比特币二层网络的基础知识体系梳理

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。在比特币生态的众多技术发展中,二层建设是重中之重。本文借鉴了一些知名文章和多位朋友的交流,以及团队在Web3产品设计与开发中的探索经历,总结了比特币二层的基础知识。希望能抛砖引玉,吸引更多人完善相关思路,推动这个领域的发展。

区块链世界是以比特币为开局,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"概念通用。二层建设是更广泛的概念,但为适应业内常用说法,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要解决的基本问题,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

我们使用Vitalik提出的概念:区块链是一台"世界计算机"。从这个角度理解区块链的多种特性会更清晰。我们还会依据计算机中的冯诺依曼结构来分析这个"世界计算机"发展的可能性。

总结一些基础特性:

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,同时也是需要全球众多分布式节点共同参与计算的内部需求特性。这个特点满足了使用者对于数据的知情权,是这台"世界计算机"本身的内部协作要求和使用者的外部需求的共同结果。

去中心化:这个特性是这台"世界计算机"的架构特性,去中心化的程度和容错性在理论上都由拜占庭将军理论支持。非拜占庭将军系统从理论上都不是区块链系统,我们稍后会看到二层建设中的非区块链系统的两种情况。去中心化的程度是区块链安全性的一个重要指标,也是某些特性的基础。

安全性:安全性是由这台"世界计算机"的架构特性产生的内部需求和使用者需要的外部需求的共同组成。从微观层面安全性由密码学相关的技术来保证,从宏观层面上由架构的去中心化来保证,从而使得不会因为微观数据的伪造,或宏观架构的破坏而影响这台"世界计算机"的安全性。

计算能力:区块链这台世界计算机的一个主要功能是计算能力。衡量这个指标,我们一般用是否图灵完备来考察。一些链为了保持自己的主要特性,是故意设计成图灵不完备的。例如,比特币网络,中本聪不仅让其代码指令不图灵完备,而且在发展中还故意删减了一些指令集,从而保持其稳定性和安全性。所有的图灵完备技术都是为了扩展区块链的计算能力。从分层设计的思想看,简单的系统更适合做底层。

性能:在计算能力相同的情况下,性能是考察区块链这个世界计算机的另一项主要能力。一般都用TPS,即每秒处理的事务数量来衡量的。

存储:区块链被描述为"世界计算机",那么它一定有一个存储功能,就是将数据记录下来的能力。目前基本都在区块内存储,更专业的区块外的链上存储还在发展中。

隐私:隐私是"世界计算机"中的一个细分需求,即要求在计算和存储的过程中保持数据生产者和使用者的权限范围(我们把抗审查性也放在隐私部分)。这基本上是由使用者的外部需求驱动的。

还有个综合指标可扩展性,一般是指整个架构的可扩展性,这个特性影响多数的基础特性,在架构层面,系统的可扩展性是一个很重要的指标。其他还会有一些连接能力,或其他一些特定场景的能力,在这里不过多的讨论,遇到这些特殊的场景时,再详细分析。

在这些区块链的基础特性中,大都由不可能三角形在制约相互的发展关系。例如,DSS猜想即去中心化(Decentralization,D)、安全性(Security,S)和可扩展性(Scalability,S)。

在分布式系统中,类似的不可能三角形是CAP原理,CAP指的是在一个分布式系统中Consistency(一致性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分区容错性)三者不可兼得。区块链系统是带有拜占庭将军问题的分布式系统,所以也适用于CAP原理。

1.2 二层建设的作用

二层建设要完成哪些角色?提供哪些功能呢?二层建设一定是扩展一层系统的不足,将不适合在一层系统上完成的事情,在二层建设上完成。

我们从上面总结的区块链特性可以有个初步的结论,一定是扩展这些基础能力: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。除了这些技术角度的基础能力,还有一个很重要的经济学问题需要解决,就是降低成本,通常一层网络的执行事务的综合成本都比较高,需要使用二层网络降低这些成本。

总结成一句话就是为了增加容量、降低成本、定制特性三个维度的方案都是二层建设。对于定制特性,目前还不够明显,或者经常掩藏在前两个特性中,有一些费解。我们可以这样理解,一层网络的特性对于很多应用,需要的程度不同,可以在二层上面针对某些应用重新调整各种特性的实现度。

