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。ある人々はこれがビットコインエコシステムのパンドラの箱を開けることになったと考えています。ビットコインエコシステムの多くの技術発展の中で、二層の構築は最も重要です。本記事では、インターネット上の有名な記事を参考にし、複数の友人との交流、そしてチームのWeb3製品設計と開発における探求の経験をまとめて、ビットコインの二層の基礎知識を整理しました。

ブロックチェーンの世界はビットコインを起点とし、ビットコインのエコシステムを終点としています。イーサリアムもビットコインの一種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」概念は共通しています。二層建設はより広い概念ですが、業界で一般的に使用される言い回しに適応するため、「二層ネットワーク建設」も使用されます。

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1. レイヤー2のミッション

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、まずはブロックチェーンシステムの基本的な特性から始めます。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性とニーズ

この記事では、Vitalikが提唱した概念を使用します: 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ります。後半では、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。

ブロックチェーンの基本的な特性には次のものが含まれます:

• 公開透明: ブロックチェーン「世界コンピュータ」のデータ保存と命令実行の特徴は、世界中の分散ノードが共同で計算に参加する内部的な要求でもあります。これは、利用者のデータに対する知る権利を満たしています。

• 分散化: ブロックチェーンの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性。分散化の程度とフォールトトレランスはビザンチン将軍問題によって支えられています。分散化の程度はブロックチェーンの安全性の重要な指標です。

• セキュリティ: "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需要と、ユーザーが必要とする外部需要が共同で構成される。ミクロレベルでは暗号技術によって保証され、マクロレベルでは分散型アーキテクチャによって保証される。

• 計算能力: ブロックチェーン「世界コンピュータ」の主要な機能。通常はチューリング完全性で測定される。一部のチェーンは主要な特性を保持するために、意図的にチューリング不完全に設計されている。

• 性能:計算能力が同じ場合、ブロックチェーン"世界コンピュータ"のもう一つの主要な能力を考察します。一般的にTPS(毎秒処理される取引数)で測定されます。

• ストレージ: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」としてデータを記録する能力を持つ必要があります。現在は基本的にブロック内に保存されており、より専門的なブロック外の保存はまだ発展途上です。

• プライバシー:データの生産者と使用者の権限範囲を計算および保存の過程で保持することを要求(には、検閲耐性)が含まれます。主に使用者の外部ニーズによって駆動されます。

もう一つの総合指標であるスケーラビリティは、全体のアーキテクチャのスケーラビリティを指し、多くの基本特性に影響を与えます。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。

これらのブロックチェーンの基本特性は、多くが不可能な三角形に制約されています。例えば、DSSの仮説: 去中心化(Decentralization)、安全性(Security)と拡張性(Scalability)は同時に得ることはできません。

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: 一貫性(Consistency)、可用性(Availability)、分断耐性(Partition tolerance)の三者は同時に得ることができません。ブロックチェーンシステムはビザンチン将軍問題を持つ分散型システムであり、CAP原理が適用されます。

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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？二層の構築は必然的に一層システムの不足を補い、一層システムでは実現できないことを二層で実現します。

まとめた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る。それは、これらの基本的な能力を拡張する必要があるということだ: 公開透明性、非中央集権、安全性、計算能力、性能(スループット)、ストレージ、プライバシーなど。技術的な観点からの基本的な能力に加えて、重要な経済学的問題も解決する必要がある。それはコストを削減することだ。一層のネットワークの実行取引の総コストは比較的高いため、二層のネットワークがこれらのコストを削減する必要がある。

まとめると、容量を増やし、コストを下げ、カスタマイズ機能の3つの次元のためのソリューションはすべて第2層の構築です。カスタマイズ機能については、現在はまだ明確ではなく、しばしば前の2つの特性に隠れていることが多いです。このように理解することができます。第1層ネットワークの特性は、多くのアプリケーションの要求度が異なるため、特定のアプリケーションに対して第2層でさまざまな特性の実現度を再調整することができます。

