Основи знань про другий рівень мережі Біткойн

Виникнення написів Біткойн надало нову енергію екосистемі Біткойн, викликавши повторний інтерес до Біткойн. Дехто вважає, що це відкрило Пандорину скриньку екосистеми Біткойн. У численних технологічних розробках екосистеми Біткойн будівництво другого рівня є надзвичайно важливим. Ця стаття має на меті підсумувати основи другого рівня Біткойн, сподіваючись, що це стане поштовхом для подальшого розвитку цієї сфери.

Світ блокчейну починається з Біткойну і завершується екосистемою Біткойна. Ефір також можна вважати однією з технологічних експериментів побічної лінії Біткойна.

У цьому тексті "другий рівень будівництва" та "будівництво другого рівня мережі" можуть використовуватися взаємозамінно, зазвичай друге є більш вузьким, а перше - більш широким. Але для того, щоб бути послідовними з термінами, які часто використовуються в індустрії, ми також будемо використовувати концепцію "будівництво другого рівня мережі".

1. Місія другого рівня Layer2

Щоб зрозуміти основні проблеми, які потрібно вирішити для будівництва другого рівня Біткойна, почнемо з основних характеристик системи блокчейн.

1.1 Основні характеристики та вимоги до блокчейну

Ми використовуємо концепцію, запропоновану Віталіком: блокчейн – це "світовий комп'ютер". З цієї точки зору буде ясніше зрозуміти різноманітні особливості блокчейну. Пізніше ми також проаналізуємо можливості розвитку цього "світового комп'ютера" на основі структури фон Неймана.

Основні характеристики блокчейну включають:

Відкритість і прозорість: Це характеристика зберігання даних і виконання інструкцій "світового комп'ютера" на базі блокчейну, а також внутрішня потреба, що вимагає спільної участі численних розподілених вузлів у обчисленнях по всьому світу. Ця характеристика задовольняє право користувачів на інформацію про дані, є спільним результатом внутрішніх вимог співпраці цього "світового комп'ютера" та зовнішніх потреб користувачів.

Децентралізація: Це архітектурна характеристика цієї "світової комп'ютерної системи", рівень децентралізації та стійкості до помилок теоретично підтримується теорією візантійських генералів. Рівень децентралізації є важливим показником безпеки блокчейну та основою для певних характеристик.

Безпека: Безпека складається з внутрішніх вимог, що виникають з особливостей архітектури цієї "світової комп'ютерної системи", та зовнішніх вимог користувачів. На мікрорівні її забезпечують технології, пов'язані з криптографією, а на макрорівні — децентралізація архітектури.

Обчислювальна потужність: Однією з основних функцій цієї світової обчислювальної машини, що називається блокчейном, є обчислювальна потужність. Як правило, її вимірюють за допомогою тьюрінгової повноти. Деякі ланцюги навмисно проектуються як тьюрінгово неповні, щоб зберегти свої основні характеристики.

Продуктивність: При однаковій обчислювальній потужності продуктивність є ще однією основною характеристикою комп'ютера цього світу блокчейну. Зазвичай вимірюється за допомогою TPS( кількості транзакцій, що обробляються за секунду).

Зберігання: Блокчейн, як "світовий комп'ютер", обов'язково має функцію зберігання, тобто здатність записувати дані. Наразі в основному зберігаються в блоках, більш професійне зберігання поза блоками ще перебуває в процесі розвитку.

Приватність: Приватність є сегментованою потребою в "світовому комп'ютері", тобто вимогою зберігати обмеження прав виробників та користувачів даних під час обчислень і зберігання. Це в основному зумовлено зовнішніми потребами користувачів.

Ці основні характеристики блокчейну в основному обмежені неможливим трикутником, таким як гіпотеза DSS: децентралізація (Decentralization ), безпека (Security ) і масштабованість (Scalability ) не можуть одночасно досягти оптимуму.

1.2 Роль будівництва другого рівня

Роль другого рівня полягає в розширенні недоліків системи першого рівня та виконанні функцій, які не може реалізувати система першого рівня. Конкретно, будівництво другого рівня має розширити ці основні можливості: публічність та прозорість, децентралізацію, безпеку, обчислювальну здатність, продуктивність ( пропускну здатність ), зберігання, конфіденційність тощо. Окрім технічного аспекту, також потрібно вирішити одну важливу економічну проблему: зниження витрат.

Підсумовуючи, будівництво другого рівня – це рішення, розроблене для збільшення потужності, зменшення витрат і налаштування характеристик у трьох вимірах.

