比特幣二層網路的基礎知識體系

比特幣銘文的興起爲比特幣生態帶來了新的生機,讓更多人重新關注比特幣。在比特幣生態的技術發展中,二層建設是重中之重。本文總結了比特幣二層的基礎知識,希望能拋磚引玉,促進這個領域的發展。

區塊鏈世界以比特幣爲開局,以比特幣生態爲終局。以太坊也可視爲比特幣的一種側鏈技術探索。

1. 二層要完成的使命

爲了理解比特幣二層建設需要解決哪些基本問題,我們先從區塊鏈系統的基礎特性開始。

1.1 區塊鏈的基礎特性和需求

區塊鏈可以視爲一臺"世界計算機"。我們從這個角度來理解區塊鏈的多種特性:

• 公開透明:這是區塊鏈的數據存儲和執行指令特點,也是需要全球衆多分布式節點共同參與計算的內部需求特性。

• 去中心化:這是區塊鏈的架構特性,去中心化程度和容錯性由拜佔庭將軍理論支持。去中心化程度是區塊鏈安全性的重要指標。

• 安全性:由架構特性產生的內部需求和用戶需要的外部需求共同組成。從微觀層面由密碼學技術保證,從宏觀層面由去中心化架構保證。

• 計算能力:區塊鏈的一個主要功能是計算能力。一般用是否圖靈完備來考察。

• 性能:在計算能力相同的情況下,性能是考察區塊鏈的另一項主要能力。一般用TPS來衡量。

• 存儲:區塊鏈有存儲數據的功能。目前基本都在區塊內存儲,更專業的區塊外鏈上存儲還在發展中。

• 隱私:要求在計算和存儲過程中保持數據生產者和使用者的權限範圍。這基本上是由使用者的外部需求驅動的。

這些特性大多受不可能三角形制約,如DSS猜想(去中心化、安全性、可擴展性)和CAP原理(一致性、可用性、分區容錯性)。

1.2 二層建設的作用

二層建設要擴展一層系統的不足,在二層上完成一層系統不適合完成的事情。主要是:

• 擴展基礎能力:公開透明、去中心化、安全性、計算能力、性能、存儲、隱私等
• 降低成本:通常一層網路的執行事務綜合成本較高
• 定制特性:針對某些應用重新調整各種特性的實現度

總結爲增加容量、降低成本、定制特性三個維度。

1.3 爲什麼要做分層設計?

分層設計是處理復雜系統的手段和方法論,通過劃分多個層次結構並定義各層關係和功能,實現系統的模塊化、可維護性和可擴展性。

分層設計的優點:

1. 各層獨立,不需要知道下層實現細節
2. 靈活性好,某層變化不影響其他層
3. 結構可分割,各層可採用最合適的技術
4. 易於實現和維護
5. 促進標準化

分層模塊化設計是技術領域處理功能龐大、需多人協作、不斷改進項目的有效方法。

2. 比特幣Layer2的幾種建設思路

比特幣的二層建設有三種主要路線:

1. 基於鏈的擴展路線:類似EVM的二層,是區塊鏈結構
2. 基於分布式的路線:以閃電網絡爲代表,是分布式結構
3. 基於中心化系統的路線:以中心化索引爲代表,是中心化結構

哪種方案更好?可用總鎖倉價值TVL作爲衡量標準,TVL高的方案更優。隨時間和技術發展,最優方案會變化。

對於比特幣的二層網路定義:只要依托比特幣網路,建立技術關聯,一些特性優於比特幣一層網路,都算比特幣的二層網路建設。

2.1 基於鏈的二層建設

早期的比特幣模仿鏈做了多種探索,如"Colorcoin"、"MasterCoin"等;各種擴容的比特幣模仿鏈,如BCH、BSV、BTG;以及各種側鏈技術都是基於鏈的擴展建設案例。

以太坊也可視爲基於比特幣的改進探索。以太坊對比特幣的改進以及以太坊二層的發展,給了比特幣基於鏈的二層網路發展參考。

比特幣中基於鏈的二層建設主要包含兩種鏈類型:

• 兼容EVM的帳戶模型:如以太坊、Polygon、BSC、Arbitrum等
• 類比特幣的UTXO模型:如CKB(Nervos)、Chia等

基於鏈的二層建設優點:

• 保持區塊鏈大多數基礎特性
• 解決圖靈完備問題
• 顯著降低交易費用
• 在一定程度上擴展一層網路能力
• 技術實現相對容易,有較多探索案例
• 上層應用遷移便捷,可快速實現

缺點:

• 受限於區塊鏈限制,性能提高有限
• 可能會降低去中心化程度或安全性

判斷:基於鏈結構的二層可能會存在衆多項目,在各垂直領域存在一個或多個二層,滿足不同應用需求。其價值由上層應用數量和總價值決定。

2.2 基於分布式系統的二層建設

一些二層建設是基於分布式系統的,結構和框架不是區塊鏈結構,而是基於Channel的分布式系統。閃電網絡是典型代表。

分布式系統的二層建設分爲兩類:

