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隆はビットコインエコシステムに新たな活力をもたらし、より多くの人々がビットコインに再注目するようになりました。有人はこれが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の多くの技術発展の中で、二層の構築は非常に重要です。本稿ではビットコインの二層に関する基礎知識をまとめており、これがこの分野の発展を促すきっかけとなることを期待しています。

ブロックチェーンの世界はビットコインから始まり、ビットコインのエコシステムで終わります。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ることができます。

本文中"二層建設"と"二層ネットワーク建設"の概念は一般的です。二層建設はより広範囲をカバーしていますが、業界で一般的に使用される表現に適応するために、"二層ネットワーク建設"という言葉も使用されます。

1. レイヤー2のミッション

二層構築の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を理解しましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と需要

ヴィタリックが提唱した「ブロックチェーンは世界コンピュータである」という概念を基に、私たちはこの視点からブロックチェーンのさまざまな特性をより明確に理解することができます。後半では、フォン・ノイマン型アーキテクチャに基づいてこの「世界コンピュータ」の発展の可能性を分析します。

基本特性のまとめ:

公開透明:ブロックチェーンという"世界のコンピュータ"のデータストレージと命令実行の特徴は、多くの分散ノードが計算に参加する内部ニーズの特性でもあります。これは、ユーザーのデータに対する知る権利を満たし、内部の協力要求と外部のニーズの共同の結果です。

分散型:これは"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性で、分散の程度と耐障害性は理論的にバイザンティン将軍の理論によって支持されています。非バイザンティンシステムは理論的にブロックチェーンシステムではなく、後で二層構築における非ブロックチェーンシステムの状況を見ていきます。分散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:アーキテクチャの特性から生じる内部要求とユーザーが必要とする外部要求が共同で構成されています。ミクロレベルでは暗号技術によって保証され、マクロレベルでは非中央集権アーキテクチャによって保証されるため、ミクロデータの偽造やマクロアーキテクチャの破壊によって安全性に影響を与えることを避けることができます。

計算能力:"世界コンピュータ"の主要な機能の一つ。通常はチューリング完全性で測定される。特定のチェーンは主要な特徴を保持するために、意図的にチューリング不完全に設計されている。例えばビットコインネットワークでは、中本聡はその命令セットをチューリング不完全にしただけでなく、一部の命令を削減して、安定性と安全性を保持している。すべてのチューリング完全技術は計算能力を拡張するために存在する。階層設計思想から見ると、単純なシステムは基盤としてより適している。

性能:計算能力が同じ場合、性能は「世界コンピュータ」を評価するもう一つの主要な能力です。通常、TPS(毎秒処理取引数)で測定されます。

ストレージ："世界コンピュータ"は必然的にストレージ機能、つまりデータを記録する能力を備えている必要があります。現在は基本的にブロック内にストレージされており、より専門的なブロック外のリンク上のストレージはまだ発展中です。

プライバシー:計算およびストレージプロセスにおいて、データの生産者と使用者の権限範囲を保持する必要性(には、検閲耐性)が含まれます。主に使用者の外部需要によって駆動されています。

スケーラビリティは総合的な指標であり、通常は全体のアーキテクチャのスケーラビリティを指し、主要な特性に影響を与えます。アーキテクチャの観点から、システムのスケーラビリティは非常に重要な指標です。また、接続能力や特定のシーンにおける能力もありますが、ここでは詳述しません。特殊なシーンに遭遇した際に、詳細に分析します。

これらの基本的な特性のほとんどは、「不可能な三角形」によって支配されています。 DSSが推測するように、つまり、分散化(Decentralization、D)、セキュリティ(Security、S)、スケーラビリティ(Scalability、 S)。

分散システムにおいて、類似の不可能な三角形はCAP原理であり、一貫性(Consistency)、可用性(Availability)、分区耐障害性(Partition tolerance)の3つは同時に達成できません。ブロックチェーンシステムは、ビザンチン将軍問題を持つ分散システムであり、CAP原理も適用されます。

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1.2 2階建て建築の役割

二層の構築にはどのような役割が必要ですか？どのような機能を提供しますか？二層の構築は、一層のシステムの不足を補うものであり、一層のシステムでは行うことが適さない事柄を二層の構築で行います。

