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生機，讓更多人重新關注比特幣。有觀點認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的技術發展中,二層建設至關重要。本文總結了比特幣二層的基礎知識,希望能引發更多人完善相關思路,推動這個領域的發展。

有觀點認爲,區塊鏈世界以比特幣爲開局,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"視爲同一概念,後者相對狹義,前者更廣泛。爲適應業內常用說法,文中也會使用"二層網路建設"。

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

我們用Vitalik提出的概念:"區塊鏈是一臺世界計算機"來理解區塊鏈的多種特性。後面還會用計算機的馮諾依曼結構來分析這個"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:區塊鏈的數據存儲和執行指令特點,也是分布式節點協作的內部需求。滿足了使用者對數據的知情權。

• 去中心化:區塊鏈的架構特性,程度和容錯性由拜佔庭將軍理論支持。是安全性的重要指標。

• 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。微觀由密碼學保證,宏觀由去中心化保證。

• 計算能力:主要功能之一,通常用圖靈完備性衡量。部分鏈爲保持特性故意設計成非圖靈完備。

• 性能:在計算能力相同情況下的主要能力指標,通常用TPS衡量。

• 存儲:記錄數據的能力,目前主要在區塊內存儲。

• 隱私:在計算和存儲過程中保持數據權限範圍的需求,包括抗審查性。

這些特性多受"不可能三角形"制約,如DSS猜想(去中心化、安全性、可擴展性)和CAP原理(一致性、可用性、分區容錯性)。

1.2 二層建設的作用

二層建設主要用於擴展一層系統的不足,完成一層系統無法完成的事情。主要作用包括:

• 擴展基礎能力:公開透明、去中心化、安全性、計算能力、性能、存儲、隱私等
• 降低成本:一層網路執行事務的綜合成本較高
• 定制特性:針對某些應用調整各種特性的實現度

總結爲增加容量、降低成本、定制特性三個維度。二層建設會權衡各種基礎能力,可能降低或丟棄某些特性以換取其他特性的顯著提高。

1.3 爲什麼要做分層設計?

分層設計是處理復雜系統的方法論,通過劃分層次結構實現模塊化、可維護性和可擴展性。對龐大的協議體系,分層設計有以下優點:

1. 各層獨立,只需關注層間接口
2. 靈活性好,單層變化不影響其他層
3. 結構可分割,各層可採用最合適技術
4. 易於實現和維護
5. 促進標準化

分層模塊化設計是技術領域處理復雜、多人協作、持續改進項目的有效方法。

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

前兩種方式各有特點,已有使用和探索的產品。第一種因以太坊的發展,參考案例較多。第二種難度較大,發展較慢。第三種有爭議,但也可視爲二層擴展。

目前沒有最優方案,需通過市場檢驗,看哪種方案的總鎖倉價值(TVL)更高。隨時間和技術發展,最優方案會變化。

只要依托比特幣網路,建立技術關聯,部分特性優於一層網路,都可視爲比特幣二層網路建設。即消耗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。

2.1 基於鏈的二層建設

早期比特幣模仿鏈做了多種探索,如"彩色幣"、各種擴容分叉鏈、側鏈等。以太坊也可視爲比特幣的改進探索。

以太坊的發展爲比特幣基於鏈的二層提供了參考。各種Rollup方案、跨鏈方案、消息通道技術等,使以太坊生態蓬勃發展。但這只是二層建設的一種方式,還需其他技術完善整個生態。

比特幣基於鏈的二層主要包含兩種鏈類型:

1. 兼容EVM的帳戶模型:如以太坊、Polygon、BSC、Arbitrum等
2. 類比特幣的UTXO模型:如Nervos CKB、Chia等

基於鏈的二層建設優點:

• 保持區塊鏈大多數基礎特性
• 解決圖靈完備問題
• 顯著降低交易費用
• 在一定程度上擴展一層網路能力
• 技術實現相對容易,已有較多探索案例
• 上層應用遷移便捷

缺點:

• 仍受區塊鏈限制,性能提升有限
• 可能降低安全性
• 需要二層上的二層(Layer3/4)進一步擴展

預計會出現衆多基於鏈的二層項目,在各垂直領域存在多個二層,滿足不同應用需求。其價值將由上層應用數量和總價值決定。

2.2 基於分布式系統的二層建設

這類二層不是區塊鏈結構,而是基於Channel的分布式系統。閃電網絡是典型代表。

分布式系統二層分爲兩類:

