比特幣二層網路:擴容之路的三大建設思路及技術挑戰

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注入了新的活力,引發了人們對比特幣的重新關注。有人認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的諸多技術發展中,二層建設至關重要。本文旨在總結比特幣二層的基礎知識,希望能拋磚引玉,推動這一領域的進一步發展。

區塊鏈世界以比特幣爲開端,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"可互換使用,通常後者較狹義,前者更廣泛。但爲與業內常用術語保持一致,我們也會使用"二層網路建設"這一概念。

1. 二層Layer2的使命

爲理解比特幣二層建設需要解決的基本問題,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

我們採用Vitalik提出的概念:區塊鏈是一臺"世界計算機"。從這個角度理解區塊鏈的多種特性會更清晰。後面我們還會基於馮諾依曼結構分析這個"世界計算機"的發展可能性。

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,也是需要全球衆多分布式節點共同參與計算的內部需求特性。這個特點滿足了使用者對數據的知情權,是這臺"世界計算機"本身的內部協作要求和使用者的外部需求的共同結果。

去中心化: 這是這臺"世界計算機"的架構特性,去中心化的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,也是某些特性的基礎。

安全性: 安全性由這臺"世界計算機"的架構特性產生的內部需求和使用者需要的外部需求共同組成。從微觀層面由密碼學相關技術保證,從宏觀層面由架構的去中心化保證。

計算能力: 區塊鏈這臺世界計算機的主要功能之一是計算能力。通常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: 在計算能力相同的情況下,性能是考察區塊鏈這個世界計算機的另一項主要能力。通常用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",必然具備存儲功能,即記錄數據的能力。目前基本都在區塊內存儲,更專業的區塊外鏈上存儲仍在發展中。

隱私: 隱私是"世界計算機"中的細分需求,即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。這主要由使用者的外部需求驅動。

這些區塊鏈基礎特性大多受不可能三角形制約,如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可擴展性(Scalability)無法同時達到最優。

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1.2 二層建設的作用

二層建設的作用是擴展一層系統的不足,完成一層系統無法實現的功能。具體來說,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。除技術角度外,還需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、定制特性這三個維度而設計的方案。

在二層建設中,區塊鏈的基礎能力會有所取舍,可能降低甚至丟棄某些特性,以換取其他特性的顯著提高。例如,一些二層爲提高性能會降低去中心化程度和安全性;一些爲增加吞吐量會改變系統結構和結算方式。還有一些在不降低基礎特性的前提下增強了某種特性,如RGB增加了隱私性和抗審查性,但也增加了技術實現難度。

1.3 爲什麼要做分層設計?

分層設計是處理復雜系統的常用方法,通過將系統劃分爲多個層次結構並定義各層間關係和功能,實現系統的模塊化、可維護性和可擴展性,從而提高系統設計效率和可靠性。

對於龐大的協議體系,使用分層設計有明顯好處:便於理解、分工實現和分模塊改進。如計算機網路中的ISO/OSI七層模型,但具體實現中可能會合並某些層,如TCP/IP的四層協議。

分層設計的優點包括:

  1. 各層獨立,上下層工作互不影響
  2. 靈活性好,單層變化不影響其他層
  3. 結構可分割,各層可採用最適合的技術
  4. 易於實現和維護
  5. 促進標準化

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2. 比特幣Layer2的幾種建設思路

比特幣的二層建設主要有三種路線:

(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。

前兩種方式已有一些實際應用和探索。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,相對更容易實現。第二種基於分布式的方式通常難度更大,發展較慢,以閃電網絡爲代表。第三種方式較有爭議,看似不像二層建設,但似乎完成了二層建設的功能。

我們可以用總鎖倉價值(TVL)作爲衡量標準,TVL越高的二層方案越優秀。隨時間和技術發展,最優方案會不斷變化。

對於比特幣的二層網路,只要依托比特幣網路,建立技術關聯,且某些特性優於比特幣一層網路,都可視爲比特幣的二層網路建設。換言之,消耗BTC作爲gas,以BTC爲底層資產,擴展比特幣性能的系統都算二層建設。