二層構築において、ブロックチェーンの基盤能力はそれぞれの妥協があり、一部の特性を低下させたり、さらにはいくつかの特性を放棄したりして、特定の特性の顕著な向上を得ることになります。例えば:

• 一部のレイヤー2はパフォーマンスを向上させるために、分散化の程度を低下させ、安全性を低下させることがあります;
• 一部のレイヤー2はスループット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、システム構造や決済方法を変更します。
• 基本的な特性を損なうことなく、特定の特性を強化する方法がいくつかあり、例えばRGBの処理方式は、明らかにプライバシー性と検閲耐性を増加させるが、技術的な実現の難易度も増す。

後のケースで、いくつかの特性を同時に低下させたり変更したりする二層の構築が見られます。

その中でコスト削減はすべてのレイヤー2の構築における基本的な要求であるべきです。

1.3 なぜ階層設計を行うのか?

階層設計は、人間が複雑なシステムを処理する手段と方法論であり、システムを複数の階層構造に分割し、各層間の関係と機能を定義することで、システムのモジュール化、保守性、および拡張性を実現し、システム設計の効率と信頼性を向上させる。

広範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、分業実現やモジュールごとの改善が容易になります。例えば、コンピュータネットワークにおけるISO/OSIの七層モデル設計ですが、具体的な実装では、一部の階層を統合することができます。具体的なネットワークプロトコルであるTCP/IPは四層プロトコルです。

プロトコルの階層化の利点:

1. 各レベルは独立している。あるレベルは次のレベルの実装方法を知る必要はなく、そのレベルがレベル間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。全体の問題の複雑さが減少する。上のレベルの作業がどのように進行しているかは、次のレベルの作業に影響を与えず、各レベルの作業設計はインターフェースが変わらない限り自由にレベル内の作業方法を調整できる。

2. 柔軟性が高い。どのレイヤーに変化があっても、レイヤー間のインターフェース関係が変わらなければ、他のレイヤーには影響がない。あるレイヤーに技術革新や問題が発生しても、他のレイヤーの作業に影響を与えず、問題を排除する際はそのレイヤーの単独の問題だけを考慮すればよい。

3. 構造的に分割可能。各層は最適な技術を用いて実現できる。技術の発展は往々にして非対称であり、階層的な区分は木桶の効果を効果的に回避し、特定の技術が不完全であっても全体の作業効率に影響を与えない。

4. 実装とメンテナンスが容易です。この構造は、巨大で複雑なシステムの実装とデバッグを容易にします。なぜなら、全体のシステムがいくつかの比較的独立した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の際には、各レイヤーを個別にデバッグでき、問題を見つけたり解決したりすることができない状況を回避できます。

5. 標準化作業を促進する。各層の機能と提供されるサービスには正確な説明があるため。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ることで、使用や研究が非常に便利になる。

階層的モジュール設計思想は、機能が大きく、複数の人が協力し、継続的に改善されるプロジェクトに対する技術分野の一般的な対処方法であり、実践により検証された、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

ビットコイン二層建設をケーススタディとして関連分析を行う。ビットコイン二層には三つの顕著な建設ルートがある:

(1)ベースのチェーンの拡張ルートは、EVMのレイヤー2に非常に似ており、ブロックチェーン構造です；

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

(3)中心化システムに基づくルートは、中心化インデックスを代表としており、中心化構造です。

前二つの方法はそれぞれ独自の特徴があり、すでにいくつかの使用されている製品や探求中の製品があります。第一の方法は、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って、チェーンに基づく二層の拡張が相対的に容易であり、参考ケースも豊富です。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅く、ライトニングネットワークが代表的です。第三の方法は非常に論争の的で、二層の構築に見えないものの、二層構築の機能を完了しているようです。

