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ビットコイン第二層ネットワーク：拡張の道の三大構築思路と技術的課題
ビットコイン二層ネットワークの基礎知識体系
ビットコインの銘文の興起はビットコインエコシステムに新しい活力を注入し、人々のビットコインへの再関心を引き起こしました。ある人々は、これはビットコインエコシステムのパンドラの箱を開いたと考えています。ビットコインエコシステムにおける多くの技術的発展の中で、二層の構築が非常に重要です。本稿はビットコインの二層に関する基礎知識をまとめることを目的としており、この分野のさらなる発展を促進できればと期待しています。
ブロックチェーンの世界はビットコインを起点とし、ビットコインのエコシステムを終局とします。イーサリアムもビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求と見なすことができます。
本文中"二層建設"と"二層ネットワーク建設"は互換的に使用でき、通常後者は狭義であり、前者はより広範囲です。しかし、業界で一般的に使用される用語と一致させるために、私たちも"二層ネットワーク建設"という概念を使用します。
1. レイヤー2の使命
ビットコイン二層建設に必要な基本的な問題を理解するために、まずはブロックチェーンシステムの基本的な特性から始めます。
1.1 ブロックチェーンの基本特性と需要
私たちは、ヴィタリックが提唱した概念を採用しています: ブロックチェーンは「世界のコンピュータ」です。この観点からブロックチェーンのさまざまな特性を理解することがより明確になります。後で、フォン・ノイマン構造に基づいてこの「世界のコンピュータ」の発展の可能性を分析します。
ブロックチェーンの基本特性には次のものが含まれます:
公開透明: これはブロックチェーンという"世界のコンピュータ"のデータ保存と命令実行の特徴であり、また世界中の多くの分散ノードが共同で計算に参加する必要性に関わる内部要求特性です。この特徴は、利用者のデータに対する知る権利を満たし、この"世界のコンピュータ"自体の内部協力の要求と利用者の外部要求の共同の結果です。
分散型: これはこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性であり、分散型の程度とフォールトトレランスは理論的にビザンチン将軍問題によって支えられています。分散型の程度はブロックチェーンの安全性の重要な指標であり、特定の特性の基礎でもあります。
安全性: 安全性はこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性から生じる内部需要とユーザーが必要とする外部需要の共同によって構成されています。微視的なレベルでは暗号学に関連する技術によって保証され、宏観的なレベルではアーキテクチャの分散化によって保証されています。
計算能力: ブロックチェーンという世界のコンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。通常、チューリング完備性で測定されます。一部のチェーンは主要な特性を保持するために、故意にチューリング非完備として設計されています。
性能: 同じ計算能力の下で、性能はブロックチェーンの世界におけるコンピュータのもう一つの主要な能力を評価するものです。通常、TPS(毎秒処理される取引の数)で測定されます。
ストレージ: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」として、必然的にストレージ機能を備えており、すなわちデータを記録する能力を持っています。現在は基本的にブロック内に保存されており、より専門的なブロック外のリンクに保存する技術はまだ発展途上です。
プライバシー: プライバシーは"世界コンピュータ"における細分化されたニーズであり、計算および保存の過程においてデータの生産者と使用者の権限範囲を保持することを要求します。これは主に使用者の外部のニーズによって推進されます。
これらのブロックチェーンの基本的な特性は、主に不可能三角形によって制約されており、例えばDSSの仮説：去中心化(Decentralization)、安全性(Security)、そしてスケーラビリティ(Scalability)が同時に最適に達成されることはできない。
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1.2 2階建て建築の役割
二層建設の役割は、一層システムの不足を拡張し、一層システムでは実現できない機能を完成させることです。具体的には、二層建設はこれらの基本的な能力を拡張する必要があります:公開透明、非中央集権、安全性、計算能力、性能(スループット)、ストレージ、プライバシーなど。技術的な観点だけでなく、重要な経済学の問題であるコスト削減も解決する必要があります。
まとめると、レイヤー2の構築は、容量の増加、コストの削減、カスタム機能という3つの次元のために設計されたソリューションです。
二層構築において、ブロックチェーンの基礎能力は取捨選択されることがあり、特定の特性が低下または放棄される可能性があり、他の特性の顕著な向上と引き換えにされる。たとえば、いくつかの二層は性能を向上させるために非中央集権性と安全性を低下させる; 一部はスループットを増加させるためにシステム構造や決済方法を変更する。さらに、基礎的な特性を低下させることなく特定の特性を強化するものもあり、RGBはプライバシー性と検閲抵抗性を向上させたが、技術的実現の難易度も増加した。
1.3 なぜ階層設計を行うのか?
