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帶來了新的活力,讓更多人重新關注比特幣。有人認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的衆多技術發展中,二層建設至關重要。本文總結了比特幣二層的基礎知識,希望能拋磚引玉,促進這一領域的發展。

區塊鏈世界以比特幣開局,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"概念通用。二層建設涵蓋面更廣,但爲適應業內常用表述,也會使用"二層網路建設"一詞。

1. 二層Layer2的使命

爲理解二層建設需解決的基本問題,我們先了解區塊鏈系統的基礎特性。

1.1 區塊鏈的基礎特性和需求

以Vitalik提出的"區塊鏈是一臺世界計算機"概念爲基礎,我們從這個角度理解區塊鏈的多種特性會更清晰。後面還會基於馮諾依曼結構分析這個"世界計算機"的發展可能。

基礎特性總結:

公開透明:區塊鏈這臺"世界計算機"的數據存儲和指令執行特點,也是衆多分布式節點參與計算的內部需求特性。滿足了使用者對數據的知情權,是內部協作要求和外部需求的共同結果。

去中心化:這是"世界計算機"的架構特性,去中心化程度和容錯性理論上由拜佔庭將軍理論支持。非拜佔庭系統從理論上不是區塊鏈系統,後面會看到二層建設中的非區塊鏈系統情況。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:由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。微觀層面由密碼學技術保證,宏觀層面由去中心化架構保證,從而避免因微觀數據僞造或宏觀架構破壞而影響安全性。

計算能力:"世界計算機"的主要功能之一。通常用圖靈完備性衡量。某些鏈爲保持主要特性,故意設計成圖靈不完備。如比特幣網路,中本聰不僅使其指令集不圖靈完備,還刪減了部分指令,以保持穩定性和安全性。所有圖靈完備技術都是爲擴展計算能力。從分層設計思想看,簡單系統更適合做底層。

性能:在計算能力相同情況下,性能是考察"世界計算機"的另一主要能力。通常用TPS(每秒處理事務數)衡量。

存儲:"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:在計算和存儲過程中保持數據生產者和使用者權限範圍的需求(包括抗審查性)。主要由使用者的外部需求驅動。

可擴展性是一個綜合指標,通常指整個架構的可擴展性,影響多數基礎特性。在架構層面,系統可擴展性是很重要的指標。還有一些連接能力或特定場景的能力,此處不贅述,遇到特殊場景時再詳細分析。

這些基礎特性大多受"不可能三角形"制約。如DSS猜想,即去中心化(Decentralization,D)、安全性(Security,S)和可擴展性(Scalability,S)。

在分布式系統中,類似的不可能三角形是CAP原理,即一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分區容錯性(Partition tolerance)三者不可兼得。區塊鏈系統是帶有拜佔庭將軍問題的分布式系統,也適用CAP原理。

1.2 二層建設的作用

二層建設要完成哪些角色?提供哪些功能?二層建設一定是擴展一層系統的不足,將不適合在一層系統上完成的事情,在二層建設上完成。

從上述區塊鏈特性可得出初步結論,一定是擴展這些基礎能力: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。除技術角度的基礎能力外,還有個重要的經濟學問題需解決,即降低成本。一層網路的執行事務綜合成本通常較高,需使用二層網路降低這些成本。

總結爲一句話:爲了增加容量、降低成本、定制特性三個維度的方案都是二層建設。對於定制特性,目前還不夠明顯,或常掩藏在前兩個特性中。我們可以這樣理解,一層網路的特性對很多應用而言,需求程度不同,可在二層上針對某些應用重新調整各種特性的實現度。

在二層建設中,區塊鏈的基礎能力會各有取舍,會降低甚至丟棄一些特性,換取某些特性的顯著提高。例如:一些二層爲提高性能,會降低去中心化程度和安全性;一些二層爲增加吞吐量,如閃電網絡,會改變系統結構和結算方式。還有一些在不降低基礎特性前提下,增強了某種特性,如RGB的處理方式明顯增加了隱私性和抗審查性,但增加了技術實現難度。後面案例中會看到同時降低或改變幾種特性的二層建設。

其中降低成本應該是所有二層建設的基本需求。

1.3 爲什麼要做分層設計?

