# 比特幣二層網路的基礎知識體系比特幣銘文的興起爲比特幣生態帶來新的生機,讓更多人重新關注比特幣。有人認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的衆多技術發展中,二層建設是重中之重。本文借鑑網上知名文章、與多位朋友交流,以及團隊在Web3產品設計與開發中的探索經歷,總結了比特幣二層的基礎知識。區塊鏈世界以比特幣爲開局,以比特幣生態爲終局。以太坊也可視爲比特幣的一種側鏈技術探索。本文中"二層建設"和"二層網路建設"概念通用。二層建設是更廣泛的概念,但爲適應業內常用說法,也會使用"二層網路建設"。## 1. 二層Layer2的使命爲理解比特幣二層建設需要解決的基本問題,我們先從區塊鏈系統的基礎特性開始。### 1.1 區塊鏈的基礎特性和需求本文使用Vitalik提出的概念:區塊鏈是一臺"世界計算機"。從這個角度理解區塊鏈的多種特性會更清晰。後面還會依據計算機的馮諾依曼結構分析這個"世界計算機"的發展可能性。區塊鏈的基礎特性包括:- 公開透明:區塊鏈"世界計算機"的數據存儲和執行指令特點,也是全球分布式節點共同參與計算的內部需求。滿足了使用者對數據的知情權。- 去中心化:區塊鏈"世界計算機"的架構特性。去中心化程度和容錯性由拜佔庭將軍理論支持。去中心化程度是區塊鏈安全性的重要指標。- 安全性:由"世界計算機"架構特性產生的內部需求和使用者需要的外部需求共同組成。微觀層面由密碼學技術保證,宏觀層面由去中心化架構保證。- 計算能力:區塊鏈"世界計算機"的主要功能。通常用圖靈完備性來衡量。一些鏈爲保持主要特性,故意設計成圖靈不完備。- 性能:在計算能力相同情況下,考察區塊鏈"世界計算機"的另一項主要能力。一般用TPS(每秒處理的事務數)衡量。- 存儲:區塊鏈作爲"世界計算機"必須具備記錄數據的能力。目前基本在區塊內存儲,更專業的區塊外鏈上存儲還在發展中。- 隱私:要求在計算和存儲過程中保持數據生產者和使用者的權限範圍(包括抗審查性)。主要由使用者的外部需求驅動。還有個綜合指標可擴展性,指整個架構的可擴展性,影響多數基礎特性。在架構層面,系統的可擴展性是很重要的指標。這些區塊鏈基礎特性大多受不可能三角形制約。如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可擴展性(Scalability)不可兼得。在分布式系統中,類似的不可能三角形是CAP原理:一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分區容錯性(Partition tolerance)三者不可兼得。區塊鏈系統是帶有拜佔庭將軍問題的分布式系統,也適用CAP原理。### 1.2 二層建設的作用 二層建設要完成哪些角色?提供哪些功能?二層建設必定是擴展一層系統的不足,將不適合在一層系統上完成的事情在二層完成。從總結的區塊鏈特性可以得出初步結論,一定是擴展這些基礎能力:公開透明、去中心化、安全性、計算能力、性能(吞吐量)、存儲、隱私等。除技術角度的基礎能力外,還有個重要的經濟學問題需要解決,就是降低成本。一層網路的執行事務綜合成本都比較高,需要二層網路降低這些成本。總結起來,爲了增加容量、降低成本、定制特性三個維度的方案都是二層建設。對定制特性,目前還不夠明顯,或經常掩藏在前兩個特性中。可以這樣理解,一層網路的特性對很多應用需求程度不同,可以在二層針對某些應用重新調整各種特性的實現度。在二層建設中,區塊鏈的基礎能力會各有取舍,會降低一些特性,甚至丟棄一些特性,而換取某些特性的顯著提高。例如:- 一些二層爲提高性能,會降低去中心化程度,會降低安全性;- 一些二層爲增加吞吐量,如閃電網絡,會改變系統結構和結算方式。