上記のブロックチェーンの特性から、初歩的な結論として、これらの基本的な能力を拡張する必要があることが導き出されます: 公開透明性、分散化、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。技術的な観点からの基本能力に加え、重要な経済学の問題も解決する必要があります。すなわち、コストを削減することです。レイヤー1ネットワークの取引実行の総コストは通常高いため、レイヤー2ネットワークを使用してこれらのコストを削減する必要があります。

一言でまとめると: 容量を増やし、コストを下げ、カスタマイズ機能の3つの次元でのソリューションはすべて第2層の構築です。カスタマイズ機能については、現時点ではまだ明確ではなく、しばしば前の2つの機能に隠れていることが多いです。このように理解できます: 第1層ネットワークの機能は、多くのアプリケーションにとって要求の程度が異なり、第2層で特定のアプリケーションに対してさまざまな機能の実現度を再調整することができます。

第2層の構築において、ブロックチェーンの基本的な能力はそれぞれ取捨選択が行われ、一部の特性が低下または放棄され、特定の特性が顕著に向上します。例えば、いくつかの第2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ことがあります; 一部の第2層はスループットを増加させるため、例えばライトニングネットワークのように、システム構造や決済方法を変更します。また、基本的な特性を損なうことなく、特定の特性を強化するものもあり、RGBの処理方法は明らかにプライバシーと検閲抵抗性を増加させますが、技術的実現の難易度も増加します。後の事例では、同時にいくつかの特性を低下または変更している第2層の構築を見ることができます。

その中でコスト削減はすべての二層構築の基本的なニーズであるべきです。

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手段と方法論であり、システムを複数の階層構造に分割し、各階層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。

広範囲で大規模なプロトコル体系に対して、階層化を使用することには明らかな利点があります。これにより、人々は理解しやすく、分業実現やモジュールごとの改善が容易になります。例えば、コンピュータネットワークにおけるISO/OSI七層モデルの設計ですが、具体的な実装では特定の層を統合することができます。たとえば、TCP/IPは四層プロトコルです。

プロトコルのレイヤー化の利点:

1. 各レイヤーは独立しています。上位層は下位層の実装の詳細を知る必要はなく、その層がインターフェースを通じて提供するサービスを知っていれば十分です。これにより問題の複雑さが軽減されます。

2. フレキシビリティが高い。任意のレイヤーが変化しても、レイヤー間のインターフェース関係が変わらなければ、他のレイヤーには影響を及ぼさない。

3. 構造は分割可能です。各層は最も適切な技術を用いて実現できます。技術の発展はしばしば非対称的であり、階層的な分割は木桶効果を効果的に回避します。

4. 実現と保守が容易です。この構造により、巨大で複雑なシステムの実現とデバッグが容易になります。なぜなら、全体のシステムがいくつかの比較的独立したサブシステムに分解されているからです。

5. 標準化を促進する。各レイヤーの機能と提供されるサービスには正確な説明があるため、標準化は特定のレイヤーを簡単に置き換えることを可能にし、使用と研究に役立つ。

階層的モジュール設計思想は、機能が大きく、多くの人々が協力し、継続的に改善されるエンジニアリングプロジェクトに対する技術分野での一般的な取り扱い方法であり、実践によって効果が確認されています。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

ビットコイン二層の構築をケーススタディとして分析する。ビットコインの二層には三つの顕著な構築ルートがある:

(1) チェーンに基づく拡張ルートは、EVMのレイヤー2に類似しており、ブロックチェーンの構造です。

(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構造です；

(3) 中央集権的なシステムに基づくルートは、中央集権的なインデックスを代表とし、中央集権的な構造です。

前の二つの方法は特徴的で、すでにいくつかの実用製品や探求中の製品があります。第一の方法は、イーサリアムの活発な発展や他のビットコイン模倣チェーンの探求があるため、チェーンベースの二層拡張は相対的に容易で、参考ケースも多く存在します。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅い傾向があり、ライトニングネットワークが代表例です。第三の方法は非常に議論の余地があり、二層の構築とは見えないものの、二層構築の機能を果たしているようです。

どのレイヤー2の構築プランがより優れているか?私たちは市場検証結果を尺度として使用し、どのレイヤー2ネットワークの総ロック価値TVL(Total Value Locked)が高いかを見て、どのプランが最良のプランとなる。時間と技術の進展に伴い、最良のプランは変化するプロセスとなる。