У будівництві другого рівня базові можливості блокчейну можуть бути скориговані, можливо, знижуючи або навіть відмовляючись від певних характеристик в обмін на значне підвищення інших. Наприклад, деякі другі рівні знижують рівень децентралізації та безпеки для підвищення продуктивності; деякі змінюють структуру системи та способи розрахунків для збільшення пропускної здатності. Інші, не знижуючи базових характеристик, покращують певну характеристику, як RGB, що підвищує конфіденційність і стійкість до цензури, але також збільшує складність технічної реалізації.

1.3 Чому слід робити ієрархічний дизайн?

Шарове проектування є поширеним методом обробки складних систем, який полягає в розподілі системи на кілька рівнів структури та визначенні відносин і функцій між кожним рівнем, що дозволяє реалізувати модульність, підтримуваність та розширюваність системи, тим самим підвищуючи ефективність і надійність проектування систем.

Для великої системи протоколів використання ієрархічного дизайну має очевидні переваги: зручність розуміння, розподіл реалізації та модульне вдосконалення. Як у семирівневій моделі ISO/OSI в комп'ютерних мережах, але в конкретній реалізації деякі шари можуть бути об'єднані, як у чотирирівневому протоколі TCP/IP.

Переваги багаторівневого дизайну включають:

1. Кожен рівень незалежний, робота верхніх і нижніх рівнів не впливає одна на одну
2. Гнучкість хороша, зміни в одному шарі не впливають на інші шари
3. Структура може бути роздільною, кожен шар може використовувати найбільш відповідну технологію
4. Легко реалізувати та підтримувати
5. Сприяння стандартизації

2. Будівельні підходи Layer2 для Біткойн

Будівництво другого рівня для Біткойн має три основні напрямки:

(1) Розширення на основі ланцюга, подібне до другого рівня EVM, є структурою блокчейну;

(2) На основі розподіленого маршруту, з мережею Lightning як приклад, є розподіленою структурою;

(3) На основі централізованої системи, що представляється централізованим індексом, є централізованою структурою.

Перші два способи вже мають деякі практичні застосування та дослідження. Перший спосіб завдяки бурхливому розвитку Ethereum та дослідженням інших ланцюгів, які імітують Біткойн, відносно легше реалізувати. Другий спосіб, заснований на розподілених системах, зазвичай є більш складним, розвивається повільніше, з представником у вигляді мережі Lightning. Третій спосіб є більш суперечливим, здається, що не є будівництвом другого рівня, але, з іншого боку, виглядає так, ніби виконує функції другого рівня.

Ми можемо використовувати загальну заблоковану вартість ( TVL ) як стандарт вимірювання, чим вищий TVL, тим кращим є рішення другого рівня. З часом і розвитком технологій оптимальні рішення будуть постійно змінюватися.

Для другого рівня мережі Біткойн, якщо він базується на мережі Біткойн, має технічні зв'язки і певні характеристики, які перевищують перший рівень мережі Біткойн, його можна вважати будівництвом другого рівня Біткойн. Іншими словами, системи, які споживають BTC як газ, мають BTC як базовий актив і розширюють можливості Біткойн, також вважаються будівництвом другого рівня.

2.1 Будівництво другого рівня на основі блокчейну

Ранні біткойн-імітуючі ланцюги провели безліч експериментів, таких як "Colorcoin"(кольорові монети), "CovertCoins" і "MasterCoin"; різні форки біткойна для розширення, такі як BCH(Bitcoin Cash), BSV(Bitcoin SV), BTG(Bitcoin Gold); різні технології бічних ланцюгів є прикладами розширення ланцюга, які можна розглядати як широке визначення другого рівня.

Ефіріум також можна розглядати як вдосконалення, засноване на Біткойні. Віталік, зважаючи на недоліки Біткойна (, такі як безоблікова система UTXO, неструктурована виконавча мова, погана масштабованість тощо ), розробив нове покоління блокчейн-систем. Хоча Ефіріум не є безпосередньою другою ланкою на основі Біткойна, але в широкому сенсі є дослідженням на основі ланцюга.

Дослідження вдосконалень Ethereum порівняно з Біткойном, а також розвиток і верифікація другого рівня Ethereum, надають посилання для розвитку другого рівня мережі Біткойн на основі блокчейн. Різні рішення Rollup, міжланцюгові рішення, технології каналів зв'язку та технології шардінгу Ethereum сприяють бурхливому розвитку технологічної екосистеми Ethereum.

У Біткойні основні двошарові рішення на базі ланцюга містять два типових типи ланцюгів: один — це модель облікового запису, сумісна з EVM, інший — це модель UTXO, подібна до Біта. Існуючі приклади ( ширшого визначення другого рівня ) включають: Ethereum, Polygon, Bsc, Arbitrum тощо — це модель облікового запису EVM, CKB ( Nervos ), Chia — це модель UTXO.

