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起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び注目するようになりました。ビットコインエコシステムの技術発展において、第二層の構築は非常に重要です。本記事ではビットコイン第二層の基礎知識をまとめ、より多くの人々が関連する思考を充実させ、この分野の発展を促進す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を起点とし、ビットコインエコシステムを終点とします。イーサリアムもビットコインの一つ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"の概念は基本的に共通ですが、後者は相対的に狭義です。業界で一般的に使われる表現に合わせるため、本文中でも"二層ネットワーク建設"の概念を使用します。

1. レイヤー2の使命

ビットコイン二層建設に必要な基本的な問題を理解するために、まずブロックチェーンシステムの基本的な特性から始めましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と需要

私たちはVitalikの概念を借用します: ブロックチェーンは"世界コンピュータ"です。この観点からブロックチェーンのさまざまな特性を理解することがより明確になるでしょう。後でコンピュータのフォン・ノイマン構造に基づいてこの"世界コンピュータ"の発展の可能性を分析します。

まずいくつかの基本的な特徴をまとめます:

公開透明: これは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であり、同時に世界中の多くの分散ノードが共同で計算に参加する内部的なニーズ特性でもあります。この特徴は、ユーザーがデータに対して持つ知る権利を満たすものであり、この「世界のコンピュータ」自体の内部協力の要求とユーザーの外部的なニーズの共通の結果です。

非中央集権: この特性はこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性であり、非中央集権の程度と耐障害性は、理論的にはビザンチン将軍理論(の協力者の中に不誠実な状況、すなわちプロトコルを遵守しない状況)の支持によって決まります。非ビザンチン将軍システムは理論的にはブロックチェーンシステムではありません。後で私たちはレイヤー2の構築における非ブロックチェーンシステムの二つのケースを見ることになります。非中央集権の程度はブロックチェーンのセキュリティの重要な指標であり、特定の特性の基盤でもあります。

安全性: 安全性はこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ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の共同構成によって生まれます。微観的なレベルでは暗号学に関連する技術によって保証され、宏観的なレベルではアーキテクチャの分散化によって保証されるため、微観的なデータの偽造や宏観的なアーキテクチャの破壊によってこの"世界コンピュータ"の安全性が影響を受けることはありません。

計算能力: ブロックチェーンという世界のコンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。この指標を測るために、私たちは一般的にチューリング完全かどうかを考察します。いくつかのチェーンは、自らの主要な特性を保持するために、故意にチューリング非完全に設計されています。例えば、ビットコインネットワークでは、中本聡はそのコード命令をチューリング非完全にするだけでなく、発展の中で故意にいくつかの命令セットを削減し、安定性と安全性を保持しました。すべてのチューリング完全技術は、ブロックチェーンの計算能力を拡張するためのものです。階層設計の思想から見ると、シンプルなシステムは基盤を作るのにより適しています。

性能: 同じ計算能力のもとで、性能はブロックチェーンという世界のコンピュータのもう一つの主要な能力です。一般的にはTPS、すなわち1秒あたりの処理トランザクション数で測定されます。

ストレージ: ブロックチェーンは「世界のコンピュータ」として説明されているため、データを記録する能力、すなわちストレージ機能が確実に存在します。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オンチェーンストレージはまだ開発中です。

プライバシー: プライバシーは"世界コンピュータ"における一つの細分化されたニーズであり、計算および保存の過程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ことを要求しています(私たちは検閲耐性もプライバシーの部分に含めています)。これは基本的に使用者の外部的なニーズによって推進されています。

もう一つの総合指標であるスケーラビリティは、一般的に全体のアーキテクチャのスケーラビリティを指します。この特性は多くの基本的な特性に影響を与え、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。他にも接続能力や特定のシナリオにおける能力が存在しますが、ここでは詳しく議論しません。これらの特殊なシナリオに遭遇した際に、再度詳細に分析します。

これらのブロックチェーンの基本的な特徴の中で、大部分は不可能な三角形によって相互の発展関係が制約されています。例えば、DSSの推測は去中心化(Decentralization、D)、安全性(Security、S)、そしてスケーラビリティ(Scalability、S)です。

分散型システムにおいて、似たような不可能な三角形はCAP原理です。CAPは、分散型システムにおけるConsistency(一貫性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分割耐障害性)の三者を同時に満たすことが不可能であることを指します。ブロックチェーンシステムは、バイザンティン将軍問題を持つ分散型システムであるため、CAP原理にも当てはまります。

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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？二層の構築は必ず一層のシステムの不足を補完するものであり、一層のシステムで実行するのが適さないことを二層の構築で実行します。

上記のブロックチェーンの特性から、初歩的な結論を導き出すことができます。これらの基本的な能力を拡張する必要があります：公開透明性、非中央集権、安全性、計算能力、パフォーマンス(スループット)、ストレージ、プライバシーなど。これらの技術的な観点からの基本的な能力に加えて、解決すべき非常に重要な経済学的問題があります。それはコストを削減することです。通常、レイヤー1ネットワークの取引実行にかかる総コストは高いため、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。

要約すると、容量の増加、コストの削減、カスタマイズ機能の3つの次元のソリューションはすべてレイヤー2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て、少し難解です。このように理解できます。レイヤー1ネットワークの特性は、多くのアプリケーションにとって必要な程度が異なり、レイヤー2の上で特定のアプリケーションに対してさまざまな特性の実現度を再調整することができます。

レイヤー2の構築において、ブロックチェーンの基本機能はそれぞれ取捨選択され、いくつかの特性が低下し、さらには特性が捨てられることもあり、ある特性の顕著な向上を得るために交換されます。例えば、いくつかのレイヤー2はパフォーマンスを向上させるために、分散化の程度を下げたり、安全性を低下させたりします。スケーラビリティを向上させるために、例えばライトニングネットワークのように、システムの構造や決済方法を変更する場合もあります。また、基本機能を低下させずに特定の特性を強化するものもあり、例えばRGBの処理方法は明らかにプライバシー性と検閲耐性を増強しましたが、技術的な実装の難易度が増しました。後のケーススタディでは、いくつかの特性を同時に低下または変更するレイヤー2の構築を目にすることになるでしょう。

その中でコスト削減はすべての第2層の構築における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必要があるのか?

