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。有人認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態衆多技術發展中,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。

本文中"二層建設"和"二層網路建設"概念基本相同,二層建設範圍更廣,但爲適應業內習慣,也會使用"二層網路建設"。

1. 二層Layer2的使命

爲理解比特幣二層建設需解決的基本問題,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

我們用Vitalik提出的"區塊鏈是一臺世界計算機"的概念來理解區塊鏈的多種特性。

區塊鏈的基礎特性包括:

公開透明: 這是區塊鏈這臺"世界計算機"的數據存儲和執行指令特點,也是全球分布式節點共同參與計算的內部需求特性。這滿足了使用者對數據的知情權,是內部協作要求和外部需求的共同結果。

去中心化: 這是"世界計算機"的架構特性,去中心化程度和容錯性在理論上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"世界計算機"的架構特性產生的內部需求和使用者的外部需求共同組成。微觀層面由密碼學技術保證,宏觀層面由去中心化架構保證。

計算能力: 區塊鏈的主要功能之一,一般用圖靈完備性來衡量。一些鏈爲保持主要特性,故意設計成圖靈不完備。

性能: 在計算能力相同情況下,用TPS(每秒處理的事務數量)來衡量。

存儲: 區塊鏈作爲"世界計算機"必然有存儲功能,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: "世界計算機"中的細分需求,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。

還有綜合指標可擴展性,影響多數基礎特性,在架構層面是很重要的指標。

這些特性大多由"不可能三角形"制約相互發展關係。如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可擴展性(Scalability)。

1.2 二層建設的作用

二層建設要擴展這些基礎能力:公開透明、去中心化、安全性、計算能力、性能(吞吐量)、存儲、隱私等。除此之外,還要解決一個重要的經濟學問題:降低成本。

總結起來,二層建設是爲了增加容量、降低成本、定制特性三個維度的方案。

在二層建設中,區塊鏈的基礎能力會各有取舍,會降低甚至丟棄一些特性,換取某些特性的顯著提高。

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,通過將系統劃分爲多層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. 各層次獨立,上層工作不影響下層,只要保證接口不變,可隨意調整層內工作方式。

2. 靈活性好,某一層變化時,只要層間接口關係不變,其他層不受影響。

3. 結構可分割,各層可採用最合適的技術實現。

4. 易於實現和維護,將龐大復雜系統分解爲相對獨立的子系統。

5. 促進標準化,每一層功能和服務都有精確說明。

分層模塊化設計是技術領域處理功能龐大、需多人協作、不斷改進項目的常見有效方法。

2. 比特幣Layer2的幾種建設思路

比特幣的二層建設有三種顯著路線:

(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。

前兩種方式都很有特點,已有一些使用中和探索中的產品。第一種方式因有以太坊的蓬勃發展和其他比特幣模仿鏈的探索,相對更容易。第二種基於分布式的方式通常更有難度,發展也較緩慢。第三種方式頗具爭議,但似乎又完成了二層建設的功能。

我們用市場檢驗結果來衡量:哪個二層網路的總鎖倉價值TVL(Total Value Locked)高,哪種方案就是最優方案。隨時間和技術發展,最優方案會變化。

對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

早期比特幣模仿鏈做了多種探索,如"Colorcoin"(彩色幣)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各種擴容的比特幣模仿鏈,如BCH(Bitcoin Cash),BSV(Bitcoin SV),BTG(Bitcoin Gold);各種側鏈技術都是基於鏈的擴展建設案例,可視爲廣義的二層。

以太坊也是基於比特幣的改進探索。Vitalik針對比特幣的不完美:UTXO的無帳號系統,執行語言的非圖靈完備,可擴展性差等問題,發布白皮書,開發新一代區塊鏈系統。

以太坊對比特幣的改進探索,以及以太坊上二層的發展與驗證,爲比特幣上基於鏈的二層網路發展提供了參考。各種Rollup方案,跨鏈方案,消息通道技術,以及以太坊的分片技術,使以太坊技術生態蓬勃發展。

