Основы второго уровня сети Биткойн

Возрождение инскрипций Биткойна принесло новую жизнь в экосистему Биткойна, привлекая внимание большего числа людей к Биткойну. Существует мнение, что это открыло пандору в экосистеме Биткойна. В техническом развитии экосистемы Биткойна построение второго уровня имеет решающее значение. В данной статье обобщены основные знания о втором уровне Биткойна, надеясь, что это вызовет у большего числа людей желание доработать соответствующие идеи и продвинуть развитие этой области.

Существует мнение, что мир блокчейна начинается с Биткойна и заканчивается экосистемой Биткойна. Эфириум также можно рассматривать как исследование технологии сайдчейна Биткойна.

В данной статье термины "вторичный уровень строительства" и "строительство вторичных сетей" рассматриваются как одно и то же понятие, при этом второй термин более узкий, а первый более широкий. Для соответствия общепринятой терминологии в отрасли, в статье также будет использоваться "строительство вторичных сетей".

1. Миссия второго уровня Layer2

Для понимания основных проблем, которые необходимо решить при строительстве второго уровня Биткойн, мы начнем с базовых характеристик блокчейн-системы.

1.1 Основные характеристики и требования к блокчейну

Мы понимаем различные характеристики блокчейна с помощью концепции, предложенной Виталиком: "Блокчейн — это мировая вычислительная машина". Позже мы также проанализируем возможности развития этой "мировой вычислительной машины" с помощью структуры фон Неймана компьютера.

Основные характеристики блокчейна включают:

• Открытость и прозрачность: характеристики хранения данных и выполнения команд в блокчейне также являются внутренними требованиями для сотрудничества распределенных узлов. Это удовлетворяет право пользователей на информацию о данных.

• Децентрализация: архитектурная особенность блокчейна, степень и отказоустойчивость поддерживается теорией византийских генералов. Это важный показатель безопасности.

• Безопасность: состоит из внутренних требований, обусловленных архитектурными особенностями, и внешних требований, необходимых пользователям. На микроуровне обеспечивается криптографией, на макроуровне — децентрализацией.

• Вычислительная мощность: одна из основных функций, обычно измеряемая с помощью тьюринговой полноты. Некоторые цепочки намеренно спроектированы как нетьюринговые, чтобы сохранить свои характеристики.

• Производительность: основные показатели способности при одинаковой вычислительной мощности, обычно измеряемые в TPS.

• Хранение: способность записывать данные, в настоящее время в основном хранится в блоках.

• Приватность: необходимость поддерживать пределы прав на данные в процессе вычислений и хранения, включая устойчивость к цензуре.

Эти характеристики в значительной степени ограничены "невозможным треугольником", таким как гипотеза DSS (, децентрализация, безопасность, масштабируемость ) и принцип CAP ( согласованность, доступность, устойчивость к разделению ).

1.2 Роль строительства второго уровня

Строительство второго уровня в основном предназначено для расширения недостатков системы первого уровня, выполнения задач, которые не могут быть выполнены системой первого уровня. Основные функции включают:

• Расширенные базовые возможности: открытость и прозрачность, децентрализация, безопасность, вычислительная способность, производительность, хранение, конфиденциальность и т.д.
• Снижение затрат: общая стоимость выполнения транзакций в одном уровне сети довольно высока
• Настраиваемые характеристики: настройка степени реализации различных характеристик для определенных приложений

Сводится к трем измерениям: увеличение емкости, снижение затрат, индивидуальные характеристики. Строительство второго уровня будет взвешивать различные базовые возможности, возможно, снижая или отказываясь от некоторых характеристик в обмен на значительное улучшение других.

1.3 Почему нужно делать многослойный дизайн?

Модульная архитектура — это методология обработки сложных систем, которая достигается путем разделения на уровни для реализации модульности, поддерживаемости и расширяемости. Для обширной системы протоколов модульная архитектура имеет следующие преимущества:

1. Каждый уровень независим, нужно сосредоточиться только на интерфейсах между уровнями.
2. Хорошая гибкость, изменения в одном слое не влияют на другие слои
3. Структура может быть разделена, и каждый уровень может использовать наиболее подходящие технологии
4. Легко реализовать и поддерживать
5. Продвижение стандартизации

Слоистый модульный дизайн является эффективным методом для обработки сложных проектов в технической области, требующих многопользовательского сотрудничества и постоянного улучшения.

