ブロックチェーン/レベル V · レイヤー/5.2 その他のレイヤー/レッスン 6

BitVMとブリッジ問題

ルールを変更せずに計算を検証する

用意するものロビン・リナスによるBitVMホワイトペーパー（2023年）論理ゲートシミュレータ（無料のオンラインツールなら何でも）Taprootスクリプトを表示するブロックエクスプローラーTaprootスクリプトの可視化機能を備えたブロックエクスプローラー

問い

ビットコインは、オンチェーンでコードを実行することなく、任意の計算の結果をどのようにして強制できるのでしょうか？
Taprootスクリプトで構築されたチャレンジ・レスポンス・ゲームによって、ソフトフォークなしでチューリング完全に近い検証が可能になるのはなぜでしょうか？
ライブネスが、不正な主張に異議を申し立てるために誰かが監視していることに依存している場合、セキュリティ上のトレードオフは何でしょうか？

探究

パート IBitVM

ビットコインのコンセンサスルールは、任意のコード実行を意図的に排除しています。この設計は複雑なスマートコントラクトの脆弱性を防ぐ一方で、スクリプトを署名、マルチシグ、タイムロック、ハッシュロックといった条件に限定しています。2023年10月、ロビン・リナスはBitVMを発表しました。これは、最終結果をオンチェーンで検証可能に保ちながら、オフチェーンでの計算を可能にするプロトコルです。当事者はビットコインをトランザクションにロックし、その使用をブロックチェーンの外で行われる外部の計算に依存させることができます。
中核となる仕組みは、ビットコインの既存のオペコードを使ってNAND論理ゲートを再現するものです。OP_BOOLANDはANDゲートとして、OP_NOTはNOTゲートとして機能します。NANDゲートは万能であるため、それを組み合わせた回路は原理的にあらゆる計算を表現でき、しかもコンセンサスルールを一切変更する必要がありません。このアプローチは、オンチェーンのセキュリティを維持しながら、計算の負担をオフチェーンに移します。
これらの複雑なNAND計算のシーケンスは、TaprootトランザクションのMerkle化抽象構文木（MAST）内のリーフとして格納されます。これにより、2021年11月にブロック709,632でアクティベートされたTaprootによるプライバシーと効率の向上を活用し、複雑なスクリプトを必要になるまで隠しておくことができます。この構造は、複数ステップの検証ゲームに必要な大規模なスクリプトツリーをサポートします。
プルーバーがオフチェーン計算について不正な結果を主張した場合、ベリファイアはオンチェーンでそれに異議を申し立てることができます。プルーバーはそのチャレンジに応答しなければならず、あるステップに矛盾があることが示されるか、プルーバーが期限内に応答しなかった場合、ベリファイアがロックされた資金を受け取ります。この「オプティミスティック」な検証モデルは、紛争の可能性という抑止力によってセキュリティを維持しつつ、作業の大部分をオフチェーンに移します。
最初のバージョンは2者間で機能するものでしたが、BitVM2（2024年）では誰でも主張に異議を申し立てることができ、パーミッションレスな検証へと近づいています。主な用途は信頼最小化型のブリッジで、オンチェーンでロックされたビットコインは、別のシステムについて主張された状態が有効である場合にのみ解放されます。
主な制約は、重いセットアップ、大量のオフチェーンデータの必要性、そしてライブネスの前提です。不正な主張に所定の期間内で異議を申し立てるため、誰かが常に監視していなければなりません。誰も監視していなければ、誤った状態が確定してしまう可能性があります。この分散性と運用負担の間のトレードオフが、現在のBitVM実装の実用上の限界を規定しています。

