比特币技术进化史:从分叉争议到分层创新

2025-08-16 04:42:18

比特币新技术发展:再次爆发的前夕

比特币的原有技术一直存在大规模应用与比特币应该具有的能力的冲突问题。大规模应用和交易规模是否意味着更复杂的交易指令和更大的交易空间?是否意味着一定要在比特币单一系统上实现所有的功能?随着技术的发展,很多问题会得到更清晰的答案。

本文将列出一些相关问题,以及对这些问题的产生与解决过程。通过这篇文章,可以看到这些问题与技术之间的关联性,以及比特币主链与相关"测试链"的变化过程。比特币的技术一直被不同的项目与团队在探索中,只是在比特币主网上产生的变化一直不够明显,直到Taproot等技术的产生,推动了Ordinals协议等协议产生之后,重新进入了一个新的发展高潮。

从整体看这些发展过程与产生的相关技术,我们能够看到他们之间的联系,可以推测出更多发展方向与整体架构。

1. 比特币原有技术的主要探索与冲突

1.1 比特币的脚本语言与几次删减指令

比特币的编程语言是一种逆波兰范式的脚本语言,没有循环语句和条件控制语句。因此,人们常说:比特币脚本语言不是图灵完备的,这导致比特币脚本语言有一定的局限性。

由于这些局限性,黑客就没办法使用这种脚本语言写一些死循环或能导致DOS攻击的恶意代码,避免了比特币网络受到DOS攻击。比特币的开发者认为核心区块链不应该具备图灵完整性,来避免一些攻击和网络堵塞。

但是,也正是由于这些局限性,比特币网络没有办法运行其他复杂的程序,没办法完成一些"有用"的功能。而后面发展的一些区块链系统,为了解决具体问题,满足用户的需求,直接改变了这点。如,以太坊使用的语言就具备了图灵完备。

比特币脚本指令常见的类型包括:常数、流程控制、堆栈、字符串、位逻辑、算术逻辑、加密等。

比特币历史上有多次删减指令的事情发生。删减指令的原因包括安全性考虑,以及让底层协议更基础更稳定。这样也就造成了一种事实,只有比特币适合作为一层网络。从比特币的基本特点和分层设计的角度,几乎只有比特币能够作为一层网络基础设施,即使有替代链也是一个1.5层的产物。

1.2 比特币分叉历史、原因与意义

在比特币的发展历史,除了删减指令问题,另一方面是区块大小之争,这经常造成比特币的硬分叉。

BTC创立之初并没有限制区块大小。但当早期BTC价格非常低,恶意交易的成本也非常低,为了解决这一问题,中本聪在2010年9月12日主持了一次软分叉,添加了区块体积不得超过1MB的限制。中本聪指出但这种限制是临时性的,未来可以以可控和逐步的方式提高区块限制,以便满足扩容的需要。

随着比特币的流行,网络交易拥堵和确认时间增长问题愈发严重。2015年Gavin Andresen和Mike Hearn宣布将在新版BitcoinXT中实现BIP-101提案,希望将区块上限提高至8MB。而Greg Maxell,Luke Jr,Pieter Wuille等核心开发者则持反对意见,认为这种做法会提高运行全节点的门槛,而且带来不可控的影响。这场争论最终在议题和参与范围均出现了扩大化。

在不断的争议中,产生了众多的案例。如,BCH区块大小是8M,后来又增加的32M。BSV区块大小是128M。而除了BCH(和后面的BSV)以外,这一时期还出现了许多其它BTC分叉币,据BitMEXResearch,仅在BCH分叉后的一年内,就出现了至少50种新的分叉币。

比特币的分叉是一种发展探索,在尝试通过自身的改变来完成对更多需求的支持。其中有用户需求、矿工需求、投资人需求、开发者需求等。

1.3 比特币发展中的几个典型探索

中本聪离开后,继承人Gavin Andresen主导建立了Bitcoin Core和Bitcoin基金会。在此期间,针对BTC的可拓展性探索一直存在,尤其是在资产发行领域。

Colored Coins(染色币)

eToro首席执行官Yoni Assia在2012年3月27日首次提出彩色币。这个想法不断发展,在Bitcointalk等论坛上,彩色硬币的概念开始形成并获得关注。最终Meni Rosenfeld于2012年12月4日发布了一份详细介绍彩色货币的白皮书。

染色币的设想是通过给比特币的特定部分添加特殊的标注(即染色),来代表更广泛的资产和价值。染色币在实现上出现了一系列实体,大致分为两类:

基于OP_RETURN:如Flavien Charlon在2013年提出的Open Assets,利用OP_RETURN存储到脚本中,并通过外界读取的方式来完成"染色"和交易。
基于OP_RETURN:典型代表是ChromaWay在2014年提出的EPOBC Protocol,EPOBC资产的额外信息存储在比特币交易中的nSequence字段,每个EPOBC资产的类别和合法性需要追溯到genesis交易来确定。