2. Несколько подходов к строительству Layer2 для Биткойн

Строительство второго уровня Биткойна в основном имеет три направления:

1. Расширение на основе цепочки: подобно EVM второго уровня, это структура блокчейна
2. Дистрибутивный маршрут: представленным сетью Lightning, это распределенная структура
3. Маршрут на основе централизованной системы: представленный централизованным индексом, это централизованная структура

У первых двух способов есть свои особенности, уже существуют продукты, которые их используют и исследуют. Первый способ имеет больше примеров, благодаря развитию Эфириума. Второй способ сложнее и развивается медленнее. Третий способ вызывает споры, но его также можно рассматривать как расширение второго уровня.

В настоящее время нет оптимального решения, необходимо проверить на рынке, какая из схем имеет более высокую общую заблокированную ценность (TVL). С течением времени и развитием технологий оптимальные решения будут изменяться.

Всё, что основывается на сети Биткойн, имеет техническую связь и обладает некоторыми характеристиками, превосходящими уровень 1, можно рассматривать как строительство второго уровня Биткойн. То есть, системы, которые расходуют BTC в качестве газа, используют BTC в качестве базового актива и расширяют функциональность Биткойн, считаются строительством второго уровня.

2.1 Строительство второго уровня на основе блокчейна

Ранняя история Биткойна включает в себя различные эксперименты, такие как "цветные токены", различные ответвления для увеличения пропускной способности, боковые цепочки и т.д. Эфириум также можно рассматривать как улучшение Биткойна.

Развитие Эфириума стало ориентиром для второго уровня Биткойн на основе цепочки. Различные решения Rollup, кросс-цепочные решения, технологии каналов сообщений и т.д. способствовали бурному развитию экосистемы Эфириума. Но это лишь один из способов строительства второго уровня, и для завершения всей экосистемы необходимы другие технологии.

Биткойн основан на цепи второго уровня, которая в основном включает два типа цепей:

1. Совместимая с EVM модель учетной записи: такие как Эфириум, Polygon, BSC, Arbitrum и другие
2. Аналогичная модель UTXO Биткойна: такие как Nervos CKB, Chia и другие

Преимущества построения второго уровня на основе цепочки:

• Сохранить большинство основных характеристик блокчейна
• Решение проблемы полной вычислимости
• Значительно снизить торговые издержки
• В определенной степени расширить сетевые возможности
• Техническая реализация относительно проста, уже имеется много исследовательских примеров
• Удобная миграция верхних приложений

Недостатки:

• Все еще ограничено блокчейном, возможности повышения производительности ограничены
• Может снизить безопасность
• Нужно дальнейшее расширение второго уровня на втором уровне (Layer3/4)

Ожидается появление множества вторичных проектов на базе блокчейна, в различных вертикальных областях будет существовать несколько вторичных уровней, удовлетворяющих различные потребности в приложениях. Их ценность будет определяться количеством верхнего уровня приложений и общей ценностью.

2.2 Построение второго уровня на основе распределенных систем

Этот тип второго уровня не является блокчейн-структурой, а представляет собой распределенную систему, основанную на каналах. Сеть Lightning является典型代表.

Распределенные системы второго уровня делятся на два типа:

1. Только завершение передачи стоимости: например, сеть Lightning
2. Завершение передачи стоимости и вычислений с полным набором Тьюринга: например, RGB

Этот тип второго уровня имеет высокую сложность, включает в себя проблемы общей ценности канала, строгости транзакций и предотвращения повторного расходования. Развивается медленно, зрелых примеров не так много.

Реализация вычислений с полным набором Тьюринга на канале более сложна. Например, протокол RGB достигает вычислений с полным набором Тьюринга на распределенных системах через клиентскую проверку и одноразовую упаковку.

Существуют примеры, такие как: Сеть молний, RGB и т.д. Сеть Raiden Ethereum и Plasma также относятся к этой категории.

Преимущества второго уровня, основанные на распределенных системах:

• Система более децентрализована
• Может вместить бесчисленное количество узлов
• Лучше конфиденциальность и устойчивость к цензуре
• Теоретически обладает бесконечной масштабируемостью и высокой производительностью

Недостатки:

• Техническая реализация сложна
• Алгоритмы маршрутизации, разделение стоимости и алгоритмы упаковки сложны
• Отсутствие опыта реализации проектов и инфраструктуры
• Реализация системы с полной вычислительной способностью представляет собой большую задачу

Ожидается, что будут существовать лишь несколько параллельных проектов из-за их бесконечной способности к масштабированию и технической сложности. Такие системы требуют более открытого дизайна и концепции, чтобы вовлечь больше людей в участие. На основе таких вторичных приложений команды разработчиков также будут способствовать развитию второго уровня.