階層設計は複雑なシステムを処理するための一般的な方法であり、システムを複数の階層構造に分割し、各階層間の関係と機能を定義することで、システムのモジュール化、保守性、拡張性を実現し、システム設計の効率と信頼性を向上させます。
巨大なプロトコル体系に対して、階層設計を使用することには明らかな利点があります: 理解しやすく、分業の実装とモジュールごとの改善が容易になります。コンピュータネットワークのISO/OSI七層モデルのように、具体的な実装ではいくつかの層が統合されることがあります。例えば、TCP/IPの四層プロトコルのように。
分層設計の利点には次のようなものがあります:
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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路
ビットコインの二層構築には主に三つのルートがあります:
(1) チェーンに基づく拡張ルート、EVMに似たレイヤー2はブロックチェーン構造です。
(2) 分散型のルートに基づき、ライトニングネットワークを代表とする分散型構造です。
(3) 中央集権システムに基づくルートで、中央集権インデックスを代表とし、中央集権構造です。
前の2つの方法はすでにいくつかの実際の応用と探求があります。第一の方法は、イーサリアムの繁栄と他のビットコインの模倣チェーンの探求により、比較的実現が容易です。第二の分散型の方法は通常、難しさが大きく、発展が遅く、ライトニングネットワークがその代表です。第三の方法は議論の余地があり、二層の構築とは異なるように見えますが、二層の構築の機能を果たしているようです。
私たちは総ロックアップ価値(TVL)を基準として使用でき、TVLが高いレイヤー2ソリューションは優れています。時間と技術の進展に伴い、最適なソリューションは常に変化します。
ビットコインの二層ネットワークについては、ビットコインネットワークに依存し、技術的な関連を築き、かついくつかの特性がビットコインの一層ネットワークより優れていれば、すべてビットコインの二層ネットワークの構築と見なされます。言い換えれば、BTCをガスとして消費し、BTCを基盤資産として、ビットコインの性能を拡張するシステムはすべて二層の構築とみなされます。
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2.1 チェーンに基づく二層の構築
初期のビットコイン模倣チェーンはいくつかの探索を行いました。例えば「Colorcoin」(カラードコイン)、「CovertCoins」や「MasterCoin」；さまざまな拡張のビットコインフォークチェーン、例えばBCH(ビットコインキャッシュ)、BSV(ビットコインSV)、BTG(ビットコインゴールド)；さまざまなサイドチェーン技術はチェーンの拡張構築ケースに基づいており、広義の二層と見なすことができます。
イーサリアムはビットコインを基にした改良の探求とも見なせます。ヴィタリックはビットコインの不足(、例えばUTXOのアカウントなしのシステム、チューリング完全でない実行言語、スケーラビリティの低さなど)に対処するために、新世代のブロックチェーンシステムを開発しました。イーサリアムはビットコイン上の直接的なレイヤー2の構築ではありませんが、広義にはチェーンに基づく構築の探求です。
イーサリアムのビットコインに対する改善の探索、およびイーサリアムの第2層の発展と検証は、ビットコインのチェーンに基づく第2層ネットワークの発展に参考を提供しました。さまざまなRollupソリューション、クロスチェーンソリューション、メッセージチャネル技術、そしてイーサリアムのシャーディング技術が、イーサリアムの技術エコシステムの活況な発展を促進しました。
