比特币二层网络的基础知识体系

比特币铭文的兴起为比特币生态带来了新的活力,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,二层建设至关重要。本文总结了比特币二层的基础知识,希望能抛砖引玉,促进这一领域的发展。

区块链世界以比特币开局,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。二层建设涵盖面更广,但为适应业内常用表述,也会使用"二层网络建设"一词。

1. 二层Layer2的使命

为理解二层建设需解决的基本问题,我们先了解区块链系统的基础特性。

1.1 区块链的基础特性和需求

以Vitalik提出的"区块链是一台世界计算机"概念为基础,我们从这个角度理解区块链的多种特性会更清晰。后面还会基于冯诺依曼结构分析这个"世界计算机"的发展可能。

基础特性总结:

公开透明:区块链这台"世界计算机"的数据存储和指令执行特点,也是众多分布式节点参与计算的内部需求特性。满足了使用者对数据的知情权,是内部协作要求和外部需求的共同结果。

去中心化:这是"世界计算机"的架构特性,去中心化程度和容错性理论上由拜占庭将军理论支持。非拜占庭系统从理论上不是区块链系统,后面会看到二层建设中的非区块链系统情况。去中心化程度是区块链安全性的重要指标,也是某些特性的基础。

安全性:由架构特性产生的内部需求和使用者需要的外部需求共同组成。微观层面由密码学技术保证,宏观层面由去中心化架构保证,从而避免因微观数据伪造或宏观架构破坏而影响安全性。

计算能力:"世界计算机"的主要功能之一。通常用图灵完备性衡量。某些链为保持主要特性,故意设计成图灵不完备。如比特币网络,中本聪不仅使其指令集不图灵完备,还删减了部分指令,以保持稳定性和安全性。所有图灵完备技术都是为扩展计算能力。从分层设计思想看,简单系统更适合做底层。

性能:在计算能力相同情况下,性能是考察"世界计算机"的另一主要能力。通常用TPS(每秒处理事务数)衡量。

存储:"世界计算机"必然具备存储功能,即记录数据的能力。目前基本都在区块内存储,更专业的区块外链上存储仍在发展中。

隐私:在计算和存储过程中保持数据生产者和使用者权限范围的需求(包括抗审查性)。主要由使用者的外部需求驱动。

可扩展性是一个综合指标,通常指整个架构的可扩展性,影响多数基础特性。在架构层面,系统可扩展性是很重要的指标。还有一些连接能力或特定场景的能力,此处不赘述,遇到特殊场景时再详细分析。

这些基础特性大多受"不可能三角形"制约。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,即一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition tolerance)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,也适用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?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。

从上述区块链特性可得出初步结论,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。除技术角度的基础能力外,还有个重要的经济学问题需解决,即降低成本。一层网络的执行事务综合成本通常较高,需使用二层网络降低这些成本。

总结为一句话: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,或常掩藏在前两个特性中。我们可以这样理解,一层网络的特性对很多应用而言,需求程度不同,可在二层上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,会降低甚至丢弃一些特性,换取某些特性的显著提高。例如:一些二层为提高性能,会降低去中心化程度和安全性;一些二层为增加吞吐量,如闪电网络,会改变系统结构和结算方式。还有一些在不降低基础特性前提下,增强了某种特性,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。后面案例中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二层建设的基本需求。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是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关系和功能,实现系统的模块化、可维护性和可扩展性,从而提高系统设计效率和可靠性。

对广泛和庞大的协议体系,使用分层有明显好处。这样做使人们易于理解,易于分工实现与分模块改进等。如计算机网络中ISO/OSI七层模型设计,但具体实现中可合并某些层,如TCP/IP是四层协议。

协议分层的优点:

1. 各层次间独立。上层无需知道下层实现细节,仅需知道该层通过接口提供的服务。这降低了问题复杂度。

2. 灵活性好。任何层发生变化时,只要层间接口关系不变,其他层均不受影响。

3. 结构可分割。各层可采用最合适的技术实现。技术发展往往不对称,层次化划分有效避免了木桶效应。

4. 易于实现和维护。这种结构使实现和调试庞大复杂系统变得易于处理,因为整个系统已被分解为若干相对独立的子系统。

5. 促进标准化。因每层功能及所提供服务都有精确说明。标准化便于随意替换某层,有利于使用和研究。

分层模块化设计思想是技术领域对待功能庞大、需多人协作且不断改进的工程项目的常见处理方法,经实践检验行之有效。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

以比特币二层建设为案例进行分析。比特币的二层有三种显著建设路线:

(1) 基于链的扩展路线,与EVM二层类似,是区块链结构;

(2) 基于分布式的路线,以闪电网络为代表,是分布式结构;

(3) 基于中心化系统的路线,以中心化索引为代表,是中心化结构。

前两种方式很有特点,已有一些使用中的产品和探索中的产品。第一种方式因有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,发展也缓慢些,以闪电网络为代表。第三种方式很有争议,看起来不像二层建设,但似乎又完成了二层建设功能。

哪种二层建设方案更好?我们用市场检验结果作为衡量标准,哪个二层网络的总锁仓价值TVL(Total Value Locked)高,哪种方案就是最优方案。随时间和技术发展,最优方案会是个变化过程。

对于比特币二层网络定义,只要依托比特币网络,与比特币网络建立技术关联,一些特性优于比特币一层网络,都算比特币二层网络建设。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。基于此判断,我们应该认可第三种二层网络建设,即中心化结构的二层建设。

比特币本身技术发展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnorr签名、MAST、Tapscript都应为连接一层和二层目的而设计,不应使用这些技术过多开发功能,因一层网络再怎么扩展也不会有质的突破,必须进行二层建设。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使用。

2.1 基于链的二层建设

早期比特币模仿链做了多种探索,像"Colorcoin"(彩色币)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各种扩容的比特币模仿链,如BCH(Bitcoin Cash)、BSV(Bitcoin SV)、BTG(Bitcoin Gold);各种侧链技术都是基于链的扩展建设案例,可说是广义上的二层。

包括以太坊,也是基于比特币的改进探索。Vitalik针对比特币的不完美:UTXO的无账号系统,执行语言非图灵完备,可扩展性差等问题,自己组建团队发布白皮书,开发新一代区块链系统。以太坊的这种探索虽非比特币上直接的二层建设,但从广义上是基于链的建设探索。

以太坊对比特币不完善的改进探索,以及以太坊上二层的发展与验证,为比特币上基于链的二层网络发展提供了参考案例。各种Rollup方案、跨链方案、消息通道技术,以及以太坊本身的分片技术,使以太坊技术生态蓬勃发展,让不少人一度认为公链发展方向和未来已确定,以太坊为代表的生态已胜出。这其实是基于链的二层建设相对成熟的表现。但基于链的二层建设只是二层建设的一种方式,它有自身优缺点,还需其他二层技术来完善整个二层生态。

比特币中基于链的二层建设,大致包含两种典型链类型,一种是兼容EVM的账号模型,一种是类比特币的UTXO模型。已有案例(我们用广义二层定义)包括:像以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等都是EVM的账号模型,像CKB(Nervos)、Chia都是UTXO模型。

此外,已在以太坊上成功的二层项目,也会加入到基于链的比特币二层建设中。对这些以太坊上的二层项目方,改造成比特币上二层的工作量和挑战会更少些。在以太坊的rollup成熟与模块化的发展和理论成果上,这种方式的二层建设会成为扩容讨论的主流,也是见效最快的方案。

这种改造会有多大成功?还有待发展检验。可从这种基于链的二层建设的优缺点做些初步判断。

基于链的二层建设的优缺点:

缺点是基于链的二层一般还会受限于区块链的限制,对性能提高有限,不是将系统变得更加中心化,就是降低区块产生间隔,增大区块容量,安全性上一般都会降低。于是就产生了二层上面的二层建设,也就是所谓的Layer3或Layer4。

优点是:这种方案保持了区块链的大多