- 還有一些不降低基礎特性前提下,增強某種特性,如RGB的處理方式,明顯增加隱私性和抗審查性,但增加技術實現難度。後面案例中會看到同時降低或改變幾種特性的二層建設。其中降低成本應該是所有二層建設的基本需求。### 1.3 爲什麼要做分層設計?分層設計是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,從而提高系統設計效率和可靠性。對廣泛和龐大的協議體系,使用分層有明顯好處。這樣做使人們容易理解,容易分工實現與分模塊改進等。如計算機網路中ISO/OSI的七層模型設計,但具體實現中,可以合並一些分層,如具體的網路協議TCP/IP是四層協議。協議分層的優點:1. 各層次之間獨立。某一層不需要知道下一層如何實現,只需知道該層通過層間接口提供的服務。整個問題復雜程度下降。上一層工作如何進行不影響下一層工作,每一層工作設計只要保證接口不變,可以隨意調整層內工作方式。2. 靈活性好。任何一層發生變化,只要層間接口關係不變,則其他層不受影響。某一層出現技術革新或問題時不會連累其它層工作,排除問題時只需考慮這一層單獨問題。3. 結構上可分割。各層可採用最合適技術實現。技術發展往往不對稱,層次化劃分有效避免木桶效應,不會因某方面技術不完善影響整體工作效率。4. 易於實現和維護。這種結構使實現和調試龐大復雜系統變得易於處理,因爲整個系統已被分解爲若幹相對獨立子系統。調試和維護時,可對每一層單獨調試,避免出現找不到、解決錯問題的情況。5. 促進標準化工作。因爲每一層功能及其提供的服務都有精確說明。標準化好處是可以隨意替換其中某一層,對使用和研究十分方便。分層模塊化設計思想是技術領域對待功能龐大、需多人協作、不斷改進工程項目的常見處理方法,是經過實踐檢驗、行之有效的方法。## 2. 比特幣Layer2的幾種建設思路以比特幣二層建設爲案例進行相關分析。比特幣二層有三種顯著建設路線:(1)基於鏈的擴展路線,和EVM的二層很類似,是區塊鏈結構;(2)基於分布式的路線,以閃電網絡爲代表,是分布式結構。(3)基於中心化系統的路線,以中心化索引爲代表,是中心化結構。前兩種方式都很有特點,已有一些使用的產品和探索中的產品。第一種方式因有以太坊的蓬勃發展和其他比特幣模仿鏈的探索,基於鏈的二層擴展相對更容易,可參考案例更多。第二種基於分布式的方式通常更有難度,發展也緩慢些,以閃電網絡爲代表。第三種方式很有爭議,因爲看起來不像二層建設,但似乎又完成了二層建設的功能。哪種二層建設方案更好?我們用市場檢驗結果作爲衡量標準,哪個二層網路的總鎖倉價值TVL(Total Value Locked)高,那種方案就是最優方案。隨時間和技術發展,最優方案會是個變化過程。對比特幣二層網路定義,只要依托於比特幣網路,和比特幣網路建立技術關聯,一些特性又優於比特幣一層網路,都算比特幣二層網路建設。換句話說:只要消耗BTC作爲gas,以BTC爲底層資產,擴展了比特幣性能的系統都算二層建設。依此判斷,我們應該認可第三種二層網路建設,即中心化結構的二層建設。比特幣本身技術發展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnnor籤名、MAST、Tapscript都應該爲連接一層和二層的目的而設計,不應該使用這些技術過多開發功能,因爲一層網路再怎麼擴展也不會有質的突破,必須進行二層建設。但在沒有更好用的比特幣二層產品情況下,這些連接一層和二層的技術能力,在一段時間內會被過度使用。