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新的生机,让更多人重新关注比特币。有人认为这打开了比特币生态的潘多拉魔盒。在比特币生态的众多技术发展中,二层建设是重中之重。本文借鉴网上知名文章、与多位朋友交流,以及团队在Web3产品设计与开发中的探索经历,总结了比特币二层的基础知识。

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。

本文中"二层建设"和"二层网络建设"概念通用。二层建设是更广泛的概念,但为适应业内常用说法,也会使用"二层网络建设"。

1. 二层Layer2的使命

为理解比特币二层建设需要解决的基本问题,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

本文使用Vitalik提出的概念:区块链是一台"世界计算机"。从这个角度理解区块链的多种特性会更清晰。后面还会依据计算机的冯诺依曼结构分析这个"世界计算机"的发展可能性。

区块链的基础特性包括:

• 公开透明:区块链"世界计算机"的数据存储和执行指令特点,也是全球分布式节点共同参与计算的内部需求。满足了使用者对数据的知情权。

• 去中心化:区块链"世界计算机"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"世界计算机"架构特性产生的内部需求和使用者需要的外部需求共同组成。微观层面由密码学技术保证,宏观层面由去中心化架构保证。

• 计算能力:区块链"世界计算机"的主要功能。通常用图灵完备性来衡量。一些链为保持主要特性,故意设计成图灵不完备。

• 性能:在计算能力相同情况下,考察区块链"世界计算机"的另一项主要能力。一般用TPS(每秒处理的事务数)衡量。

• 存储:区块链作为"世界计算机"必须具备记录数据的能力。目前基本在区块内存储,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(包括抗审查性)。主要由使用者的外部需求驱动。

还有个综合指标可扩展性,指整个架构的可扩展性,影响多数基础特性。在架构层面,系统的可扩展性是很重要的指标。

这些区块链基础特性大多受不可能三角形制约。如DSS猜想:去中心化(Decentralization)、安全性(Security)和可扩展性(Scalability)不可兼得。

在分布式系统中,类似的不可能三角形是CAP原理:一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition tolerance)三者不可兼得。区块链系统是带有拜占庭将军问题的分布式系统,也适用CAP原理。

1.2 二层建设的作用

二层建设要完成哪些角色?提供哪些功能?二层建设必定是扩展一层系统的不足,将不适合在一层系统上完成的事情在二层完成。

从总结的区块链特性可以得出初步结论,一定是扩展这些基础能力:公开透明、去中心化、安全性、计算能力、性能(吞吐量)、存储、隐私等。除技术角度的基础能力外,还有个重要的经济学问题需要解决,就是降低成本。一层网络的执行事务综合成本都比较高,需要二层网络降低这些成本。

总结起来,为了增加容量、降低成本、定制特性三个维度的方案都是二层建设。对定制特性,目前还不够明显,或经常掩藏在前两个特性中。可以这样理解,一层网络的特性对很多应用需求程度不同,可以在二层针对某些应用重新调整各种特性的实现度。

在二层建设中,区块链的基础能力会各有取舍,会降低一些特性,甚至丢弃一些特性,而换取某些特性的显著提高。例如:

• 一些二层为提高性能,会降低去中心化程度,会降低安全性;
• 一些二层为增加吞吐量,如闪电网络,会改变系统结构和结算方式。
• 还有一些不降低基础特性前提下,增强某种特性,如RGB的处理方式,明显增加隐私性和抗审查性,但增加技术实现难度。

后面案例中会看到同时降低或改变几种特性的二层建设。

其中降低成本应该是所有二层建设的基本需求。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是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,从而提高系统设计效率和可靠性。

对广泛和庞大的协议体系,使用分层有明显好处。这样做使人们容易理解,容易分工实现与分模块改进等。如计算机网络中ISO/OSI的七层模型设计,但具体实现中,可以合并一些分层,如具体的网络协议TCP/IP是四层协议。

协议分层的优点:

1. 各层次之间独立。某一层不需要知道下一层如何实现,只需知道该层通过层间接口提供的服务。整个问题复杂程度下降。上一层工作如何进行不影响下一层工作,每一层工作设计只要保证接口不变,可以随意调整层内工作方式。