ビットコイン二層ネットワークの定義について、ビットコインネットワークに依存し、ビットコインネットワークと技術的関連を築く限り、一部の特性がビットコイン一層ネットワークよりも優れているものはすべてビットコイン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をベース資産として、ビットコインの性能を拡張したシステムはすべて二層の構築と見なされます。この判断に基づき、私たちは第三の二層ネットワークの構築、すなわち中央集権的構造の二層構築を認めるべきです。

ビットコイン本身の技術の発展、例えばOP_RETURNの修正、Taproot、Schnorr署名、MAST、Tapscriptは、レイヤー1とレイヤー2を接続する目的で設計されるべきであり、これらの技術をあまりにも多くの機能開発に使用すべきではない。なぜなら、レイヤー1ネットワークがどれだけ拡張されても、質的な突破はないからで、レイヤー2の構築が必要である。しかし、より使いやすいビットコインのレイヤー2製品がない場合、これらのレイヤー1とレイヤー2を接続する技術能力は、しばらくの間過度に使用されることになる。

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2.1 チェーンに基づく二層構築

初期のビットコイン模倣チェーンは様々な探索を行いました。"Colorcoin"(カラードコイン)、"CovertCoins"、そして"MasterCoin"など; 拡張されたビットコインの模倣チェーン、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); 様々なサイドチェーン技術はチェーンの拡張に基づく構築ケースであり、広義の二層と言えるでしょう。

イーサリアムを含め、ビットコインの改良探索にも基づいています。ヴィタリックはビットコインの不完全さ、UTXOの無アカウントシステム、実行言語がチューリング完全でないこと、スケーラビリティの悪さなどの問題に対処するため、自らチームを結成しホワイトペーパーを発表し、新世代のブロックチェーンシステムを開発しました。イーサリアムのこの探索は、ビットコイン上で直接的なレイヤー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索です。

イーサリアムのビットコインに対する不完全な改善探求、及びイーサリアム上のレイヤー2の発展と検証は、ビットコイン上のチェーンベースのレイヤー2ネットワークの発展に参考事例を提供しました。様々な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、及びイーサリアム自体のシャーディング技術は、イーサリアムの技術エコシステムを繁栄させ、多くの人々が一時期、パブリックチェーンの発展方向と未来は確定していると考え、イーサリアムを代表とするエコシステムが勝利したと信じていました。これは実際にはチェーンベースのレイヤー構築が相対的に成熟していることを示しています。しかし、チェーンベースのレイヤー構築はレイヤー構築の一つの方法に過ぎず、それには自身の長所と短所があり、全体のレイヤーエコシステムを完成させるためには他のレイヤー技術が必要です。

ビットコイン中基于链の二層建設は、大まかに二種類の典型的なチェーンタイプを含む。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モデルである。既存のケース(我々は広義の二層定義)には、イーサリアム、Polygon、Bsc、ArbitrumなどがEVMのアカウントモデルで、CKB(Nervos)、ChiaがUTXOモデルである。

さらに、Ethereum上で成功したレイヤー2プロジェクトも、ブロックチェーンに基づくビットコインのレイヤー2構築に参加することになります。これらのEthereum上のレイヤー2プロジェクトは、ビットコイン上のレイヤー2への移行にかかる作業量と課題が少なくなります。Ethereumのロールアップの成熟とモジュラー開発、理論的成果に基づいて、このような方法のレイヤー2構築はスケーリング議論の主流となり、最も早く効果が現れるソリューションとなります。

この改造はどれほど成功するのでしょうか？今後の発展で検証される必要があります。このようなチェーンに基づく二層構築の利点と欠点について、いくつかの初歩的な判断ができます。

チェーンに基づくレイヤー2構築の長所と短所:

欠点は、チェーンに基づくレイヤー2が一般的にブロックチェーンの制限に制約され、パフォーマンスの向上が限られていることです。システムがより中央集権化されるか、ブロック生成の間隔を短縮し、ブロック容量を増加させることになりますが、安全性は一般的に低下します。それにより、レイヤー2の上にレイヤーを構築する必要が生じ、いわゆるLayer3またはLayer4が登場します。

利点は:このソリューションはブロックチェーンの大部分を保持しています