比特幣新技術發展:再次爆發的前夕

比特幣的原有技術一直存在大規模應用與比特幣應該具有的能力的衝突問題。大規模應用和交易規模是否意味着更復雜的交易指令和更大的交易空間?是否意味着一定要在比特幣單一系統上實現所有的功能?隨着技術的發展,很多問題會得到更清晰的答案。

本文將列出一些相關問題,以及對這些問題的產生與解決過程。通過這篇文章,可以看到這些問題與技術之間的關聯性,以及比特幣主鏈與相關"測試鏈"的變化過程。比特幣的技術一直被不同的項目與團隊在探索中,只是在比特幣主網上產生的變化一直不夠明顯,直到Taproot等技術的產生,推動了Ordinals協議等協議產生之後,重新進入了一個新的發展高潮。

從整體看這些發展過程與產生的相關技術,我們能夠看到他們之間的聯繫,可以推測出更多發展方向與整體架構。

1. 比特幣原有技術的主要探索與衝突

1.1 比特幣的腳本語言與幾次刪減指令

比特幣的編程語言是一種逆波蘭範式的腳本語言,沒有循環語句和條件控制語句。因此,人們常說:比特幣腳本語言不是圖靈完備的,這導致比特幣腳本語言有一定的局限性。

由於這些局限性,黑客就沒辦法使用這種腳本語言寫一些死循環或能導致DOS攻擊的惡意代碼,避免了比特幣網路受到DOS攻擊。比特幣的開發者認爲核心區塊鏈不應該具備圖靈完整性,來避免一些攻擊和網路堵塞。

但是,也正是由於這些局限性,比特幣網路沒有辦法運行其他復雜的程序,沒辦法完成一些"有用"的功能。而後面發展的一些區塊鏈系統,爲了解決具體問題,滿足用戶的需求,直接改變了這點。如,以太坊使用的語言就具備了圖靈完備。

比特幣腳本指令常見的類型包括:常數、流程控制、堆棧、字符串、位邏輯、算術邏輯、加密等。

比特幣歷史上有多次刪減指令的事情發生。刪減指令的原因包括安全性考慮,以及讓底層協議更基礎更穩定。這樣也就造成了一種事實,只有比特幣適合作爲一層網路。從比特幣的基本特點和分層設計的角度,幾乎只有比特幣能夠作爲一層網路基礎設施,即使有替代鏈也是一個1.5層的產物。

1.2 比特幣分叉歷史、原因與意義

在比特幣的發展歷史,除了刪減指令問題,另一方面是區塊大小之爭,這經常造成比特幣的硬分叉。

BTC創立之初並沒有限制區塊大小。但當早期BTC價格非常低,惡意交易的成本也非常低,爲了解決這一問題,中本聰在2010年9月12日主持了一次軟分叉,添加了區塊體積不得超過1MB的限制。中本聰指出但這種限制是臨時性的,未來可以以可控和逐步的方式提高區塊限制,以便滿足擴容的需要。

隨着比特幣的流行,網路交易擁堵和確認時間增長問題愈發嚴重。2015年Gavin Andresen和Mike Hearn宣布將在新版BitcoinXT中實現BIP-101提案,希望將區塊上限提高至8MB。而Greg Maxell,Luke Jr,Pieter Wuille等核心開發者則持反對意見,認爲這種做法會提高運行全節點的門檻,而且帶來不可控的影響。這場爭論最終在議題和參與範圍均出現了擴大化。

在不斷的爭議中,產生了衆多的案例。如,BCH區塊大小是8M,後來又增加的32M。BSV區塊大小是128M。而除了BCH(和後面的BSV)以外,這一時期還出現了許多其它BTC分叉幣,據BitMEXResearch,僅在BCH分叉後的一年內,就出現了至少50種新的分叉幣。

比特幣的分叉是一種發展探索,在嘗試通過自身的改變來完成對更多需求的支持。其中有用戶需求、礦工需求、投資人需求、開發者需求等。

1.3 比特幣發展中的幾個典型探索

中本聰離開後,繼承人Gavin Andresen主導建立了Bitcoin Core和Bitcoin基金會。在此期間,針對BTC的可拓展性探索一直存在,尤其是在資產發行領域。

Colored Coins(染色幣)

eToro首席執行官Yoni Assia在2012年3月27日首次提出彩色幣。這個想法不斷發展,在Bitcointalk等論壇上,彩色硬幣的概念開始形成並獲得關注。最終Meni Rosenfeld於2012年12月4日發布了一份詳細介紹彩色貨幣的白皮書。

染色幣的設想是通過給比特幣的特定部分添加特殊的標注(即染色),來代表更廣泛的資產和價值。染色幣在實現上出現了一系列實體,大致分爲兩類:

1. 基於OP_RETURN:如Flavien Charlon在2013年提出的Open Assets,利用OP_RETURN存儲到腳本中,並通過外界讀取的方式來完成"染色"和交易。

2. 基於OP_RETURN:典型代表是ChromaWay在2014年提出的EPOBC Protocol,EPOBC資產的額外信息存儲在比特幣交易中的nSequence字段,每個EPOBC資產的類別和合法性需要追溯到genesis交易來確定。

MasterCoin(OMNI)