MasterCoin(OMNI)

JR Willett在2012年1月6日发布了MasterCoin的设想,并取名"比特币第二份白皮书",并在2013年7月通过ICO的方式正式启动项目,最终募集到了5120个BTC。MasterCoin和Colored Coins区别在于它建立了一个完整的节点层,通过扫描比特币区块来维护状态模型数据库,该数据库驻留在区块链之外的节点中。这种设计可以提供比Colored Coins更复杂的功能,例如创建新的资产、去中心化交易所、自动化价格反馈等。2014年,Tether也通过Mastercoin协议在比特币上推出了稳定币,即我们熟知的Tether USD (OMNI)。

CounterParty

Counterparty于2014年正式推出。Counterparty也使用OP_RETURN将数据存储至BTC网络中。但与染色币不同,资产在Counterparty不是以UTXO的形式存在,而是通过OP_RETURN载入信息来表明资产的转移,当一个资产持有者使用持有地址对歹有特殊数据的交易进行签名后,资产便完成了转移。通过这种方式,Counterparty可以实现资产的发行、交易以及兼容以太坊智能合约的平台。

除此以外,也有观点认为Ethereum、Ripple和BitShares也属于更广义的"Bitcoin 2.0 "。

1.4 比特币的不完美与分层协议

比特币系统的不完善(或局限性)主要表现在几个方面:

1. 比特币的账户系统UTXO

在当前的区块链项目中,主要有两种记录保存方式,一种是账户/余额模型,一种是UTXO模型。比特币采用就是UTXO模型,以太坊、EOS等则采用的是账户/余额模型。

UTXO(Unspent Transaction Outputs)是未花费的交易输出,它是比特币交易生成及验证的一个核心概念。交易构成了一组链式结构,所有合法的比特币交易都可以追溯到前向一个或多个交易的输出,这些链条的源头都是挖矿奖励,末尾则是当前未花费的交易输出。

如果要实现智能合约,UTXO这种账户模型存在非常大的问题。以太坊黄皮书的设计者Gavin Wood对UTXO的理解十分深刻。以太坊的最大新功能点是智能合约,因为智能合约的考虑,Gavin Wood要基于UTXO去实现图灵完备的智能合约是困难的。而账户模型是天然的面向对象的,对每一笔交易,都会在相对应账户上进行记录(nonce++)。为了易于管理账户,而引入了全局状态,每一笔交易都会改变这个全局状态。

UTXO的另一个严重缺陷是,不能为账户的取款额度提供精细的的控制。

2. 比特币的脚本语言,非图灵完备

尽管比特币脚本语言可以支持多种计算,但是它不能支持所有的计算。最主要的缺失是比特币的脚本语言,没有循环语句和条件控制语句。因此,我们说:比特币脚本语言不是图灵完备的。这导致比特币脚本语言,有一定的局限性。

为了安全性,不支持图灵完备的理由是不充分的。而且非图灵完备的语言所做的事情很有限。

3. 比特币的其他不完善,安全性、扩展性

挖矿的中心化问题,比特币挖矿算法基本上是让矿工千万次地轻微改动区块头,直到最终某个节点的改动版本的哈希小于目标值。然而,这种挖矿算法容易被两种形式的中心化攻击。第一种,挖矿生态系统被专门设计的因而在比特币挖矿这一特殊任务上效率提高上千倍的ASICs(专用集成电路)和电脑芯片控制。这意味着比特币挖矿不再是高度去中心化的和追求平等主义的,而是需要巨额资本的有效参与。第二种,大部分比特币矿工事实上不再在本地完成区块验证;而是依赖中心化的矿池提供区块头。这个问题可以说很严重:当前,排名前三的采矿池间接控制着比特币网络中约50％的处理能力。

扩展性问题是比特币的一个重要问题。使用比特币,每小时增长约1MB。如果比特币网络每秒处理Visa的2000次交易,则每三秒钟将增长1MB(每小时1GB,每年8TB)。较低的交易次数,也引起比特币社区的争议,大区块链虽然可以提高性能,但问题是中心化风险。

分层设计

分层设计是一种人类处理复杂系统的手段和方法论,通过将系统划分为多个层次结构并定义各层之间的关系和功能,以实现系统的模块化、可维护性和可扩展性,从而提高系统的设计效率和可靠性。

对于一项广泛和庞大的协议体系,使用分层会有明显的好处。这样做使人们容易理解,容易分工实现与容易分模块改进等优点。如计算机网络中的ISO/OSI的七层模型设计,但具体的实现中,可以合并一些分层,例如,具体的网络协议TCP/IP是四层协议。具体说协议分层的优点:各层次之间是独立的、灵活性好、结构上可分割开、易于实现和维护、能促进标准化工作。

从分层协议的角度看,比特币因为要处于最基础的底层,那么他的UTXO、非图灵完备、出块时间长、区块容量小、创始人的消失等,都不是缺点,反而是作为一层网络应该具有的特点。