2. 灵活性好。任何一层发生变化,只要层间接口关系不变,则其他层不受影响。某一层出现技术革新或问题时不会连累其它层工作,排除问题时只需考虑这一层单独问题。

3. 结构上可分割。各层可采用最合适技术实现。技术发展往往不对称,层次化划分有效避免木桶效应,不会因某方面技术不完善影响整体工作效率。

4. 易于实现和维护。这种结构使实现和调试庞大复杂系统变得易于处理,因为整个系统已被分解为若干相对独立子系统。调试和维护时,可对每一层单独调试,避免出现找不到、解决错问题的情况。

5. 促进标准化工作。因为每一层功能及其提供的服务都有精确说明。标准化好处是可以随意替换其中某一层,对使用和研究十分方便。

分层模块化设计思想是技术领域对待功能庞大、需多人协作、不断改进工程项目的常见处理方法,是经过实践检验、行之有效的方法。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

以比特币二层建设为案例进行相关分析。比特币二层有三种显著建设路线:

(1)基于链的扩展路线,和EVM的二层很类似,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。

前两种方式都很有特点,已有一些使用的产品和探索中的产品。第一种方式因有以太坊的蓬勃发展和其他比特币模仿链的探索,基于链的二层扩展相对更容易,可参考案例更多。第二种基于分布式的方式通常更有难度,发展也缓慢些,以闪电网络为代表。第三种方式很有争议,因为看起来不像二层建设,但似乎又完成了二层建设的功能。

哪种二层建设方案更好?我们用市场检验结果作为衡量标准,哪个二层网络的总锁仓价值TVL(Total Value Locked)高,那种方案就是最优方案。随时间和技术发展,最优方案会是个变化过程。

对比特币二层网络定义,只要依托于比特币网络,和比特币网络建立技术关联,一些特性又优于比特币一层网络,都算比特币二层网络建设。换句话说:只要消耗BTC作为gas,以BTC为底层资产,扩展了比特币性能的系统都算二层建设。依此判断,我们应该认可第三种二层网络建设,即中心化结构的二层建设。

比特币本身技术发展,如修改OP_RETURN、Taproot、Schnnor签名、MAST、Tapscript都应该为连接一层和二层的目的而设计,不应该使用这些技术过多开发功能,因为一层网络再怎么扩展也不会有质的突破,必须进行二层建设。但在没有更好用的比特币二层产品情况下,这些连接一层和二层的技术能力,在一段时间内会被过度使用。

2.1 基于链的二层建设

早期比特币模仿链做了多种探索,像"Colorcoin"(彩色币)、"CovertCoins"和"MasterCoin";各种扩容的比特币模仿链,像BCH(Bitcoin Cash),BSV(Bitcoin SV),BTG(Bitcoin Gold);各种侧链技术都是基于链的扩展建设案例,可以说是广义上的二层。

包括以太坊,也是基于比特币的改进探索。Vitalik在说服其他项目团队无果情况下,针对比特币的不完美:UTXO的无账号系统,执行语言的非图灵完备,可扩展性差等问题,自己组建团队发布白皮书,开发新一代区块链系统。以太坊的这种探索虽然不是比特币上直接的二层建设,但从广义上是一种基于链的建设探索。

以太坊对比特币不完善的改进探索,以及以太坊上二层的发展与验证,给了比特币上基于链的二层网络发展的参考案例。各种Rollup方案,跨链方案,消息通道技术,以及以太坊本身的分片技术,使得以太坊技术生态蓬勃,使不少人一度认为公链发展方向和未来已确定,以太坊为代表的生态已胜出,其实这也是基于链的二层建设相对成熟的一种表现。但基于链的二层建设只是二层建设的一种方式,它有自身优缺点,还需要其他二层技术来完善整个二层生态。

比特币中基于链的二层建设,大致包含两种典型链类型,一种是兼容EVM的账号模型,一种是类比特币的UTXO模型。已有案例(我们用广义二层定义)包括:像以太坊、Polygon、Bsc、Arbitrum等都是EVM的账号模型,像CKB(Nervos),Chia都是UTXO模型。

此外,已在以太坊上成功的二层项目,也会加入到基于链的比特币二层建设中。对这些以太坊上的二层项目方,改造成比特币上二层的工作量和挑战会更少些。在以太坊的rollup成熟与模块化的发展和理论成果上,这种方式的二层建设会成为扩容讨论的主流,也是见效最快的方案。

这种改造会有多大成功?还有待发展检验。可以从这种基于链的二层建设的优缺点做些初步判断。

**基于链的二层建设的优缺点有哪些?