どの二層構築プランがより良いですか？市場の検証結果を基準として、どの二層ネットワークの総ロックバリューTVL(Total Value Locked)が高いかが最適なプランとなります。時間と技術の進展に伴い、最適なプランは変化するプロセスになります。

ビットコイン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技術的関連を築き、いくつかの特性がビットコイン一層ネットワークより優れているシステムはすべてビットコイン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を基盤資産として、ビットコインの性能を拡張するシステムはすべて二層構築と見なされます。この判断に基づき、私たちは第三の二層ネットワークの構築、すなわち中央集権的な構造の二層構築を認めるべきです。

ビットコイン本身技術発展、例えばOP_RETURNの修正、Taproot、Schnorr署名、MAST、Tapscriptは一層と二層を接続する目的で設計されるべきであり、これらの技術を使って機能を過度に開発すべきではない。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、二層の構築が必要である。しかし、より良いビットコイン二層製品がない状況では、これらの一層と二層を接続する技術力は、しばらくの間過度に使用されることになる。

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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いくつかの探索を行い、"Colorcoin"(カラーニュース)、"CovertCoins"や"MasterCoin"などが含まれています; 様々な拡張を試みた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、チェーンの拡張に基づいた構築ケースであり、広義には二層といえます。

イーサリアムを含む、ビットコインを基にした改良の探索です。ヴィタリックは他のプロジェクトチームを説得できなかった場合、ビットコインの不完全さ、UTXOのアカウントレスシステム、実行言語のチューリング完全性の欠如、スケーラビリティの低さなどの問題に対処するため、自らチームを結成しホワイトペーパーを発表し、新世代のブロックチェーンシステムを開発しました。イーサリアムのこの探索はビットコイン上での直接的なレイヤー2の構築ではありませんが、広義にはチェーンに基づく構築の探索の一種です。

イーサリアムのビットコインに対する不完全な改善探求、そしてイーサリアム上のレイヤー2の発展と検証は、ビットコイン上のチェーンベースのレイヤー2ネットワークの発展に対する参考事例を提供しました。さまざまなRollupソリューション、クロスチェーンソリューション、メッセージチャネル技術、そしてイーサリアム自体のシャーディング技術は、イーサリアムの技術エコシステムを活性化させ、多くの人々が公にチェーンの発展の方向性と未来が確定したと一度は考えました。イーサリアムを代表とするエコシステムは勝利したように見えましたが、実際にはこれもチェーンベースのレイヤー2の構築が比較的成熟していることの表れです。しかし、チェーンベースのレイヤー2の構築はレイヤー2の構築の一つの方法に過ぎず、独自の長所と短所があり、全体のレイヤー2エコシステムを完成させるためには他のレイヤー2技術が必要です。

ビットコイン中基于链の二層建設は、大まかに二つの典型的なチェーンタイプを含みます。一つはEVMに対応したアカウントモデル、もう一つはビットコインのUTXOモデルです。既存のケース(我々は広義の二層を定義)含む: 例えばイーサリアム、Polygon、Bsc、ArbitrumなどはEVMのアカウントモデルであり、CKB(Nervos)、ChiaはUTXOモデルです。

さらに、イーサリアム上で成功しているレイヤー2プロジェクトも、チェーンに基づくビットコインのレイヤー2構築に参加することになります。これらのイーサリアム上のレイヤー2プロジェクトにとって、ビットコイン上のレイヤー2に改造する作業量と課題は少なくなるでしょう。イーサリアムのロールアップの成熟とモジュール化の発展、理論的成果に基づいて、この方法のレイヤー2構築はスケーラビリティの議論の主流となり、最も迅速に効果を発揮するソリューションとなるでしょう。

この改造はどれほど成功するのでしょうか？まだ発展の検証が必要です。このチェーンに基づくレイヤー2の建設の長所と短所について、いくつかの初歩的な判断を行うことができます。

**チェーンベースの二層構築の利点と欠点は何ですか?