比特币二层网络的基础知识体系

比特币铭文的兴起为比特币生态带来了新的生机,让更多人重新关注比特币。有人认为这打开了比特币生态的潘多拉魔盒。在比特币生态众多技术发展中,二层建设是重中之重。本文总结了比特币二层的基础知识,希望能抛砖引玉,促进这个领域的发展。

区块链世界以比特币开局,以比特币生态为终局。以太坊也可视为比特币的一种侧链技术探索。

本文中"二层建设"和"二层网络建设"概念基本相同,二层建设范围更广,但为适应业内习惯,也会使用"二层网络建设"。

1. 二层Layer2的使命

为理解比特币二层建设需解决的基本问题,我们先从区块链系统的基础特性开始。

1.1 区块链的基础特性和需求

我们用Vitalik提出的"区块链是一台世界计算机"的概念来理解区块链的多种特性。

区块链的基础特性包括:

公开透明: 这是区块链这台"世界计算机"的数据存储和执行指令特点,也是全球分布式节点共同参与计算的内部需求特性。这满足了使用者对数据的知情权,是内部协作要求和外部需求的共同结果。

去中心化: 这是"世界计算机"的架构特性,去中心化程度和容错性在理论上由拜占庭将军理论支持。去中心化程度是区块链安全性的重要指标。

安全性: 由"世界计算机"的架构特性产生的内部需求和使用者的外部需求共同组成。微观层面由密码学技术保证,宏观层面由去中心化架构保证。

计算能力: 区块链的主要功能之一,一般用图灵完备性来衡量。一些链为保持主要特性,故意设计成图灵不完备。

性能: 在计算能力相同情况下,用TPS(每秒处理的事务数量)来衡量。

存储: 区块链作为"世界计算机"必然有存储功能,目前基本都在区块内存储,更专业的区块外链上存储还在发展中。

隐私: "世界计算机"中的细分需求,要求在计算和存储过程中保持数据生产者和使用者的权限范围。

还有综合指标可扩展性,影响多数基础特性,在架构层面是很重要的指标。

这些特性大多由"不可能三角形"制约相互发展关系。如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可扩展性(Scalability)。

1.2 二层建设的作用

二层建设要扩展这些基础能力:公开透明、去中心化、安全性、计算能力、性能(吞吐量)、存储、隐私等。除此之外,还要解决一个重要的经济学问题:降低成本。

总结起来,二层建设是为了增加容量、降低成本、定制特性三个维度的方案。

在二层建设中,区块链的基础能力会各有取舍,会降低甚至丢弃一些特性,换取某些特性的显著提高。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是处理复杂系统的手段和方法论,通过将系统划分为多层结构并定义各层关系和功能,实现系统的模块化、可维护性和可扩展性。

分层设计的优点:

1. 各层次独立,上层工作不影响下层,只要保证接口不变,可随意调整层内工作方式。

2. 灵活性好,某一层变化时,只要层间接口关系不变,其他层不受影响。

3. 结构可分割,各层可采用最合适的技术实现。

4. 易于实现和维护,将庞大复杂系统分解为相对独立的子系统。

5. 促进标准化,每一层功能和服务都有精确说明。

分层模块化设计是技术领域处理功能庞大、需多人协作、不断改进项目的常见有效方法。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

比特币的二层建设有三种显著路线:

(1) 基于链的扩展路线,类似EVM的二层,是区块链结构;

(2) 基于分布式的路线,以闪电网络为代表,是分布式结构;

(3) 基于中心化系统的路线,以中心化索引为代表,是中心化结构。

前两种方式都很有特点,已有一些使用中和探索中的产品。第一种方式因有以太坊的蓬勃发展和其他比特币模仿链的探索,相对更容易。第二种基于分布式的方式通常更有难度,发展也较缓慢。第三种方式颇具争议,但似乎又完成了二层建设的功能。

我们用市场检验结果来衡量:哪个二层网络的总锁仓价值TVL(Total Value Locked)高,哪种方案就是最优方案。随时间和技术发展,最优方案会变化。

对比特币的二层网络定义:只要依托比特币网络,建立技术关联,一些特性优于比特币一层网络,都算比特币的二层网络建设。

2.1 基于链的二层建设

早期比特币模仿链做了多种探索,如"Colorcoin"(彩色币)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各种扩容的比特币模仿链,如BCH(Bitcoin Cash),BSV(Bitcoin SV),BTG(Bitcoin Gold);各种侧链技术都是基于链的扩展建设案例,可视为广义的二层。