Крім того, успішні проекти другого рівня на Ethereum також приєднаються до будівництва другого рівня Біткойна. Для цих проектів обсяг роботи та виклики при перетворенні на другий рівень Біткойна будуть відносно невеликими. Завдяки зрілості та модульному розвитку rollup на Ethereum, така форма будівництва другого рівня може стати основною темою обговорення розширення, а також є найбільш швидким варіантом.

Переваги та недоліки будівництва другого рівня на базі блокчейну:

Переваги:

• Зберегла більшість основних характеристик блокчейну
• Зазвичай вирішує проблему Тюрінга.
• Значно знизити комісії за транзакції
• В певній мірі розширила мережеві можливості
• Багатий досвід реалізації проектів, технічне виконання відносно просте
• Міграція верхніх рівнів додатків зручна

Недоліки:

• Все ще обмежений блокчейном, підвищення продуктивності обмежене
• Можливо, потрібно знизити рівень децентралізації або безпеки для підвищення продуктивності
• Можливо, знадобиться побудова другого рівня на другому рівні (Layer3 або Layer4)

2.2 Будівництво другого рівня на основі розподілених систем

Деякі рішення другого рівня будуються на основі розподілених систем, їхня структура та рамки вже не є блокчейн-структурою, а базуються на розподілених системах на основі каналу. Мережева блискавка є типовим представником.

Розподілена система складається з обмеженої кількості процесів та каналів Channel. Для передачі повідомлень необхідно контролювати дані, події, канали, що є досить складною проблемою. Тут Channel відноситься до концепції верхнього рівня, такої як платіжні канали в мережі Lightning, канали повідомлень в Nostr, а не до концепції нижнього рівня каналів у розподілених мережах.

Основи розподіленого будівництва другого рівня діляться на два типи:

(1) Тільки завершення передачі вартості, як у мережі Lightning;

(2) вже завершено передачу вартості, а також реалізовано технологію з повною Тюрінговою здатністю, таку як RGB.

Будівництво другого рівня на основі дистрибуції, оскільки воно стосується передачі вартості, стикається з багатьма труднощами, які перевищують просту передачу повідомлень, такими як загальна ємність вартості в каналі, суворість транзакцій, запобігання повторному споживанню тощо. Тому розвиток таких будівництв другого рівня відбувається повільно, зріліх прикладів не так багато.

Реалізувати обчислення з Тюрінговою повнотою на такому другому рівні, тобто створити систему віртуальної машини з Тюрінговою повнотою на каналі, набагато складніше. Наприклад, протокол RGB реалізує Тюрінгову повноту в розподіленій системі через перевірку клієнтом і одноразове запечатування.

Приклади будівництва другого рівня на основі розподілених систем у Біткойні включають: мережа Lightning, RGB тощо. За широким стандартом будівництва другого рівня, чи належить Nostr до розподіленої системи другого рівня механізму Channel? Приклади використання Channel в Ефірі, такі як Connext, Raiden, Perun, можуть слугувати напрямками для поглибленого дослідження.

Переваги та недоліки будівництва другого рівня на основі розподілених систем:

Переваги:

• Система стає більш децентралізованою
• Друга мережа може вміщувати безліч вузлів
• Приватність та стійкість до цензури є більш сильними
• Теоретично має безмежну масштабованість і дуже високу продуктивність

Недоліки:

• Технічна реалізація складна
• Складні алгоритми маршрутизації, розподілу вартості та упаковки в масштабних розподілених системах
• Брак інженерного досвіду та інфраструктури в передачі вартості
• Реалізація системи, що має повну обчислювальну потужність ( Channel+ обчислення ) є великим викликом

2.3 Побудова другого рівня на базі централізованої системи

Централізовані індексні структури, такі як Ordinals, або індексатори деяких функціональних вузлів є централізованими структурами і також є підходом до побудови другого рівня. Цей підхід менш визнаний, оскільки другий рівень є надто централізованим і має обмежене розширення для першого рівня мережі. Будь-які основні характеристики блокчейну, засновані на централізованій структурі другого рівня, залежать від першого рівня мережі; другий рівень виконує лише прості обчислення та статистичні функції, які, здається, можуть бути необов'язковими і можуть бути замінені в будь-який момент. Проте з точки зору On-Chain та Off-Chain, а також з точки зору підвищення можливостей першого рівня мережі, ця централізована структура також є розширенням другого рівня.

Крім Ordinals, централізовані біржі також можна вважати такими випадками.

Плюси і мінуси будівництва другого рівня на основі централізованої системи:

Переваги:

• Централізовані системи дуже успішні