階層設計は、複雑なシステムを扱うための手段および方法論であり、システムを複数の階層構造に分割し、各階層間の関係と機能を定義することによって、システムのモジュール化、保守性、拡張性を実現し、システムの設計効率と信頼性を向上させる。

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、分業が実現しやすく、モジュール単位での改善が容易になるといった利点があります。コンピュータネットワークにおけるISO/OSIの七層モデル設計のように、具体的な実装においては、いくつかの階層を統合することができます。例えば、具体的なネットワークプロトコルTCP/IPは四層プロトコルです。

具体的に言うと、プロトコルの階層化の利点:

1.各層は独立している。ある層は、その次の層がどのように実装されているかを知る必要はなく、単にその層が層間の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よい。これにより、全体の問題の複雑さが低下する。つまり、前の層の作業がどのように行われるかは次の層の作業に影響しないため、各層の作業設計を行う際にはインターフェースが変わらない限り、層内の作業方法を自由に調整できる。

2.柔軟性が良い。 どのレイヤーが変化しても、インターフェースの関係が変わらなければ、そのレイヤーの上または下のレイヤーには影響しません。あるレイヤーに技術革新が起こったり、作業中に問題が発生した場合、他のレイヤーの作業に影響を与えることはありません。問題を排除する際も、そのレイヤーの個別の問題のみを考慮すればよいのです。

3.**構造上で分割可能です。**各層は最も適切な技術を使用して実現できます。技術の進展は往々にして非対称であり、階層化された分割は木桶効果を効果的に回避し、特定の側面の技術の不十分さが全体の作業効率に影響を与えることはありません。

4.**実現と維持が容易。**この構造により、巨大で複雑なシステムの実装とデバッグが簡単に処理できるようになります。なぜなら、システム全体が相対的に独立したいくつかのサブシステムに分解されているからです。デバッグとメンテナンスを行う際は、各レイヤーを個別にデバッグできるため、問題の特定と解決が難しいという状況を避けることができます。

5.**標準化作業を促進することができる。**各層の機能と提供されるサービスが正確に説明されているからだ。標準化の利点は、特定の層を自由に置き換えることができ、使用や研究にとって非常に便利であることだ。

階層的モジュール設計思想は、技術分野において、機能が大規模で、多くの人が協力し、常に改善されるプロジェクトに対する一般的な対処法であり、実践によって検証され、効果的な方法です。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

私たちはビットコインの二層構築を事例として、関連する分析を行います。ビットコインの二層には三つの顕著な二層構築ルートがあります:

(1)の一つは、チェーンに基づく拡張ルートで、EVMの二層に非常に似ており、ブロックチェーン構造です。

(2)の一つは、分散型のルートに基づいており、ライトニングネットワークを代表として、分散構造です。

(3)もうひとつは、中央集権型システムに基づくルートで、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。

前の二つの方法はそれぞれ特徴があり、すでにいくつかの使用中の製品や探求中の製品があります。第一の方法については、イーサリアムの発展と他のビットコイン模倣チェーンの探求により、チェーンベースの二層拡張は相対的に容易であり、参考にできるケースが多いです。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅れており、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、二層の構築には見えないものの、二層の構築機能を果たしているようです。

どの二層構築プランがより良いのでしょうか？私たちは市場の検証結果を尺度として使用し、どの二層ネットワークの総ロック価値TVL(Total Value Locked)が高いかを判断します。そのプランが最適なプランです。時間と技術の発展に伴い、この最適なプランは変化するプロセスです。

ビットコインの第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の技術的関連を確立し、一部の特性がビットコインの第一層ネットワークよりも優れている場合、それはビットコインの第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を基盤資産とし、ビットコインの性能を拡張したシステムはすべて第二層の構築と見なされます。この判断に基づいて、私たちは第三の第二層ネットワークの構築、すなわち中央集権的な構造の第二層の構築を認めるべきです。

ビットコイン本身技術の発展、例えばOP_RETURNの修正、Taproot、Schnnor署名、MAST、Tapscriptは、第一層と第二層を接続する目的のために設計されるべきであり、これらの技術を過度に開発機能として使用すべきではない。第一層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ため、第二層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第二層製品がない場合、これらの第一層と第二層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だろう。

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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、"Colorcoin"(カラーチェーン)、"CovertCoins"や"MasterCoin"などがありました;様々な拡張のビットコイン模倣チェーンとして、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)があります;様々なサイドチェーン技術は、チェーンの拡張構築のケースに基づいており、広義の二層といえるでしょう。

イーサリアムを含む、ビットコインに基づく改善の探求でもあります。ヴィタリックは他のプロジェクトチームを説得することに失敗した場合、ビットコインの不完全さに対して言及しました。