以太坊也是基于比特币的改进探索。Vitalik针对比特币的不完美:UTXO的无账号系统,执行语言的非图灵完备,可扩展性差等问题,发布白皮书,开发新一代区块链系统。

以太坊对比特币的改进探索,以及以太坊上二层的发展与验证,为比特币上基于链的二层网络发展提供了参考。各种Rollup方案,跨链方案,消息通道技术,以及以太坊的分片技术,使以太坊技术生态蓬勃发展。

比特币中基于链的二层建设,大致包含两种典型链类型:一种是兼容EVM的账号模型,一种是类比特币的UTXO模型。已有案例(广义二层定义)包括:以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等是EVM的账号模型,CKB(Nervos),Chia是UTXO模型。

基于链的二层建设优缺点:

缺点:一般仍受限于区块链限制,对性能提高有限,不是将系统变得更中心化,就是降低区块产生间隔,增大区块容量,安全性通常会降低。

优点:保持了区块链的大多数基础特性,一般都解决了图灵完备问题,交易费用显著降低,在一定程度上扩展了一层网络能力。建设案例丰富,技术实现相对容易,上层应用迁移便捷,是更快的实现方式。

大致判断,因扩展局限性,基于链结构的二层应该会存在众多项目,每个垂直领域可能存在一个或多个二层,每个项目要完成自己特色的二层建设,满足某些应用需求。其价值由其上应用的数量和总价值决定。

2.2 基于分布式系统的二层建设

一些二层建设是基于分布式系统的。这种方案中,二层的结构和框架不是区块链结构,而是基于Channel的分布式系统。闪电网络是典型代表。

分布式系统由一组有限的进程和一组有限的通道Channel组成。这里所指Channel是上层通道概念,如闪电网络中的支付通道,Nostr中的消息通道,而非分布式网络中的具体技术Channel底层概念。

基于分布式的二层建设分两类:

(1) 只完成价值传递,类似闪电网络;

(2) 既完成价值传递,又完成图灵完备的技术,如RGB。

基于分布式的二层建设因涉及价值传递,有很多超越原有消息传递的难点,如通道内总价值容量,对事务的严谨性,不能二次消费等问题都超越消息传递的难度。所以这类二层建设发展没有基于链的二层建设快,成熟案例不多。

如果要在这样的二层上完成图灵完备的计算,即在Channel上建立图灵完备的虚拟机系统,会更加有难度。RGB协议通过客户端验证,一次性密封,来实现在分布式系统上的图灵完备计算。

比特币中基于分布式系统的二层建设,已有案例包括:闪电网络,RGB。按广义二层建设标准,Nostr是否也属于Channel机制的分布式系统的二层建设?

基于分布式系统的二层建设优缺点:

优点:系统更加去中心化,二层网络能容纳无数节点,隐私性和抗审查能力更好,有无限扩展性,理论上性能极大。

缺点:技术实现复杂,在庞大分布式系统中的路由算法,价值拆分与封装算法都较复杂。相对信息传递,在价值传递方面还缺少工程实现经验和基础设施。在这种系统中实现图灵完备系统是很大挑战。

大致判断,基于Channel的分布式结构的二层一般只会存在几个并行项目,主要因其无限扩展能力和实现技术难度大,这样的系统要求设计和理念更开放,能容纳更多人和团队参与。

2.3 基于中心化系统的二层建设

像Ordinals这样的中心化索引结构,或某些功能节点的索引器都是中心化结构的,也是一种二层建设思路。但这种建设思路较少被认可,因为二层过于中心化,对一层网络的扩展非常有限。这种中心化结构的二层建设,其各种区块链基础特性都要依赖一层网络,二层只作为一些简单的计算和统计功能,二层有时像是一种可有可无的临时存在,随时可被另一个二层替代,重要性似乎没那么高。但从On-Chain和Off-Chain角度看,和凡是能提高一层网络能力的角度看,这种中心化结构也是一种二层扩展。

这种系统的案例除了Ordinals,还有那些中心化交易所。

基于中心化系统的二层建设优缺点:

优点:中心化系统非常成熟,有无数可用案例和优化方案,完全图灵完备和卓越性能。

缺点:二层极度中心化,所有区块链基础特性都要依赖一层网络。

大致判断,基于中心化结构的二层应该会存在较少项目,甚至是阶段性存在。在基于链式结构和Channel的分布式结构成熟完善后,大多数中心化结构的二层建设会消亡,或只留下少数特殊场景的中心化二层。当前阶段,因中心化系统很成熟,在能写入基础链上数据情况下,能很好满足On-Chain数据和Off-Chain计算的场景,是当前比特币生态初级应用最容易实现模式,被大量使用。

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