”：即模仿“assumevalid” option of Bitcoin Core实现chain proof，主要工作为：

  • 解析区块、区块头和交易
  • 验证链上各种哈希（如区块哈希、前一区块哈希、Merkle root、TxID等）
  • 验证the chain’s work（proof-of-work 以及 难度重新校准）
  • 验证UTXO set（Utreexo accumulator 以及 提供inclusion proof的“bridge node”）
  • 以recursive STARKs实现的chain of proof：即在当前chain proof中验证previous chain proof。

• 2）阶段2——“measure and optimise”：测量并优化assumevalid proof的性能，使得其可支撑未来扩展到Bitcoin Scripts validation证明，基本流程为：

  • 对full of transactions区块的assumevalid proof进行benchmark
  • 识别性能瓶颈并看是否存在showstoppers
  • 优化瓶颈，直到可满足添加Script validation性能要求

• 3）阶段3——“Bitcoin Script”：实现witness verification，并完成full chain proof：

  • Bitcoin Script：
    • Compute signature hashes（ALL/NONE/SINGLE/ANYONECANPAY,…）
    • Script interpreter（实现所有opcodes）
  • Payment类型有：
    • Legacy：p2pk/p2pkh/p2sh
    • SegWit：p2wpkh/p2wsh
    • Taproot：p2tr，以及key path & script path spend
  • Crypto：
    • ECDSA，Schnorr
    • SH256/HASH256/SHA1/RIPEMD160/HASH160
  • Chain verifier：
    • 软件：用于下载和证明a chainstate directory for a Bitcoin Core full node
    • 网站：在一个简单的网站中展示chainstate proof demo。

  完成以上3个阶段之后，可同步a pruned full node by downloading only the current UTXO set。
  运行一个ZeroSync全节点无需修改Bitcoin Core的代码，仅需要在验证通过之后，将UTXO set拷贝到Core的chainstate路径下即可。

• 4）阶段4——Hardening：代码在生产可用之前，需对其进行测试、review、固化：

  • 收集社区反馈
  • 进行代码review
  • 更多的testing，并添加fuzzing
  • Bug Bounty program

3. Khepri

Khepri定位为：

• STARK-proven Stateful Bitcoin client enabling hyper fast trustless sync and checkpoints。

Khepri当前仍处于PoC阶段，用于展示在不改变Bitcoin协议的情况下如何使用STARK proof。

Kehpri的核心思想为：

• 借助STARK proof system来解决Bitcoin生态中的某些issue，或至少强化用户体验。

借助STARK proof和Cairo，可验证the integrity of a computation without having to naively redo all computation。因此，Verifier可确信the honest execution of a program，而不需要执行该程序来检查结果。

验证proof 比 直接执行该程序 的速度要快指数级的，从而提供了可扩容性。
此外，生成proof的开销，相对于 正常执行程序而不生成proof 的开销，是可忽略的。

这种机制为多个用户场景提供了很多潜在优化可能，如：

• hyper fast & trustless synchronization (IBD)
• enhanced Simplified Payment Verification
• protection against DoS on the P2P layer

Kehpri总体架构为：

附录

• Omni：为构建与Bitcoin之上的去中心化资产平台，用于创建和交易自定义数字资产及货币。
• RGB：为基于Bitcoin和闪电网络之上构建的复杂智能合约协议。为Bitcoin生态的Layer2和Layer3，为client-side validated state and smart contracts system。RGB：
  • 不是token协议；
  • 与闪电网络配合使用；
  • 由于是client-validated特性，无链上使用和可跟踪痕迹；
  • 独立于Bitcoin timechain扩容；
  • 基于最好的研究产品可提供零知识性和隐私性：
    • Mimblewhimble：Bulletproofs by Andrew Poelstra
    • Liquid：Confidential Assets by Blockstream
• Taro：为Bitcoin闪电网络实验室(Lightning Labs) 的项目，Taro协议利用2021年11月在比特币上推出的Taproot升级基础上，向比特币和闪电网络的用户引入稳定币、NFT和其他资产的方案。Taro将允许比特币以外的资产在比特币主区块链上发行，并能通过第二层闪电网络（LN）转移和使用这些资产
  Taproot升级：
  • 使用Schnorr签名代替ECDSA签名，可将多笔交易打包形成聚合签名，打包后的交易 与 普通交易没有区别，具有更好的安全性和隐匿性；
  • 利用MSAT（Merklized Abstract Syntax Tree）结构——来自于抽象语法树（Abstract Syntax Tree）和默克尔树（Merkle Tree）的结合。MAST允许在散列所有内容之前对交易或智能合约的每个属性进行分割。当比特币交易发生时，只需要提供其分支运算并将分支哈希连接到固定大小的默克尔根上，从而减少交易数据，提升区块空间。而且MAST可以根据交易不同设置不同的条件，也就是实现智能合约功能。

参考资料

[1] twitter some efforts to make Bitcoin work similarly to Mina
[2] 比特币Taproot升级顺利完成，对比特币有哪些长期影响？
[3] Taro——Taproot-powered protocol
[4] Bitcoin RGB协议