パート IIBitVMとブリッジの問題

ビットコインのコンセンサスルールは署名とUTXOの有効性を検証するが、任意のオフチェーンの状態遷移を実行することはできない。価値をレイヤー2に移すには、外部チェーンの状態をビットコインにアンカーするブリッジが必要になる。従来のブリッジは署名者のフェデレーションに依存しており、その過半数が共謀すればユーザーは資金を失う。この中央集権的な信頼モデルはビットコインのパーミッションレスな設計と矛盾するため、コンセンサスルールを変えずにカストディリスクを最小化する仕組みが必要とされている。
ロビン・ライナスは2023年10月にBitVMを発表し、楽観的なチャレンジゲームを通じて任意の計算をオンチェーンで検証できることを示した。このプロトコルは複雑なロジックをビット演算、具体的にはデジタル回路において万能であるNANDゲートに分解する。これらの演算はTaprootトランザクションのMAST構造の中にエンコードされる。ビットコインはプログラム全体を実行するのではなく、紛争が提起された場合にのみ個々のステップの正しさを検証する。
BitVMは楽観的な前提で動作する。反証されない限り、計算はデフォルトで正しいとみなされる。オペレーターが無効な状態遷移を提出した場合、別の参加者が反証を提出してチャレンジできる。これにより、信頼モデルは信頼されたフェデレーションから「1-of-nの誠実性」の前提へと移る。不正を捕捉するには、少なくとも1人の誠実なバリデーターが存在しなければならない。フェデレーションと比べて共謀リスクは下がるが、誰かが監視を続け、チャレンジの費用を支払う準備をしておく必要がある。
この仕組みには大きなコストが伴う。オペレーターは引き出しの支払いに自己資金を立て替え、後で回収するため、流動性が拘束される。チャレンジトランザクションはビット単位の証明が複雑なために大きく、かなりのブロックスペースを消費する。さらに、多くの実装では状態管理を簡素化するために固定のペッグ額を用いており、柔軟性が制限される。こうした制約から、BitVMは信頼最小化されてはいるものの、トラストレスではない。ユーザーは依然として、チャレンジプロトコルの経済的インセンティブと技術的な正しさに依存している。
BitVM2のような最近の進展はこれらのチャレンジを改良し、トランザクションサイズを削減して効率を高めている。Citreaなどのプロジェクトはこのフレームワークを使ってロールアップを構築し、誠実な当事者が1人いれば不正を防げるセキュリティ保証を目指している。しかし、ブリッジの問題は残る。ビットコインは他のチェーンのステートルートをネイティブに解釈できない。ブリッジはビットコインの上に構築されたインセンティブのゲームであり、ビットコイン自体が強制するものではない。ユーザーは、共謀リスクの低下と、複雑さや資本要件の増大とを比較検討しなければならない。
BitVMベースのトランザクションを調べると、その構造がわかる。ブロックエクスプローラーを開き、ロールアップブリッジに関連するTaprootアウトプットを探してください。Taprootは使われていないスクリプトパスを隠すため、実際に使用されたパスだけが公開される。紛争時には、そのパスは単純な署名よりもはるかに多くのウィットネスデータを含む。このトランザクションの重量の目に見える違いは、ビットコインの固定されたブロックスペースの上で楽観的セキュリティを維持するための計算上のオーバーヘッドを反映している。

重要な事実

BitVMは、2023年10月にロビン・リナスによって発表されました。
OP_BOOLAND（AND）とOP_NOT（NOT）を使用してNANDゲートを再現します。
NANDゲートは万能であり、他のあらゆる論理回路を再現できます。
計算シーケンスは、TaprootトランザクションのMAST内のリーフとして格納されます。
BitVM2（2024年）では、相手方だけでなく誰でも計算結果に異議を申し立てることができます。
このプロトコルはライブネスの前提に依存しており、チャレンジャーは不正がないか主張を監視し続けなければなりません。
BitVMは2023年10月にロビン・ライナスが発表したもので、楽観的なチャレンジゲームによって任意の計算の検証を可能にする。
このプロトコルは、TaprootのMAST構造にエンコードされたNANDゲートを使って、万能な論理回路を表現する。
セキュリティは、信頼された署名者のフェデレーションではなく、n人中1人が誠実であるという前提に依存している。
ブリッジのオペレーターは資本をロックまたは立て替える必要があり、これは現実の流動性コストである。
チャレンジトランザクションは規模が大きく、ビット単位での証明の複雑さにより大量のブロックスペースを消費する。
信頼最小化されたブリッジは共謀リスクを低減するが、経済的インセンティブやプロトコルの正しさへの依存をなくすわけではない。

演習九・六・三・一

9集めるビットコインのベースレイヤーの上に構築される、異なるレイヤーやプロトコルを9つ挙げてください。それぞれが機能を拡張するために用いる主な仕組み（例：サイドチェーン、ステートチャネル、L2）を記してください。

6まとめる9つを、信頼の前提に基づいて6つに分類してください：パーミッションレス、フェデレーションによるカストディ、カストディアル、オプティミスティック検証、ゼロ知識、ハイブリッド。

3絞り込む6つのグループを、セキュリティ、分散性、複雑さの間の3つの核心的なトレードオフに絞り込んでください。

1結晶化するBitVMがビットコインの機能に何を加え、運用要件の面でどのようなコストを伴うのかについて、1文で書いてください。

事実確認

日付、数字、主張は、下記に記載された公表資料と照合して確認しました。

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