分層設計是處理復雜系統的手段和方法論,通過將系統劃分爲多個層次結構並定義各層關係和功能,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。

對廣泛和龐大的協議體系,使用分層有明顯好處。這樣做使人們易於理解,易於分工實現與分模塊改進等。如計算機網路中ISO/OSI七層模型設計,但具體實現中可合並某些層,如TCP/IP是四層協議。

協議分層的優點:

1. 各層次間獨立。上層無需知道下層實現細節,僅需知道該層通過接口提供的服務。這降低了問題復雜度。

2. 靈活性好。任何層發生變化時,只要層間接口關係不變,其他層均不受影響。

3. 結構可分割。各層可採用最合適的技術實現。技術發展往往不對稱,層次化劃分有效避免了木桶效應。

4. 易於實現和維護。這種結構使實現和調試龐大復雜系統變得易於處理,因爲整個系統已被分解爲若幹相對獨立的子系統。

5. 促進標準化。因每層功能及所提供服務都有精確說明。標準化便於隨意替換某層,有利於使用和研究。

分層模塊化設計思想是技術領域對待功能龐大、需多人協作且不斷改進的工程項目的常見處理方法,經實踐檢驗行之有效。

2. 比特幣Layer2的幾種建設思路

以比特幣二層建設爲案例進行分析。比特幣的二層有三種顯著建設路線:

(1) 基於鏈的擴展路線,與EVM二層類似,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。

前兩種方式很有特點,已有一些使用中的產品和探索中的產品。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,基於鏈的二層擴展相對更容易,可參考案例更多。第二種基於分布式的方式通常更有難度,發展也緩慢些,以閃電網絡爲代表。第三種方式很有爭議,看起來不像二層建設,但似乎又完成了二層建設功能。

哪種二層建設方案更好?我們用市場檢驗結果作爲衡量標準,哪個二層網路的總鎖倉價值TVL(Total Value Locked)高,哪種方案就是最優方案。隨時間和技術發展,最優方案會是個變化過程。

對於比特幣二層網路定義,只要依托比特幣網路,與比特幣網路建立技術關聯,一些特性優於比特幣一層網路,都算比特幣二層網路建設。換句話說:只要消耗BTC作爲gas,以BTC爲底層資產,擴展了比特幣性能的系統都算二層建設。基於此判斷,我們應該認可第三種二層網路建設,即中心化結構的二層建設。

比特幣本身技術發展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnorr籤名、MAST、Tapscript都應爲連接一層和二層目的而設計,不應使用這些技術過多開發功能,因一層網路再怎麼擴展也不會有質的突破,必須進行二層建設。但在沒有更好用的比特幣二層產品情況下,這些連接一層和二層的技術能力,在一段時間內會被過度使用。

2.1 基於鏈的二層建設

早期比特幣模仿鏈做了多種探索,像"Colorcoin"(彩色幣)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各種擴容的比特幣模仿鏈,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,可說是廣義上的二層。

包括以太坊,也是基於比特幣的改進探索。Vitalik針對比特幣的不完美:UTXO的無帳號系統,執行語言非圖靈完備,可擴展性差等問題,自己組建團隊發布白皮書,開發新一代區塊鏈系統。以太坊的這種探索雖非比特幣上直接的二層建設,但從廣義上是基於鏈的建設探索。

以太坊對比特幣不完善的改進探索,以及以太坊上二層的發展與驗證,爲比特幣上基於鏈的二層網路發展提供了參考案例。各種Rollup方案、跨鏈方案、消息通道技術,以及以太坊本身的分片技術,使以太坊技術生態蓬勃發展,讓不少人一度認爲公鏈發展方向和未來已確定,以太坊爲代表的生態已勝出。這其實是基於鏈的二層建設相對成熟的表現。但基於鏈的二層建設只是二層建設的一種方式,它有自身優缺點,還需其他二層技術來完善整個二層生態。

比特幣中基於鏈的二層建設,大致包含兩種典型鏈類型,一種是兼容EVM的帳號模型,一種是類比特幣的UTXO模型。已有案例(我們用廣義二層定義)包括:像以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等都是EVM的帳號模型,像CKB(Nervos)、Chia都是UTXO模型。

此外,已在以太坊上成功的二層項目,也會加入到基於鏈的比特幣二層建設中。對這些以太坊上的二層項目方,改造成比特幣上二層的工作量和挑戰會更少些。在以太坊的rollup成熟與模塊化的發展和理論成果上,這種方式的二層建設會成爲擴容討論的主流,也是見效最快的方案。

這種改造會有多大成功?還有待發展檢驗。可從這種基於鏈的二層建設的優缺點做些初步判斷。

基於鏈的二層建設的優缺點:

缺點是基於鏈的二層一般還會受限於區塊鏈的限制,對性能提高有限,不是將系統變得更加中心化,就是降低區塊產生間隔,增大區塊容量,安全性上一般都會降低。於是就產生了二層上面的二層建設,也就是所謂的Layer3或Layer4。

優點是:這種方案保持了區塊鏈的大多