[论文] Bitcoin-IPC：通过 Proof-of-Stake 子网网络扩展 Bitcoin

Source: arXiv - 2512.23439v1

概览

本文介绍了 Bitcoin‑IPC，一个软件栈和协议，使任何人都可以启动完全可编程的权益证明（PoS）第二层链——称为 subnets——其安全性锚定在比特币的基础层（L1）。通过使用比特币现有的 SegWit 基础设施作为廉价、无许可的消息总线，Bitcoin‑IPC 可以在子网之间转移价值并在链上结算，而无需更改比特币协议本身。作者声称实现了 23× reduction in virtual‑byte cost 并将比特币约 7 tps 的吞吐提升至 >160 tps，使网络更接近成为通用交换媒介。

关键贡献

• Permissionless PoS Subnet Architecture – 一种设计，用于创建以 BTC 计价质押的任意 L2 链，消除对独立原生代币的需求。
• Embedded Messaging via SegWit – 复用比特币的 SegWit 见证数据，作为低成本、抗审查的跨子网通信与结算通道。
• SWIFT‑Inspired Routing Model – 引入一种“消息中心”模式，将支付路由通过比特币 L1，实现跨独立子网的原子多跳转移。
• Cost & Throughput Gains – 正式分析和原型测量显示，vB/tx 可降低至 23×，有效吞吐量超过 >160 tps，且不影响比特币共识。
• Open‑Source Reference Implementation – 完整的软件栈（节点、SDK 与测试框架）以 MIT 兼容许可证开源，供开发者实验使用。

方法论

1. 设计分层

   • L1（Bitcoin）：提供不可变的排序、最终性，以及通过 SegWit 见证字段的低成本广播通道。
   • L2 子网：独立的 PoS 链，维护各自的状态机（智能合约、代币经济等），但在 L1 上的特殊“锚定”UTXO 中锁定 BTC 作为抵押。

2. 以质押计价的 PoS

   • 子网的验证者质押 BTC，该 BTC 在 L1 上的多签脚本中被锁定。
   • 通过向 L1 广播不当行为的证明来执行削减（slashing）条件，L1 随后销毁或重新分配被锁定的 BTC。

3. 跨子网消息传递

   • 每个子网将紧凑的“IPC 包”写入 SegWit 交易的见证字段。
   • 轻量级中继服务监控比特币内存池，提取包并转发至目标子网。

4. 原子转移协议

   • 两阶段提交式协议：
     • 准备 – 发送方子网在 L1 上创建一个条件输出，只有在接收方子网确认收到后才能赎回。
     • 提交 – 接收方子网发布证明，解锁条件输出并完成转移。

5. 评估

   • 实现了一个包含三个示例子网（支付链、DeFi 链和 NFT 链）的原型。
   • 运行了一系列微基准测试，测量在不同交易组合下的 vB 成本、延迟和吞吐量。

结果与发现

解释

• 通过将大多数状态转换卸载到 PoS 子网，Bitcoin‑IPC 大幅减少需要写入比特币区块链的数据量，从而实现巨大的 vB 节省。
• “通过 L1 路由”的方法在保持比特币强大安全保证的同时，仍然实现了高速、低成本的转账。
• 延迟仍高于典型的中心化支付通道，但与其他 L2 解决方案（例如 Lightning）相当，并且对许多商户到消费者的使用场景是可接受的。

实际意义

• 开发者 可以在无需启动新代币经济的情况下，推出定制的、以 BTC 为支撑的侧链，从而简化监管合规和用户引导。
• 商户 可以在高吞吐量子网（例如类似稳定币的层）上接受支付，并在比特币上即时结算，降低费用风险，同时保留比特币的结算最终性。
• DeFi 与 NFT 平台 获得一个安全、低成本的结算层，利用比特币的流动性池，开启跨链组合性的可能，而无需信任第三方桥接。
• 基础设施提供商（例如区块浏览器、钱包供应商）可以添加对 IPC 包的原生支持，为用户提供无缝的 “Bitcoin‑first” L2 体验。
• 企业支付（例如类似 SWIFT 的消息系统）可以采用路由模型构建私有、许可制的子网，同时受益于比特币的公共可审计性。

限制与未来工作

• 依赖中继节点：当前设计假设中继节点诚实且网络良好，以提取并转发 IPC 包；需要更去中心化的 gossip 机制。
• 延迟上限：虽然吞吐量提升，但跨子网提交仍依赖比特币区块时间，限制实时使用场景。
• 验证者激励：论文勾勒了惩罚模型，但未充分探讨大规模验证者集合的长期经济可持续性。
• 隐私：所有 IPC 包在见证字段中公开可见；未来工作可整合机密交易技术。
• 形式化安全证明：作者提供了非正式论证；采用严格的可证明安全模型（如 UC 框架）将提升信心。

作者计划开启测试网，探索去中心化的中继设计，并整合零知识证明系统，以解决隐私和可扩展性问题。

作者

• Marko Vukolić
• Orestis Alpos
• Jakov Mitrovski
• Themis Papameletiou
• Nikola Ristić
• Dionysis Zindros

论文信息

• arXiv ID: 2512.23439v1
• 分类: cs.DC, cs.CR
• 出版日期: 2025年12月29日
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