JR Willett在2012年1月6日發布了MasterCoin的設想,並取名"比特幣第二份白皮書",並在2013年7月通過ICO的方式正式啓動項目,最終募集到了5120個BTC。MasterCoin和Colored Coins區別在於它建立了一個完整的節點層,通過掃描比特幣區塊來維護狀態模型數據庫,該數據庫駐留在區塊鏈之外的節點中。這種設計可以提供比Colored Coins更復雜的功能,例如創建新的資產、去中心化交易所、自動化價格反饋等。2014年,Tether也通過Mastercoin協議在比特幣上推出了穩定幣,即我們熟知的Tether USD (OMNI)。

CounterParty

Counterparty於2014年正式推出。Counterparty也使用OP_RETURN將數據存儲至BTC網路中。但與染色幣不同,資產在Counterparty不是以UTXO的形式存在,而是通過OP_RETURN載入信息來表明資產的轉移,當一個資產持有者使用持有地址對歹有特殊數據的交易進行籤名後,資產便完成了轉移。通過這種方式,Counterparty可以實現資產的發行、交易以及兼容以太坊智能合約的平台。

除此以外,也有觀點認爲Ethereum、Ripple和BitShares也屬於更廣義的"Bitcoin 2.0 "。

1.4 比特幣的不完美與分層協議

比特幣系統的不完善(或局限性)主要表現在幾個方面:

1. 比特幣的帳戶系統UTXO

在當前的區塊鏈項目中,主要有兩種記錄保存方式,一種是帳戶/餘額模型,一種是UTXO模型。比特幣採用就是UTXO模型,以太坊、EOS等則採用的是帳戶/餘額模型。

UTXO(Unspent Transaction Outputs)是未花費的交易輸出,它是比特幣交易生成及驗證的一個核心概念。交易構成了一組鏈式結構,所有合法的比特幣交易都可以追溯到前向一個或多個交易的輸出,這些鏈條的源頭都是挖礦獎勵,末尾則是當前未花費的交易輸出。

如果要實現智能合約,UTXO這種帳戶模型存在非常大的問題。以太坊黃皮書的設計者Gavin Wood對UTXO的理解十分深刻。以太坊的最大新功能點是智能合約,因爲智能合約的考慮,Gavin Wood要基於UTXO去實現圖靈完備的智能合約是困難的。而帳戶模型是天然的面向對象的,對每一筆交易,都會在相對應帳戶上進行記錄(nonce++)。爲了易於管理帳戶,而引入了全局狀態,每一筆交易都會改變這個全局狀態。

UTXO的另一個嚴重缺陷是,不能爲帳戶的取款額度提供精細的的控制。

2. 比特幣的腳本語言,非圖靈完備

盡管比特幣腳本語言可以支持多種計算,但是它不能支持所有的計算。最主要的缺失是比特幣的腳本語言,沒有循環語句和條件控制語句。因此,我們說:比特幣腳本語言不是圖靈完備的。這導致比特幣腳本語言,有一定的局限性。

爲了安全性,不支持圖靈完備的理由是不充分的。而且非圖靈完備的語言所做的事情很有限。

3. 比特幣的其他不完善,安全性、擴展性

挖礦的中心化問題,比特幣挖礦算法基本上是讓礦工千萬次地輕微改動區塊頭,直到最終某個節點的改動版本的哈希小於目標值。然而,這種挖礦算法容易被兩種形式的中心化攻擊。第一種,挖礦生態系統被專門設計的因而在比特幣挖礦這一特殊任務上效率提高上千倍的ASICs(專用集成電路)和電腦芯片控制。這意味着比特幣挖礦不再是高度去中心化的和追求平等主義的,而是需要巨額資本的有效參與。第二種,大部分比特幣礦工事實上不再在本地完成區塊驗證;而是依賴中心化的礦池提供區塊頭。這個問題可以說很嚴重:當前,排名前三的採礦池間接控制着比特幣網路中約50％的處理能力。

擴展性問題是比特幣的一個重要問題。使用比特幣,每小時增長約1MB。如果比特幣網路每秒處理Visa的2000次交易,則每三秒鍾將增長1MB(每小時1GB,每年8TB)。較低的交易次數,也引起比特幣社區的爭議,大區塊鏈雖然可以提高性能,但問題是中心化風險。

分層設計

分層設計是一種人類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之間的關係和功能,以實現系統的模塊化、可維護性和可擴展性,從而提高系統的設計效率和可靠性。

對於一項廣泛和龐大的協議體系,使用分層會有明顯的好處。這樣做使人們容易理解,容易分工實現與容易分模塊改進等優點。如計算機網路中的ISO/OSI的七層模型設計,但具體的實現中,可以合並一些分層,例如,具體的網路協議TCP/IP是四層協議。具體說協議分層的優點:各層次之間是獨立的、靈活性好、結構上可分割開、易於實現和維護、能促進標準化工作。

從分層協議的角度看,比特幣因爲要處於最基礎的底層,那麼他的UTXO、非圖靈完備、出塊時間長、區塊容量小、創始人的消失等,都不是缺點,反而是作爲一層網路應該具有的特點。

2. 比特幣發展中的重要新技術(區塊擴容與能力擴容)

在比特幣本身這條區塊鏈上,這種探索也產生了很多成果,本質上是區塊的擴容與能力的擴容。他們主要表現在以下幾個方面。

2.