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

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Bitcoin+STARK: ZeroSync Khepri

1. 引言

2. ZeroSync

3. Khepri

附录

参考资料

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