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注入了新的活力,引发了人们对比特币的重新关注。有人认为这打开了比特币生态的潘多拉魔盒。在比特币生态的诸多技术发展中,二层建设至关重要。本文旨在总结比特币二层的基础知识,希望能抛砖引玉,推动这一领域的进一步发展。

区块链世界以比特币为开端,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"可互换使用,通常后者较狭义,前者更广泛。但为与业内常用术语保持一致,我们也会使用"二层网络建设"这一概念。

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

我们采用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。后面我们还会基于冯诺依曼结构分析这个"世界计算机"的发展可能性。

区块链的基础特性包括:

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,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由拜占庭将军理论支持。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: 安全性由这台"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共同组成。从微观层面由密码学相关技术保证,从宏观层面由架构的去中心化保证。

计算能力: 区块链这台世界计算机的主要功能之一是计算能力。通常用图灵完备性来衡量。一些链为保持主要特性,故意设计成图灵不完备。

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。通常用TPS(每秒处理的事务数量)来衡量。

存储: 区块链作为"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: 隐私是"世界计算机"中的细分需求,即要求在计算和存储过程中保持数据生产者和使用者的权限范围。这主要由使用者的外部需求驱动。

这些区块链基础特性大多受不可能三角形制约,如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可扩展性(Scalability)无法同时达到最优。

1.2 二层建设的作用

二层建设的作用是扩展一层系统的不足,完成一层系统无法实现的功能。具体来说,二层建设要扩展这些基础能力: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。除技术角度外,还需解决一个重要的经济学问题:降低成本。

总结起来,二层建设是为了增加容量、降低成本、定制特性这三个维度而设计的方案。

在二层建设中,区块链的基础能力会有所取舍,可能降低甚至丢弃某些特性,以换取其他特性的显著提高。例如,一些二层为提高性能会降低去中心化程度和安全性;一些为增加吞吐量会改变系统结构和结算方式。还有一些在不降低基础特性的前提下增强了某种特性,如RGB增加了隐私性和抗审查性,但也增加了技术实现难度。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是处理复杂系统的常用方法,通过将系统划分为多个层次结构并定义各层间关系和功能,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。

对于庞大的协议体系,使用分层设计有明显好处:便于理解、分工实现和分模块改进。如计算机网络中的ISO/OSI七层模型,但具体实现中可能会合并某些层,如TCP/IP的四层协议。

分层设计的优点包括:

1. 各层独立,上下层工作互不影响
2. 灵活性好,单层变化不影响其他层
3. 结构可分割,各层可采用最适合的技术
4. 易于实现和维护
5. 促进标准化

2. 比特币Layer2的几种建设思路

比特币的二层建设主要有三种路线:

(1) 基于链的扩展路线,类似EVM的二层,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。

前两种方式已有一些实际应用和探索。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,相对更容易实现。第二种基于分布式的方式通常难度更大,发展较慢,以闪电网络为代表。第三种方式较有争议,看似不像二层建设,但似乎完成了二层建设的功能。

我们可以用总锁仓价值(TVL)作为衡量标准,TVL越高的二层方案越优秀。随时间和技术发展,最优方案会不断变化。

对于比特币的二层网络,只要依托比特币网络,建立技术关联,且某些特性优于比特币一层网络,都可视为比特币的二层网络建设。换言之,消耗BTC作为gas,以BTC为底层资产,扩展比特币性能的系统都算二层建设。

2.1 基于链的二层建设

早期的比特币模仿链进行了多种探索,如"Colorcoin"(彩色币)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各种扩容的比特币分叉链,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,可视为广义上的二层。

以太坊也可看作是基于比特币的改进探索。Vitalik针对比特币的不足(如UTXO的无账号系统、非图灵完备的执行语言、可扩展性差等),开发了新一代区块链系统。虽然以太坊不是比特币上直接的二层建设,但从广义上看是一种基于链的建设探索。

以太坊对比特币不足的改进探索,以及以太坊二层的发展与验证,为比特币基于链的二层网络发展提供了参考。各种Rollup方案、跨链方案、消息通道技术,以及以太坊的分片技术,推动了以太坊技术生态的蓬勃发展。

比特币中基于链的二层建设主要包含两种典型的链类型:一种是兼容EVM的账号模型,一种是类比特币的UTXO模型。已有的案例(广义二层定义)包括:以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等是EVM的账号模型,CKB(Nervos)、Chia是UTXO模型。

此外,已在以太坊上成功的二层项目也会加入比特币二层建设。对这些项目来说,改造成比特币二层的工作量和挑战会相对较小。基于以太坊rollup的成熟与模块化发展,这种方式的二层建设可能成为扩容讨论的主流,也是见效最快的方案。

基于链的二层建设的优缺点:

优点:

• 保持了区块链大多数基础特性
• 通常解决了图灵完备问题
• 显著降低交易费用
• 一定程度上扩展了一层网络能力
• 建设案例丰富,技术实现相对容易
• 上层应用迁移便捷

缺点:

• 仍受区块链限制,性能提升有限
• 可能需要降低去中心化程度或安全性来提高性能
• 可能需要二层上的二层建设(Layer3或Layer4)

2.2 基于分布式系统的二层建设

一些二层建设基于分布式系统,其结构和框架已不是区块链结构,而是基于Channel的分布式系统。闪电网络是典型代表。

分布式系统由有限的进程和通道Channel组成。为传递消息,需要控制数据、事件、通道,这已是较复杂的问题。这里的Channel指上层通道概念,如闪电网络中的支付通道,Nostr中的消息通道,而非分布式网络中的底层Channel概念。

基于分布式的二层建设分为两类:

(1) 只完成价值传递,如闪电网络;

(2) 既完成价值传递,又完成图灵完备的技术,如RGB.

基于分布式的二层建设因涉及价值传递,面临许多超越消息传递的难点,如通道内总价值容量、事务严谨性、防止二次消费等。因此这类二层建设发展较慢,成熟案例不多。

在这样的二层上实现图灵完备计算,即在Channel上建立图灵完备的虚拟机系统,难度更大。如RGB协议通过客户端验证、一次性密封来实现分布式系统上的图灵完备计算。

比特币中基于分布式系统的二层建设案例包括:闪电网络、RGB等。按广义二层建设标准,Nostr是否也属于Channel机制的分布式系统二层建设?以太坊中使用Channel的案例如Connext、Raiden、Perun,可作为深入研究的方向。

基于分布式系统的二层建设优缺点:

优点:

• 系统更去中心化
• 二层网络可容纳无数节点
• 隐私性和抗审查能力更强
• 理论上具有无限扩展性和极高性能

缺点:

• 技术实现复杂
• 庞大分布式系统中的路由算法、价值拆分与封装算法复杂
• 价值传递方面缺乏工程实现经验和基础设施
• 实现图灵完备系统(Channel+计算)是巨大挑战

2.3 基于中心化系统的二层建设

像Ordinals这样的中心化索引结构,或某些功能节点的索引器都是中心化结构,也是一种二层建设思路。这种方式较少被认可,因为二层过于中心化,对一层网络的扩展有限。基于中心化结构的二层建设各种区块链基础特性都依赖于一层网络,二层仅作为简单计算和统计功能,似乎可有可无,随时可被替代。但从On-Chain和Off-Chain角度,以及提高一层网络能力的角度看,这种中心化结构也是一种二层扩展。

除Ordinals外,中心化交易所也可视为此类案例。

基于中心化系统的二层建设优缺点:

优点:

• 中心化系统非常成