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注入了新的活力,引發了人們對比特幣的重新關注。有觀點認爲,這打開了比特幣生態的潘多拉魔盒。在比特幣生態的技術發展中,二層建設是重中之重。本文借鑑了一些知名文章和與多位朋友的交流,結合團隊在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。希望能拋磚引玉,吸引更多人完善相關思路,推動這個領域的發展。

區塊鏈世界始於比特幣,也將以比特幣生態爲終局。以太坊本質上也是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,後者相對狹義,前者更廣泛。爲適應業內常用表述,本文也會使用"二層網路建設"概念。

1. 二層Layer2的使命

要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

本文採用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。後面還會依據馮諾依曼結構分析這個"世界計算機"的發展可能性。

我們先總結一些基礎特性:

公開透明: 這是區塊鏈這臺"世界計算機"的數據存儲和執行指令特點,也是需要全球衆多分布式節點共同參與計算的內部需求特性。這個特點滿足了使用者對數據的知情權,是這臺"世界計算機"本身的內部協作要求和使用者外部需求的共同結果。

去中心化: 這是這臺"世界計算機"的架構特性,去中心化程度和容錯性在理論上都基於拜佔庭將軍理論。非拜佔庭系統從理論上都不是區塊鏈系統。去中心化程度是區塊鏈安全性的重要指標,也是某些特性的基礎。

安全性: 安全性由這臺"世界計算機"的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。從微觀層面由密碼學相關技術保證,從宏觀層面由架構的去中心化保證,從而防止因微觀數據僞造或宏觀架構破壞而影響這臺"世界計算機"的安全性。

計算能力: 區塊鏈這臺世界計算機的主要功能是計算能力。通常用是否圖靈完備來衡量。一些鏈爲保持主要特性,故意設計成圖靈不完備。如比特幣網路,中本聰不僅讓其代碼指令不圖靈完備,還刪減了一些指令集,以保持其穩定性和安全性。所有圖靈完備技術都是爲了擴展區塊鏈的計算能力。從分層設計思想看,簡單系統更適合做底層。

性能: 在計算能力相同的情況下,性能是考察區塊鏈這個世界計算機的另一項主要能力。一般用TPS(每秒處理的事務數量)來衡量。

存儲: 區塊鏈作爲"世界計算機",必然具備存儲功能,即記錄數據的能力。目前基本都在區塊內存儲,更專業的區塊外鏈上存儲還在發展中。

隱私: 隱私是"世界計算機"中的細分需求,即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。這主要由使用者的外部需求驅動。

還有個綜合指標可擴展性,一般指整個架構的可擴展性,這個特性影響多數基礎特性,在架構層面是很重要的指標。其他還有連接能力等特定場景的能力,在此不過多討論。

在這些區塊鏈基礎特性中,大多由不可能三角形制約相互發展關係。如DSS猜想,即去中心化(Decentralization,D)、安全性(Security,S)和可擴展性(Scalability,S)。

在分布式系統中,類似的不可能三角形是CAP原理,指在一個分布式系統中一致性(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,所以也適用於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?二層建設一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,在二層建設上完成。

從上面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。除了這些技術角度的基礎能力,還有一個很重要的經濟學問題需要解決,就是降低成本。通常一層網路執行事務的綜合成本較高,需要使用二層網路降低這些成本。

總結成一句話就是爲了增加容量、降低成本、定制特性三個維度的方案都是二層建設。對於定制特性,目前還不夠明顯,或者經常掩藏在前兩個特性中。我們可以這樣理解,一層網路的特性對於很多應用,需要的程度不同,可以在二層上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。還有一些會在不降低基礎特性的前提下,增強了某種特性,例如RGB的處理方式,明顯增加了隱私性和抗審查性,但增加了技術實現難度。在後面的案例中,我們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?

分層設計是一種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,從而提高系統的設計效率和可靠性。

對於一項廣泛和龐大的協議體系,使用分層會有明顯好處。這樣做使人們容易理解,容易分工實現與容易分模塊改進等優點。如計算機網路中的ISO/OSI七層模型設計,但在具體實現中,可以合並一些分層,例如,具體的網路協議TCP/IP是四層協議。

具體說協議分層的優點:

1.各層次之間是獨立的。某一層並不需要知道它的下一層是如何實現的,而僅僅需要知道該層通過層間的接口所提供的服務。這樣,整個問題的復雜程度就下降了。也就是說上一層的工作如何進行並不影響下一層的工作,這樣我們在進行每一層的工作設計時只要保證接口不變,可以隨意調整層內的工作方式。

2.**靈活性好。**當任何一層發生變化時,只要層間接口關係保持不變,則在這層以上或以下層均不受影響。當某一層出現技術革新或者某一層在工作中出現問題時不會連累到其它層的工作,排除問題時也只需要考慮這一層單獨的問題即可。

3.**結構上可分割開。**各層都可以採用最合適的技術來實現。技術的發展往往不對稱的,層次化的劃分有效避免了木桶效應,不會因爲某一方面技術的不完善而影響整體的工作效率。

4.**易於實現和維護。**這種結構使得實現和調試一個龐大又復雜的系統變得易於處理,因爲整個的系統已經被分解爲若幹個相對獨立的子系統。進行調試和維護時,可以對每一層進行單獨的調試,避免了出現找不到、解決錯問題的情況。

5.**能促進標準化工作。**因爲每一層的功能及其所提供的服務都已有了精確的說明。標準化的好處就是可以隨意替換其中的某一層,對於使用和研究來說十分方便。

分層模塊化設計思想是技術領域對待一項功能龐大,需要多人協作,並不斷改進工程項目的常見處理方法,並且是經過實踐檢驗,行之有效的方法。

2. 比特幣Layer2的幾種建設思路

比特幣的二層有三種顯著的建設路線:

(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,是中心化的結構。

前兩種方式都很有特點,已經有一些在使用的產品和探索中的產品。對於第一種方式,因爲有了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,發展也緩慢一些,以閃電網絡爲代表。第三種方式很有爭議,因爲看起來不像一個二層建設,但似乎又完成了二層建設的功能。

哪一種二層建設方案更好?我們用總鎖倉價值TVL(Total Value Locked)作爲衡量標準,哪個二層網路的TVL高,那種方案就是最優方案。隨着時間和技術的發展,這種最優方案會是一個變化的過程。

對於比特幣的二層網路定義,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的一層網路,都算比特幣的二層網路建設。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。依據這個判斷,我們應該會認可第三種二層網路建設,即中心化結構的二層建設。

比特幣本身技術的發展,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的開發功能,因爲一層網路再怎麼擴展也不會有質的突破,必須要進行二層建設。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的使用。

2.1 基於鏈的二層建設

早期的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,可以說是一種廣義上的二層。

以太坊也是一種基於比特幣的改進探索。Vitalik在說服其他項目團隊無果的情況下,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,開發新一代的區塊鏈系統。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。

以太坊對於比特幣不完善的改