### 2.1 基於鏈的二層建設早期比特幣模仿鏈做了多種探索,像"Colorcoin"(彩色幣)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各種擴容的比特幣模仿鏈,像BCH(Bitcoin Cash),BSV(Bitcoin SV),BTG(Bitcoin Gold);各種側鏈技術都是基於鏈的擴展建設案例,可以說是廣義上的二層。包括以太坊,也是基於比特幣的改進探索。Vitalik在說服其他項目團隊無果情況下,針對比特幣的不完美:UTXO的無帳號系統,執行語言的非圖靈完備,可擴展性差等問題,自己組建團隊發布白皮書,開發新一代區塊鏈系統。以太坊的這種探索雖然不是比特幣上直接的二層建設,但從廣義上是一種基於鏈的建設探索。以太坊對比特幣不完善的改進探索,以及以太坊上二層的發展與驗證,給了比特幣上基於鏈的二層網路發展的參考案例。各種Rollup方案,跨鏈方案,消息通道技術,以及以太坊本身的分片技術,使得以太坊技術生態蓬勃,使不少人一度認爲公鏈發展方向和未來已確定,以太坊爲代表的生態已勝出,其實這也是基於鏈的二層建設相對成熟的一種表現。但基於鏈的二層建設只是二層建設的一種方式,它有自身優缺點,還需要其他二層技術來完善整個二層生態。比特幣中基於鏈的二層建設,大致包含兩種典型鏈類型,一種是兼容EVM的帳號模型,一種是類比特幣的UTXO模型。已有案例(我們用廣義二層定義)包括:像以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等都是EVM的帳號模型,像CKB(Nervos),Chia都是UTXO模型。此外,已在以太坊上成功的二層項目,也會加入到基於鏈的比特幣二層建設中。對這些以太坊上的二層項目方,改造成比特幣上二層的工作量和挑戰會更少些。在以太坊的rollup成熟與模塊化的發展和理論成果上,這種方式的二層建設會成爲擴容討論的主流,也是見效最快的方案。這種改造會有多大成功?還有待發展檢驗。可以從這種基於鏈的二層建設的優缺點做些初步判斷。**基於鏈的二層建設的優缺點有哪些?
比特幣二層網路全解析：原理、分類與發展趨勢
比特幣二層網路的基礎知識體系
比特幣銘文的興起爲比特幣生態帶來新的生機,讓更多人重新關注比特幣。有人認爲這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的衆多技術發展中,二層建設是重中之重。本文借鑑網上知名文章、與多位朋友交流,以及團隊在Web3產品設計與開發中的探索經歷,總結了比特幣二層的基礎知識。
區塊鏈世界以比特幣爲開局,以比特幣生態爲終局。以太坊也可視爲比特幣的一種側鏈技術探索。
本文中"二層建設"和"二層網路建設"概念通用。二層建設是更廣泛的概念,但爲適應業內常用說法,也會使用"二層網路建設"。
1. 二層Layer2的使命
爲理解比特幣二層建設需要解決的基本問題,我們先從區塊鏈系統的基礎特性開始。
1.1 區塊鏈的基礎特性和需求
本文使用Vitalik提出的概念:區塊鏈是一臺"世界計算機"。從這個角度理解區塊鏈的多種特性會更清晰。後面還會依據計算機的馮諾依曼結構分析這個"世界計算機"的發展可能性。
區塊鏈的基礎特性包括:
公開透明:區塊鏈"世界計算機"的數據存儲和執行指令特點,也是全球分布式節點共同參與計算的內部需求。滿足了使用者對數據的知情權。
去中心化:區塊鏈"世界計算機"的架構特性。去中心化程度和容錯性由拜佔庭將軍理論支持。去中心化程度是區塊鏈安全性的重要指標。
安全性:由"世界計算機"架構特性產生的內部需求和使用者需要的外部需求共同組成。微觀層面由密碼學技術保證,宏觀層面由去中心化架構保證。
計算能力:區塊鏈"世界計算機"的主要功能。通常用圖靈完備性來衡量。一些鏈爲保持主要特性,故意設計成圖靈不完備。
