Conocimientos básicos de BitVM: implementación de la prueba de fraude y la prueba de fraude ZK

La prueba de fraude es una solución técnica ampliamente utilizada en el campo de la blockchain, que se originó en la comunidad de Ethereum y fue adoptada por soluciones de Ethereum Layer 2 como Arbitrum y Optimism. Tras el surgimiento del ecosistema de Bitcoin en 2023, Robin Linus propuso el esquema BitVM, que tiene como idea central la prueba de fraude y se basa en la tecnología existente de Bitcoin, proporcionando un nuevo modelo de seguridad para la segunda capa de Bitcoin o puentes.

BitVM ha experimentado múltiples evoluciones teóricas, desde la versión inicial BitVM0, que utilizaba puertas lógicas como elementos básicos, hasta la más reciente BitVM2, que se centra en la prueba de fraude ZK y el circuito de verificación Groth16, mostrando un camino de implementación técnica en constante maduración. Varios proyectos como Bitlayer, Citrea, BOB, Fiamma y GoatNetwork han realizado diferentes versiones basadas en la tecnología BitVM.

Este artículo tomará como ejemplo el esquema de prueba de fraude de Optimism, analizando su solución basada en la máquina virtual MIPS y la prueba de fraude interactiva, así como las principales ideas detrás de la prueba de fraude ZK.

OutputRoot y StateRoot

Optimism es un conocido proyecto de Optimistic Rollup, cuya arquitectura se compone de un secuenciador y contratos inteligentes en la cadena de Ethereum. Después de que el secuenciador procesa los datos de transacción, envía los datos a Ethereum. Cualquiera puede ejecutar el cliente de nodo de Optimism, descargar los datos subidos por el secuenciador y ejecutar transacciones localmente, calculando el hash del conjunto de estados actual de Optimism.

Si el secuenciador sube un hash de conjunto de estado incorrecto, el resultado del cálculo local será diferente. En este caso, se puede iniciar una disputa a través del sistema de prueba de fraude. El sistema tomará las medidas correspondientes contra el secuenciador según el resultado del juicio.

Optimism utiliza un campo StateRoot similar al de Ethereum para reflejar los cambios en el conjunto de estados. El secuenciador sube periódicamente el OutputRoot a Ethereum, que se calcula a partir del StateRoot y otros dos campos.

Máquina virtual MIPS y árbol de Merkle de memoria

Para verificar la corrección de OutputRoot en la cadena, el equipo de Optimism diseñó un sistema de prueba de fraude interactivo, refinando profundamente el proceso de manejo de transacciones. Implementaron una máquina virtual MIPS escrita en Solidity, logrando parte de las funciones del cliente de nodo OP.

La información de estado de la máquina virtual MIPS se organiza a través de un árbol de Merkle en memoria. Durante el proceso de prueba de fraude, es necesario subir parte de los datos de memoria a la cadena. El contrato inteligente en la cadena ejecuta un código de operación MIPS a través de la función Step, verificando si el resultado coincide con el presentado por el secuenciador.

Prueba de fraude interactiva

Optimism desarrolló el protocolo Fault Dispute Game(FDG), que incluye dos roles: el retador y el defensor. Los participantes deben construir un GameTree localmente y, a través de múltiples interacciones, localizar el código de operación MIPS en disputa.

GameTree está compuesto por dos niveles de árboles, donde las hojas del primer nivel son los OutputRoot de diferentes bloques, y las hojas del segundo nivel son el hash de estado de la máquina virtual MIPS. Las partes en disputa determinan, a través de interacciones en la cadena, los códigos de operación MIPS que necesitan ejecutarse en la cadena.

Prueba de fraude ZK

La prueba de fraude tradicional presenta problemas como interacciones complejas, altos costos de gas y gran dificultad de desarrollo. Para resolver estos problemas, Optimism ha propuesto el concepto de Prueba de Fraude ZK.

En el esquema de Prueba de Fraude ZK, el retador especifica la transacción que necesita ser reproducida, el secuenciador de Rollup proporciona la prueba ZK de la transacción desafiada, que es verificada por un contrato inteligente de Ethereum. Si la verificación es exitosa, se considera que el procesamiento de la transacción es correcto.

En comparación con la prueba de fraude interactiva, la Prueba de Fraude ZK cambia las múltiples interacciones a una sola generación de prueba ZK y verificación en la cadena, ahorrando tiempo y costos de gas. En comparación con ZK Rollup, el OP Rollup basado en Prueba de Fraude ZK solo genera pruebas ZK cuando es desafiado, reduciendo los costos de cálculo de los nodos.

BitVM2 también adopta un enfoque similar, implementando un programa de verificación de prueba ZK a través de scripts de Bitcoin, y ha reducido drásticamente el tamaño del programa en la cadena. Varios proyectos como Bitlayer, Goat Network, ZKM y Fiama están explorando esta ruta tecnológica.