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2.1 基於鏈的二層建設

早期的比特幣模仿鏈進行了多種探索,如"Colorcoin"(彩色幣)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各種擴容的比特幣分叉鏈,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,可視爲廣義上的二層。

以太坊也可看作是基於比特幣的改進探索。Vitalik針對比特幣的不足(如UTXO的無帳號系統、非圖靈完備的執行語言、可擴展性差等),開發了新一代區塊鏈系統。雖然以太坊不是比特幣上直接的二層建設,但從廣義上看是一種基於鏈的建設探索。

以太坊對比特幣不足的改進探索,以及以太坊二層的發展與驗證,爲比特幣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,推動了以太坊技術生態的蓬勃發展。

比特幣中基於鏈的二層建設主要包含兩種典型的鏈類型:一種是兼容EVM的帳號模型,一種是類比特幣的UTXO模型。已有的案例(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。

此外,已在以太坊上成功的二層項目也會加入比特幣二層建設。對這些項目來說,改造成比特幣二層的工作量和挑戰會相對較小。基於以太坊rollup的成熟與模塊化發展,這種方式的二層建設可能成爲擴容討論的主流,也是見效最快的方案。

基於鏈的二層建設的優缺點:

優點:

  • 保持了區塊鏈大多數基礎特性
  • 通常解決了圖靈完備問題
  • 顯著降低交易費用
  • 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

缺點:

  • 仍受區塊鏈限制,性能提升有限
  • 可能需要降低去中心化程度或安全性來提高性能
  • 可能需要二層上的二層建設(Layer3或Layer4)

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2.2 基於分布式系統的二層建設

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

分布式系統由有限的進程和通道Channel組成。爲傳遞消息,需要控制數據、事件、通道,這已是較復雜的問題。這裏的Channel指上層通道概念,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底層Channel概念。

基於分布式的二層建設分爲兩類:

(1) 只完成價值傳遞,如閃電網絡;

(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,面臨許多超越消息傳遞的難點,如通道內總價值容量、事務嚴謹性、防止二次消費等。因此這類二層建設發展較慢,成熟案例不多。

在這樣的二層上實現圖靈完備計算,即在Channel上建立圖靈完備的虛擬機系統,難度更大。如RGB協議通過客戶端驗證、一次性密封來實現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案例包括:閃電網絡、RGB等。按廣義二層建設標準,Nostr是否也屬於Channel機制的分布式系統二層建設?以太坊中使用Channel的案例如Connext、Raiden、Perun,可作爲深入研究的方向。

基於分布式系統的二層建設優缺點:

優點:

  • 系統更去中心化
  • 二層網路可容納無數節點
  • 隱私性和抗審查能力更強
  • 理論上具有無限擴展性和極高性能

缺點:

  • 技術實現復雜
  • 龐大分布式系統中的路由算法、價值拆分與封裝算法復雜
  • 價值傳遞方面缺乏工程實現經驗和基礎設施
  • 實現圖靈完備系統(Channel+計算)是巨大挑戰

一文梳理比特幣二層網路的基礎知識體系

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,也是一種二層建設思路。這種方式較少被認可,因爲二層過於中心化,對一層網路的擴展有限。基於中心化結構的二層建設各種區塊鏈基礎特性都依賴於一層網路,二層僅作爲簡單計算和統計功能,似乎可有可無,隨時可被替代。但從On-Chain和Off-Chain角度,以及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。

除Ordinals外,中心化交易所也可視爲此類案例。

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
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Gas_FeeTerapistvip
· 07-13 00:37
扩容才是王道
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OptionWhisperervip
· 07-12 07:21
这观点很有深度
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metaverse_hermitvip
· 07-10 21:31
L2时代已经来临
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薛定谔的韭菜钱包vip
· 07-10 14:56
看好比特币二层
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Gas Fee Whisperervip
· 07-10 14:53
Layer2 变革在即
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测试网学者vip
· 07-10 14:50
二层终局在路上
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GateUser-a5fa8bd0vip
· 07-10 14:38
二层未来可期
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夜间创世纪vip
· 07-10 14:38
二层是未来关键
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