性能:在計算能力相同情況下,考察區塊鏈"世界計算機"的另一項主要能力。一般用TPS(每秒處理的事務數)衡量。
存儲:區塊鏈作爲"世界計算機"必須具備記錄數據的能力。目前基本在區塊內存儲,更專業的區塊外鏈上存儲還在發展中。
隱私:要求在計算和存儲過程中保持數據生產者和使用者的權限範圍(包括抗審查性)。主要由使用者的外部需求驅動。
還有個綜合指標可擴展性,指整個架構的可擴展性,影響多數基礎特性。在架構層面,系統的可擴展性是很重要的指標。
這些區塊鏈基礎特性大多受不可能三角形制約。如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可擴展性(Scalability)不可兼得。
在分布式系統中,類似的不可能三角形是CAP原理:一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分區容錯性(Partition tolerance)三者不可兼得。區塊鏈系統是帶有拜佔庭將軍問題的分布式系統,也適用CAP原理。
1.2 二層建設的作用
二層建設要完成哪些角色?提供哪些功能?二層建設必定是擴展一層系統的不足,將不適合在一層系統上完成的事情在二層完成。
從總結的區塊鏈特性可以得出初步結論,一定是擴展這些基礎能力:公開透明、去中心化、安全性、計算能力、性能(吞吐量)、存儲、隱私等。除技術角度的基礎能力外,還有個重要的經濟學問題需要解決,就是降低成本。一層網路的執行事務綜合成本都比較高,需要二層網路降低這些成本。
總結起來,爲了增加容量、降低成本、定制特性三個維度的方案都是二層建設。對定制特性,目前還不夠明顯,或經常掩藏在前兩個特性中。可以這樣理解,一層網路的特性對很多應用需求程度不同,可以在二層針對某些應用重新調整各種特性的實現度。
在二層建設中,區塊鏈的基礎能力會各有取舍,會降低一些特性,甚至丟棄一些特性,而換取某些特性的顯著提高。例如:
後面案例中會看到同時降低或改變幾種特性的二層建設。
其中降低成本應該是所有二層建設的基本需求。
1.3 爲什麼要做分層設計?
分層設計是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,從而提高系統設計效率和可靠性。
對廣泛和龐大的協議體系,使用分層有明顯好處。這樣做使人們容易理解,容易分工實現與分模塊改進等。如計算機網路中ISO/OSI的七層模型設計,但具體實現中,可以合並一些分層,如具體的網路協議TCP/IP是四層協議。
協議分層的優點:
各層次之間獨立。某一層不需要知道下一層如何實現,只需知道該層通過層間接口提供的服務。整個問題復雜程度下降。上一層工作如何進行不影響下一層工作,每一層工作設計只要保證接口不變,可以隨意調整層內工作方式。
靈活性好。任何一層發生變化,只要層間接口關係不變,則其他層不受影響。某一層出現技術革新或問題時不會連累其它層工作,排除問題時只需考慮這一層單獨問題。
結構上可分割。各層可採用最合適技術實現。技術發展往往不對稱,層次化劃分有效避免木桶效應,不會因某方面技術不完善影響整體工作效率。
易於實現和維護。這種結構使實現和調試龐大復雜系統變得易於處理,因爲整個系統已被分解爲若幹相對獨立子系統。調試和維護時,可對每一層單獨調試,避免出現找不到、解決錯問題的情況。
促進標準化工作。因爲每一層功能及其提供的服務都有精確說明。標準化好處是可以隨意替換其中某一層,對使用和研究十分方便。
分層模塊化設計思想是技術領域對待功能龐大、需多人協作、不斷改進工程項目的常見處理方法,是經過實踐檢驗、行之有效的方法。
2. 比特幣Layer2的幾種建設思路
以比特幣二層建設爲案例進行相關分析。比特幣二層有三種顯著建設路線:
(1)基於鏈的擴展路線,和EVM的二層很類似,是區塊鏈結構;
(2)基於分布式的路線,以閃電網絡爲代表,是分布式結構。
(3)基於中心化系統的路線,以中心化索引爲代表,是中心化結構。
前兩種方式都很有特點,已有一些使用的產品和探索中的產品。第一種方式因有以太坊的蓬勃發展和其他比特幣模仿鏈的探索,基於鏈的二層擴展相對更容易,可參考案例更多。第二種基於分布式的方式通常更有難度,發展也緩慢些,以閃電網絡爲代表。第三種方式很有爭議,因爲看起來不像二層建設,但似乎又完成了二層建設的功能。
哪種二層建設方案更好?我們用市場檢驗結果作爲衡量標準,哪個二層網路的總鎖倉價值TVL(Total Value Locked)高,那種方案就是最優方案。隨時間和技術發展,最優方案會是個變化過程。
對比特幣二層網路定義,只要依托於比特幣網路,和比特幣網路建立技術關聯,一些特性又優於比特幣一層網路,都算比特幣二層網路建設。換句話說:只要消耗BTC作爲gas,以BTC爲底層資產,擴展了比特幣性能的系統都算二層建設。依此判斷,我們應該認可第三種二層網路建設,即中心化結構的二層建設。
比特幣本身技術發展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnnor籤名、MAST、Tapscript都應該爲連接一層和二層的目的而設計,不應該使用這些技術過多開發功能,因爲一層網路再怎麼擴展也不會有質的突破,必須進行二層建設。但在沒有更好用的比特幣二層產品情況下,這些連接一層和二層的技術能力,在一段時間內會被過度使用。
2.1 基於鏈的二層建設
早期比特幣模仿鏈做了多種探索,像"Colorcoin"(彩色幣)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各種擴容的比特幣模仿鏈,像BCH(Bitcoin Cash),BSV(Bitcoin SV),BTG(Bitcoin Gold);各種側鏈技術都是基於鏈的擴展建設案例,可以說是廣義上的二層。
包括以太坊,也是基於比特幣的改進探索。Vitalik在說服其他項目團隊無果情況下,針對比特幣的不完美:UTXO的無帳號系統,執行語言的非圖靈完備,可擴展性差等問題,自己組建團隊發布白皮書,開發新一代區塊鏈系統。以太坊的這種探索雖然不是比特幣上直接的二層建設,但從廣義上是一種基於鏈的建設探索。
以太坊對比特幣不完善的改進探索,以及以太坊上二層的發展與驗證,給了比特幣上基於鏈的二層網路發展的參考案例。各種Rollup方案,跨鏈方案,消息通道技術,以及以太坊本身的分片技術,使得以太坊技術生態蓬勃,使不少人一度認爲公鏈發展方向和未來已確定,以太坊爲代表的生態已勝出,其實這也是基於鏈的二層建設相對成熟的一種表現。但基於鏈的二層建設只是二層建設的一種方式,它有自身優缺點,還需要其他二層技術來完善整個二層生態。
比特幣中基於鏈的二層建設,大致包含兩種典型鏈類型,一種是兼容EVM的帳號模型,一種是類比特幣的UTXO模型。已有案例(我們用廣義二層定義)包括:像以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等都是EVM的帳號模型,像CKB(Nervos),Chia都是UTXO模型。
此外,已在以太坊上成功的二層項目,也會加入到基於鏈的比特幣二層建設中。對這些以太坊上的二層項目方,改造成比特幣上二層的工作量和挑戰會更少些。在以太坊的rollup成熟與模塊化的發展和理論成果上,這種方式的二層建設會成爲擴容討論的主流,也是見效最快的方案。
這種改造會有多大成功?還有待發展檢驗。可以從這種基於鏈的二層建設的優缺點做些初步判斷。
**基於鏈的二層建設的優缺點有哪些?