1. 只完成價值傳遞,如閃電網絡
2. 完成價值傳遞和圖靈完備計算,如RGB

基於分布式的二層建設優點:

• 系統更加去中心化
• 可容納無數節點
• 隱私性和抗審查能力更好
• 有無限擴展性,理論上性能極大

缺點:

• 技術實現復雜
• 價值傳遞方面缺少工程實現經驗和基礎設施
• 實現圖靈完備系統是巨大挑戰

判斷:基於Channel的分布式結構二層可能只存在幾個並行項目,原因:

1. 系統具無限擴展能力
2. 實現技術難度大

這類系統要求設計和理念更開放,能容納更多人和團隊參與。

2.3 基於中心化系統的二層建設

如Ordinals這樣的中心化索引結構,或某些功能節點的索引器是中心化結構的,也是一種二層建設思路。

這種建設思路較少被認可,因二層過於中心化,對一層網路擴展非常有限。中心化結構二層各種區塊鏈基礎特性都要依賴一層網路,二層只作簡單計算和統計功能。

優點:

• 中心化系統非常成熟
• 有衆多可用案例和優化方案
• 完全圖靈完備和卓越性能

缺點:

• 二層極度中心化
• 所有區塊鏈基礎特性都依賴一層網路

判斷:基於中心化結構的二層可能只存在較少項目,甚至是階段性存在。在基於鏈式結構和Channel的分布式結構成熟後,大多數中心化結構二層建設可能消亡,或只留少數特殊場景使用。

3. 二層建設的相關事物

3.1 一層和二層的連接技術

比特幣本身技術發展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnorr籤名、MAST、Tapscript等都應爲連接一層和二層目的而設計。常見連接區塊鏈一層和二層網路的技術有:

• 跨鏈技術:實現不同區塊鏈間互操作,資產跨鏈轉移和交互
• 隔離驗證技術:將一層交易數據隔離,由二層驗證處理
• 側鏈技術:連接主鏈和側鏈,實現數據傳輸
• State Channel技術:在鏈外建立通信通道,提高交易速度和吞吐量
• Plasma技術:將一層交易數據分片處理,由二層驗證處理

考察一層與二層連接技術的指標:

• 一層能否對二層交易做驗證
• 一層資產能否在二層崩潰時順利逃生
• 連接技術是否會降低系統某些特性

3.2 參考馮諾依曼結構看區塊鏈發展

區塊鏈這個"世界計算機"可與傳統計算機的馮諾依曼結構對比分析。馮諾依曼結構計算機的五大部件:運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。區塊鏈系統中也存在相似部件。

幾個對比:

1. CPU的擴展類似一層和二層計算能力與吞吐量的擴展
2. 存儲器擴展會從競爭鏈上空間,到使用真正的區塊鏈存儲
3. 輸入輸出設備在區塊鏈系統中是預言機
4. 一些特殊的鏈和功能類似傳統計算機的GPU、專用設備卡等
5. 鏈上應用和更上層應用類似傳統計算機還未區分操作系統與應用軟件的階段
6. 區塊鏈應用會從早期金融應用擴展到更廣泛應用

4. 當前比特幣的Layer2建設情況

4.1 已經運行的比特幣二層項目

1. 閃電網絡(Lightning Network)

• 基於分布式的二層建設
• 2015年提出,2018年全面實施
• 特點:快速、低成本、可擴展
• 通過支付通道實現鏈下交易,大幅降低確認時間和費用
• 面臨網路穩定性、路由算法等挑戰

2. Liquid

• 基於鏈的二層建設
• 2015年由Blockstream推出的側鏈解決方案
• 特點:快速交易確認(2分鍾)、交易私密性、高吞吐量
• 採用Confidential Transactions技術隱藏交易金額
• 使用Federated Peg技術支持大量並行交易

3. Rootstock(RSK)

• 基於鏈的二層建設
• 2015年提出,2018年正式上線
• 特點:與比特幣雙向錨定、支持智能合約
• 爲比特幣提供類似以太坊的功能
• 發展相對較慢,但有潛力成爲重要的智能合約平台

4. RGB

• 基於分布式+圖靈完備的二層建設
• 2016年起源,由LNP/BP標準協會開發
• 特點:可擴展、保密、無需引入代幣的去中心化協議
• 採用客戶端驗證和一次性密封概念
• 可執行代幣發行、NFT鑄造、DeFi、DAO等復雜智能合約

5. Stacks

• 基於鏈的二層建設
• 2013年提出,2017年進行ICO
• 特點:提供去中心化身份驗證、存儲和智能合約功能
• 採用"Stacking"共識機制
• 已成爲去中心化應用領域的重要平台之一

6. 其他新興項目

• B² Network:基於ZK-Rollup開發,兼容EVM
• BEVM:兼容EVM的去中心化比特幣L2
• Dovi:兼容EVM智能合約的比特幣Layer2
• Map Protocol:專注跨鏈協議
• Merlin Chain:整合ZK-Rollup網路、去中心化預言機和鏈上BTC防欺詐模塊
• Bison:比特幣原生的zk-rollup

4.2 比特