ビットコインにおけるチェーンに基づく二層の構築は、主に二種類の典型的なチェーンタイプを含んでいます: 一つはEVMに対応したアカウントモデル、もう一つはビットコインに類似したUTXOモデルです。既存のケース(の広義の二層定義)には、イーサリアム、Polygon、Bsc、ArbitrumなどがEVMのアカウントモデルに含まれ、CKB(Nervos)、ChiaはUTXOモデルです。
さらに、Ethereum上で成功した二層プロジェクトもビットコインの二層構築に参加します。これらのプロジェクトにとって、ビットコインの二層に変換する作業量と課題は比較的小さいでしょう。Ethereumのロールアップの成熟とモジュール化の発展に基づき、この方法の二層構築はスケーリングの議論の主流になる可能性があり、最も迅速な効果を発揮するソリューションでもあります。
チェーンベースの二次層構築の利点と欠点:
価値：
短所：
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2.2 分散システムに基づく第2層の構築
いくつかの二層構築は分散システムに基づいており、その構造とフレームワークはブロックチェーン構造ではなく、Channelに基づく分散システムです。ライトニングネットワークは典型的な代表です。
分散システムは有限のプロセスとチャネルで構成されています。メッセージを送信するためには、データ、イベント、チャネルを制御する必要があり、これはすでに複雑な問題です。ここでのチャネルは、レイヤー上のチャネルの概念を指し、例えばライトニングネットワークの支払いチャネルやNostrのメッセージチャネルであり、分散ネットワークの基盤となるチャネルの概念とは異なります。
分散型の二層構築は二つのカテゴリに分かれます:
(1) 価値の転送のみを完了する、例えばライトニングネットワーク;
(2) 価値の伝達を完了し、かつチューリング完全な技術を実現します。例えば、RGB。
分散型の二層構築は価値の移転に関わるため、メッセージ伝達を超えた多くの難点に直面しています。例えば、チャネル内の総価値容量、トランザクションの厳密性、二重消費の防止などです。そのため、この種の二層構築の発展は遅く、成熟した事例はあまり多くありません。
そのような二層上でチューリング完全な計算を実現すること、つまりChannel上にチューリング完全な仮想マシンシステムを構築することは、さらに難易度が高くなります。RGBプロトコルは、クライアント検証と一回限りのシールを通じて、分散システム上でのチューリング完全な計算を実現します。
ビットコイン中基于分布式系统の二層建設ケースには、閃電ネットワーク、RGBなどが含まれます。広義の二層建設基準に従って、NostrはChannelメカニズムの分散システム二層建設に該当しますか？イーサリアムでChannelを使用したケースにはConnext、Raiden、Perunがあり、深入り研究の方向性として考えられます。
分散型システムに基づくレイヤー2の構築の長所と短所:
価値：
短所：
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2.3 中央集権システムに基づくレイヤー2の構築
Ordinalsのような中央集権的なインデックス構造や、特定の機能ノードのインデクサは中央集権的な構造であり、これは一種のレイヤー2構築の考え方です。この方法は認められることが少なく、なぜならレイヤー2はあまりにも中央集権的で、レイヤー1ネットワークの拡張に限界があるからです。中央集権的構造に基づくレイヤー2の構築は、さまざまなブロックチェーンの基本特性がレイヤー1ネットワークに依存しており、レイヤー2は単純な計算や統計機能として存在し、必要不可欠ではなく、いつでも代替可能に思えます。しかし、オンチェーンとオフチェーンの観点、さらにはレイヤー1ネットワークの能力を向上させる観点から見ると、この中央集権的構造も一種のレイヤー2の拡張です。
Ordinalsを除いて、中央集権的取引所もこのようなケースと見なすことができます。
中央集権型システムに基づくレイヤー2の利点と欠点:
価値：