1. 只完成價值傳遞:如閃電網絡
2. 完成價值傳遞和圖靈完備計算:如RGB

這類二層難度較大,涉及通道內總價值容量、事務嚴謹性、防二次消費等問題。發展較慢,成熟案例不多。

在Channel上實現圖靈完備計算更具挑戰性。如RGB協議通過客戶端驗證、一次性密封實現分布式系統上的圖靈完備計算。

已有案例包括:閃電網絡、RGB等。以太坊的Raiden Network、Plasma也屬此類。

基於分布式系統的二層優點:

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

缺點:

• 技術實現復雜
• 路由算法、價值拆分與封裝算法復雜
• 缺少工程實現經驗和基礎設施
• 實現圖靈完備系統極具挑戰

預計只會存在少數幾個並行項目,因其無限擴展能力和技術難度。這類系統要求設計和理念更開放,能容納更多人參與。基於此類二層的應用開發團隊也會推動二層發展。

2.3 基於中心化系統的二層建設

如Ordinals的中心化索引結構,或某些功能節點的索引器。這種思路較少被認可,因過於中心化,對一層網路擴展有限。

基於中心化系統的二層優點:

• 系統非常成熟,有大量可用案例和優化方案
• 完全圖靈完備
• 性能卓越

缺點:

• 二層極度中心化
• 所有區塊鏈基礎特性都依賴一層網路

預計只會存在少量項目,可能是階段性存在。隨基於鏈和分布式結構的二層成熟,大多數中心化二層可能消亡,僅留少數特定場景使用。

3. 二層建設的相關事物

3.1 一層和二層的連接技術

比特幣本身的技術發展(如OP_RETURN修改、Taproot、Schnorr籤名、MAST、Tapscript)應主要用於連接一層和二層,而非過多開發功能。

常見連接技術包括:

• 跨鏈技術
• 隔離驗證技術
• 側鏈技術
• State Channel技術
• Plasma技術

連接技術的好壞可參考以下指標:

• 一層能否對二層交易做驗證
• 一層資產能否在二層崩潰時順利逃生
• 連接技術是否降低系統某些特性

3.2 參考馮諾依曼結構看區塊鏈發展

既然區塊鏈是"世界計算機",可與傳統計算機的馮諾依曼結構對比分析。

區塊鏈系統發展規律與傳統計算機類似,目前處於類似286之前的階段,還在擴充處理能力和存儲能力,能做的事情有限。

對比傳統計算機與"世界計算機"發展:

1. CPU擴展類比當前一層和二層計算能力與吞吐量擴展
2. 存儲器擴展從競爭鏈上空間到使用專業區塊鏈存儲
3. 輸入輸出設備類比預言機,在上層應用中需求更多
4. 特殊鏈和功能類比GPU、專用設備卡等
5. 鏈上應用和上層應用類比操作系統與應用軟件的演化
6. 應用從金融逐步擴展到更廣泛領域,類似傳統計算機從科研軍事到企業家庭個人

4. 當前比特幣的Layer2建設情況

4.1 已運行的比特幣二層項目

1. 閃電網絡(Lightning Network):基於分布式的二層建設

   • 2015年提出,2018年全面實施
   • 特點:快速、低成本、可擴展
   • 通過支付通道實現鏈下交易
   • 面臨穩定性、路由算法、用戶界面等挑戰

2. Liquid:基於鏈的二層建設

   • 2015年由Blockstream推出的側鏈解決方案
   • 特點:快速交易確認、交易私密性、高吞吐量
   • 採用Confidential Transactions技術和Federated Peg技術

3. Rootstock(RSK):基於鏈的二層建設

   • 2015年提出,2018年正式上線
   • 特點:與比特幣雙向錨定、支持智能合約
   • 爲比特幣生態提供類似以太坊的功能

4. RGB:基於分布式+圖靈完備的二層建設

   • 起源於2016年,由LNP/BP標準協會開發
   • 特點:可擴展、保密的智能合約系統
   • 基於客戶端驗證和一次性密封概念

5. Stacks:基於鏈的二層建設

   • 2013年提出,2017年進行ICO
   • 特點:去中心化身份驗證、存儲和智能合約功能
   • 採用"Stacking"共識機制

6. 其他新興項目:

   • B² Network:基於ZK-Rollup的比特幣二層網路