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生机,让更多人重新关注比特币。在比特币生态的技术发展中,二层建设是重中之重。本文总结了比特币二层的基础知识,希望能抛砖引玉,促进这个领域的发展。

区块链世界以比特币为开局,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。

1. 二层要完成的使命

为了理解比特币二层建设需要解决哪些基本问题,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

区块链可以视为一台"世界计算机"。我们从这个角度来理解区块链的多种特性:

• 公开透明:这是区块链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。

• 去中心化:这是区块链的架构特性,去中心化程度和容错性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。

• 安全性:由架构特性产生的内部需求和用户需要的外部需求共同组成。从微观层面由密码学技术保证,从宏观层面由去中心化架构保证。

• 计算能力:区块链的一个主要功能是计算能力。一般用是否图灵完备来考察。

• 性能:在计算能力相同的情况下,性能是考察区块链的另一项主要能力。一般用TPS来衡量。

• 存储:区块链有存储数据的功能。目前基本都在区块内存储,更专业的区块外链上存储还在发展中。

• 隐私: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。这基本上是由使用者的外部需求驱动的。

这些特性大多受不可能三角形制约,如DSS猜想(去中心化、安全性、可扩展性)和CAP原理(一致性、可用性、分区容错性)。

1.2 二层建设的作用

二层建设要扩展一层系统的不足,在二层上完成一层系统不适合完成的事情。主要是:

• 扩展基础能力:公开透明、去中心化、安全性、计算能力、性能、存储、隐私等
• 降低成本:通常一层网络的执行事务综合成本较高
• 定制特性:针对某些应用重新调整各种特性的实现度

总结为增加容量、降低成本、定制特性三个维度。

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,通过划分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。

分层设计的优点:

1. 各层独立,不需要知道下层实现细节
2. 灵活性好,某层变化不影响其他层
3. 结构可分割,各层可采用最合适的技术
4. 易于实现和维护
5. 促进标准化

分层模块化设计是技术领域处理功能庞大、需多人协作、不断改进项目的有效方法。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

比特币的二层建设有三种主要路线:

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

哪种方案更好?可用总锁仓价值TVL作为衡量标准,TVL高的方案更优。随时间和技术发展,最优方案会变化。

对于比特币的二层网络定义:只要依托比特币网络,建立技术关联,一些特性优于比特币一层网络,都算比特币的二层网络建设。

2.1 基于链的二层建设

早期的比特币模仿链做了多种探索,如"Colorcoin"、"MasterCoin"等;各种扩容的比特币模仿链,如BCH、BSV、BTG;以及各种侧链技术都是基于链的扩展建设案例。

以太坊也可视为基于比特币的改进探索。以太坊对比特币的改进以及以太坊二层的发展,给了比特币基于链的二层网络发展参考。

比特币中基于链的二层建设主要包含两种链类型:

• 兼容EVM的账户模型:如以太坊、Polygon、BSC、Arbitrum等
• 类比特币的UTXO模型:如CKB(Nervos)、Chia等

基于链的二层建设优点:

• 保持区块链大多数基础特性
• 解决图灵完备问题
• 显著降低交易费用
• 在一定程度上扩展一层网络能力
• 技术实现相对容易,有较多探索案例
• 上层应用迁移便捷,可快速实现

缺点:

• 受限于区块链限制,性能提高有限
• 可能会降低去中心化程度或安全性

判断:基于链结构的二层可能会存在众多项目,在各垂直领域存在一个或多个二层,满足不同应用需求。其价值由上层应用数量和总价值决定。

2.2 基于分布式系统的二层建设

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

分布式系统的二层建设分为两类:

1. 只完成价值传递,如闪电网络
2. 完成价值传递和图灵完备计算,如RGB

基于分布式的二层建设优点:

• 系统更加去中心化
• 可容纳无数节点
• 隐私性和抗审查能力更好
• 有无限扩展性,理论上性能极大

缺点:

• 技术实现复杂
• 价值传递方面缺少工程实现经验和基础设施
• 实现图灵完备系统是巨大挑战

判断:基于Channel的分布式结构二层可能只存在几个并行项目,原因:

1. 系统具无限扩展能力
2. 实现技术难度大

这类系统要求设计和理念更开放,能容纳更多人和团队参与。

2.3 基于中心化系统的二层建设

如Ordinals这样的中心化索引结构,或某些功能节点的索引器是中心化结构的,也是一种二层建设思路。

这种建设思路较少被认可,因二层过于中心化,对一层网络扩展非常有限。中心化结构二层各种区块链基础特性都要依赖一层网络,二层只作简单计算和统计功能。

优点:

• 中心化系统非常成熟
• 有众多可用案例和优化方案
• 完全图灵完备和卓越性能

缺点:

• 二层极度中心化
• 所有区块链基础特性都依赖一层网络

判断:基于中心化结构的二层可能只存在较少项目,甚至是阶段性存在。在基于链式结构和Channel的分布式结构成熟后,大多数中心化结构二层建设可能消亡,或只留少数特殊场景使用。

3. 二层建设的相关事物

3.1 一层和二层的连接技术

比特币本身技术发展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnorr签名、MAST、Tapscript等都应为连接一层和二层目的而设计。常见连接区块链一层和二层网络的技术有:

• 跨链技术:实现不同区块链间互操作,资产跨链转移和交互
• 隔离验证技术:将一层交易数据隔离,由二层验证处理
• 侧链技术:连接主链和侧链,实现数据传输
• State Channel技术:在链外建立通信通道,提高交易速度和吞吐量
• Plasma技术:将一层交易数据分片处理,由二层验证处理

考察一层与二层连接技术的指标:

• 一层能否对二层交易做验证
• 一层资产能否在二层崩溃时顺利逃生
• 连接技术是否会降低系统某些特性

3.2 参考冯诺依曼结构看区块链发展

区块链这个"世界计算机"可与传统计算机的冯诺依曼结构对比分析。冯诺依曼结构计算机的五大部件:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。区块链系统中也存在相似部件。

几个对比:

1. CPU的扩展类似一层和二层计算能力与吞吐量的扩展
2. 存储器扩展会从竞争链上空间,到使用真正的区块链存储
3. 输入输出设备在区块链系统中是预言机
4. 一些特殊的链和功能类似传统计算机的GPU、专用设备卡等
5. 链上应用和更上层应用类似传统计算机还未区分操作系统与应用软件的阶段
6. 区块链应用会从早期金融应用扩展到更广泛应用

4. 当前比特币的Layer2建设情况

4.1 已经运行的比特币二层项目

1. 闪电网络(Lightning Network)

• 基于分布式的二层建设
• 2015年提出,2018年全面实施
• 特点:快速、低成本、可扩展
• 通过支付通道实现链下交易,大幅降低确认时间和费用
• 面临网络稳定性、路由算法等挑战

2. Liquid

• 基于链的二层建设
• 2015年由Blockstream推出的侧链解决方案
• 特点:快速交易确认(2分钟)、交易私密性、高吞吐量
• 采用Confidential Transactions技术隐藏交易金额
• 使用Federated Peg技术支持大量并行交易

3. Rootstock(RSK)

• 基于链的二层建设
• 2015年提出,2018年正式上线
• 特点:与比特币双向锚定、支持智能合约
• 为比特币提供类似以太坊的功能
• 发展相对较慢,但有潜力成为重要的智能合约平台

4. RGB

• 基于分布式+图灵完备的二层建设
• 2016年起源,由LNP/BP标准协会开发
• 特点:可扩展、保密、无需引入代币的去中心化协议
• 采用客户端验证和一次性密封概念
• 可执行代币发行、NFT铸造、DeFi、DAO等复杂智能合约

5. Stacks

• 基于链的二层建设
• 2013年提出,2017年进行ICO
• 特点:提供去中心化身份验证、存储和智能合约功能
• 采用"Stacking"共识机制
• 已成为去中心化应用领域的重要平台之一

6. 其他新兴项目

• B² Network:基于ZK-Rollup开发,兼容EVM
• BEVM:兼容EVM的去中心化比特币L2
• Dovi:兼容EVM智能合约的比特币Layer2
• Map Protocol:专注跨链协议
• Merlin Chain:整合ZK-Rollup网络、去中心化预言机和链上BTC防欺诈模块
• Bison:比特币原生的zk-rollup

4.2 比特