在二层建设中,区块链的基础能力会各有取舍,会降低一些特性,甚至丢弃一些特性,而换取某些特性的显著提高。例如:一些二层为了提高性能,会降低去中心化的程度,会降低安全性;一些二层为了增加吞吐量,如闪电网络,会改变系统的结构和结算的方式。还有一些会不降低基础特性的前提下,增强了某种特性,例如RGB的处理方式,明显增加了隐私性和抗审查性,但增加了技术实现难度。在后面的案例中,我们会看到同时降低或改变几种特性的二层建设。

其中降低成本应该是所有的二层建设的一个基本需求。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是一种人类处理复杂系统的手段和方法论,通过将系统划分为多个层次结构并定义各层之间的关系和功能,以实现系统的模块化、可维护性和可扩展性,从而提高系统的设计效率和可靠性。

对于一项广泛和庞大的协议体系,使用分层会有明显的好处。这样做使人们容易理解,容易分工实现与容易分模块改进等优点。如计算机网络中的ISO/OSI的七层模型设计,但在具体的实现中,可以合并一些分层,例如,具体的网络协议TCP/IP是四层协议。

具体说协议分层的优点:

1.各层次之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的,而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样,整个问题的复杂程度就下降了。也就是说上一层的工作如何进行并不影响下一层的工作,这样我们在进行每一层的工作设计时只要保证接口不变,可以随意调整层内的工作方式。

2.灵活性好。当任何一层发生变化时,只要层间接口关系保持不变,则在这层以上或以下层均不受影响。当某一层出现技术革新或者某一层在工作中出现问题时不会连累到其它层的工作,排除问题时也只需要考虑这一层单独的问题即可。

3.结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。技术的发展往往不对称的,层次化的划分有效避免了木桶效应,不会因为某一方面技术的不完善而影响整体的工作效率。

4.易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理,因为整个的系统已经被分解为若干个相对独立的子系统。进行调试和维护时,可以对每一层进行单独的调试,避免了出现找不到、解决错问题的情况。

5.能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。标准化的好处就是可以随意替换其中的某一层,对于使用和研究来说十分方便。

分层模块化设计思想是技术领域对待一项功能庞大,需要多人协作,并不断改进工程项目的常见处理方法,并且是经过实践检验,行之有效的方法。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

我们以比特币的二层建设为案例,进行相关的分析。比特币的二层有三种显著的二层建设路线:

(1)一种是基于链的扩展路线,和EVM的二层很类似,是区块链结构;

(2)一种是基于分布式的路线,以闪电网络为代表,是分布式结构。

(3)还有一种是基于中心化系统的路线,以中心化索引为代表,是中心化的结构。

前两种方式都很有特点,已经有一些在使用的产品和探索中的产品。对于第一种方式,因为有了以太坊的蓬勃发展和其他比特币模仿链的探索,基于链的二层扩展相对更容易,可参考案例更多。第二种基于分布式的方式通常更有难度,发展也缓慢一些,以闪电网络为代表。第三种方式很有争议,因为看起来不像一个二层建设,但似乎又完成了二层建设的功能。

哪一种二层建设方案更好呢?我们用一个市场检验结果来作为衡量标准,哪个二层网络的总锁仓价值TVL(Total Value Locked)高,那种方案就是最优方案。随着时间和技术的发展,这种最优方案会是一个变化的过程。

对于比特币的二层网络定义,只要依托于比特币网络,和比特币网络建立技术关联,一些特性又优于比特币的一层网络,都算比特币的二层网络建设。换句话说:只要消耗BTC作为gas,以BTC为底层资产,扩展了比特币性能的系统都算二层建设。依据这个判断,我们应该会认可第三种二层网络建设,即中心化结构的二层建设。

比特币本身技术的发展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnnor签名、MAST、Tapscript都应该为连接一层和二层的目的而设计,不应该使用这些技术过多的开发功能,因为一层网络再怎么扩展也不会有质的突破,必须要进行二层建设。但在没有更好用的比特币二层产品情况下,这些连接一层和二层的技术能力,在一段时间内会被过度的使用。

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