比特幣中基於鏈的二層建設,大致包含兩種典型鏈類型:一種是兼容EVM的帳號模型,一種是類比特幣的UTXO模型。已有案例(廣義二層定義)包括:以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等是EVM的帳號模型,CKB(Nervos),Chia是UTXO模型。

基於鏈的二層建設優缺點:

缺點:一般仍受限於區塊鏈限制,對性能提高有限,不是將系統變得更中心化,就是降低區塊產生間隔,增大區塊容量,安全性通常會降低。

優點:保持了區塊鏈的大多數基礎特性,一般都解決了圖靈完備問題,交易費用顯著降低,在一定程度上擴展了一層網路能力。建設案例豐富,技術實現相對容易,上層應用遷移便捷,是更快的實現方式。

大致判斷,因擴展局限性,基於鏈結構的二層應該會存在衆多項目,每個垂直領域可能存在一個或多個二層,每個項目要完成自己特色的二層建設,滿足某些應用需求。其價值由其上應用的數量和總價值決定。

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。這種方案中,二層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。

分布式系統由一組有限的進程和一組有限的通道Channel組成。這裏所指Channel是上層通道概念,如閃電網絡中的支付通道,Nostr中的消息通道,而非分布式網路中的具體技術Channel底層概念。

基於分布式的二層建設分兩類:

(1) 只完成價值傳遞,類似閃電網絡;

(2) 既完成價值傳遞,又完成圖靈完備的技術,如RGB。

基於分布式的二層建設因涉及價值傳遞,有很多超越原有消息傳遞的難點,如通道內總價值容量,對事務的嚴謹性,不能二次消費等問題都超越消息傳遞的難度。所以這類二層建設發展沒有基於鏈的二層建設快,成熟案例不多。

如果要在這樣的二層上完成圖靈完備的計算,即在Channel上建立圖靈完備的虛擬機系統,會更加有難度。RGB協議通過客戶端驗證,一次性密封,來實現在分布式系統上的圖靈完備計算。

比特幣中基於分布式系統的二層建設,已有案例包括:閃電網絡,RGB。按廣義二層建設標準,Nostr是否也屬於Channel機制的分布式系統的二層建設?

基於分布式系統的二層建設優缺點:

優點:系統更加去中心化,二層網路能容納無數節點,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,在龐大分布式系統中的路由算法,價值拆分與封裝算法都較復雜。相對信息傳遞,在價值傳遞方面還缺少工程實現經驗和基礎設施。在這種系統中實現圖靈完備系統是很大挑戰。

大致判斷,基於Channel的分布式結構的二層一般只會存在幾個並行項目,主要因其無限擴展能力和實現技術難度大,這樣的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

像Ordinals這樣的中心化索引結構,或某些功能節點的索引器都是中心化結構的,也是一種二層建設思路。但這種建設思路較少被認可,因爲二層過於中心化,對一層網路的擴展非常有限。這種中心化結構的二層建設,其各種區塊鏈基礎特性都要依賴一層網路,二層只作爲一些簡單的計算和統計功能,二層有時像是一種可有可無的臨時存在,隨時可被另一個二層替代,重要性似乎沒那麼高。但從On-Chain和Off-Chain角度看,和凡是能提高一層網路能力的角度看,這種中心化結構也是一種二層擴展。

這種系統的案例除了Ordinals,還有那些中心化交易所。

基於中心化系統的二層建設優缺點:

優點:中心化系統非常成熟,有無數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要依賴一層網路。

大致判斷,基於中心化結構的二層應該會存在較少項目,甚至是階段性存在。在基於鏈式結構和Channel的分布式結構成熟完善後,大多數中心化結構的二層建設會消亡,或只留下少數特殊場景的中心化二層。當前階段,因中心化系統很成熟,在能寫入基礎鏈上數據情況下,能很好滿足On-Chain數據和Off-Chain計算的場景,是當前比特幣生態初級應用最容易實現模式,被大量使用。

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