2.3 Строительство второго уровня на основе централизованной системы

Такая централизованная индексная структура, как у Ordinals, или индексатор некоторых функциональных узлов. Эта идея признается менее распространенной из-за своей чрезмерной централизованности и ограниченной возможности масштабирования на уровне сети.

Преимущества второго уровня на основе централизованных систем:

• Система очень зрелая, есть множество доступных примеров и оптимизационных решений
• Полностью тьюрингово полно
• Высокая производительность

Недостатки:

• Второй уровень сильно централизован
• Все основные характеристики блокчейна зависят от уровня сети

Ожидается, что будет существовать лишь небольшое количество проектов, возможно, на временной основе. С развитием зрелых вторичных слоев, основанных на блокчейне и распределенной структуре, большинство централизованных вторичных слоев могут исчезнуть, оставив лишь несколько специфических сценариев использования.

3. Вопросы, связанные со строительством второго уровня

3.1 Технология соединения первого и второго уровней

Техническое развитие Биткойна (, такое как изменение OP_RETURN, Taproot, подписи Шнорра, MAST, Tapscript ), должно в первую очередь использоваться для соединения первого и второго уровней, а не для чрезмерной разработки функций.

Распространенные технологии подключения включают:

• Кроссчейн технологии
• Изолированная верификация технологии
• Технология сайдчейна
• Технология State Channel
• Технология Plasma

Качество технологии соединения можно оценить по следующим показателям:

• Может ли первый уровень проверять транзакции второго уровня
• Может ли актив первого уровня благополучно спастись в случае краха второго уровня
• Уменьшает ли технология подключения некоторые характеристики системы

3.2 С точки зрения структуры фон Неймана, рассматриваем развитие блокчейна

Раз уж блокчейн является "мировым компьютером", его можно сравнить с традиционной архитектурой фон Неймана.

Развитие блокчейн-систем схоже с традиционными компьютерами, в настоящее время оно находится на стадии, аналогичной ситуации до 286, и продолжает расширять свою вычислительную и память, возможности ограничены.

Сравнение развития традиционных компьютеров и "мирового компьютера":

1. Расширение CPU аналогично расширению вычислительной мощности и пропускной способности первого и второго уровней.
2. Расширение памяти от конкурентной цепи до использования специализированного блокчейн-хранилища
3. Вводно-выводные устройства подобны оракулам, в верхних приложениях требуется больше.
4. Специальные цепочки и функциональные аналогии, такие как GPU, специализированные карты устройств и т. д.
5. Ончейн-приложения и приложения верхнего уровня аналогичны эволюции операционных систем и прикладного программного обеспечения
6. Применение постепенно расширяется от финансов к более широким областям, аналогично тому, как традиционные компьютеры переходят от научных исследований и военных нужд к бизнесу, домам и личным потребностям.

4. Текущая ситуация с развитием Layer2 Биткойна

4.1 Запущенные проекты второго уровня Биткойн

1. Сеть Lightning (Lightning Network): основана на распределенном построении второго уровня

   • Предложен в 2015 году, полностью реализован в 2018 году
   • Характеристики: быстрый, низкие затраты, масштабируемость
   • Реализация оффлайн-транзакций через платежный канал
   • Столкновение с проблемами стабильности, алгоритма маршрутизации, пользовательского интерфейса и т.д.

2. Liquid: строительство второго уровня на основе цепочки

   • Решение по сайдчейнам, представленное Blockstream в 2015 году
   • Характеристики: быстрая проверка транзакций, конфиденциальность транзакций, высокая пропускная способность
   • Использование технологий Конфиденциальных Транзакций и Федеративного Пега

3. Rootstock(RSK): построение второго уровня на основе цепочки

   • В 2015 году предложено, в 2018 году официально запущено
   • Особенности: двусторонняя привязка к Биткойну, поддержка смарт-контрактов
   • Предоставить функции, аналогичные Эфиру, для экосистемы Биткойна

4. RGB: построение второго уровня на основе распределённых технологий и полноты Тьюринга

   • Происходит с 2016 года, разработан ассоциацией стандартов LNP/BP
   • Особенности: масштабируемая, конфиденциальная система смарт-контрактов
   • На основе концепции клиентской проверки и одноразового запечатывания

5. Stacks: Строительство второго уровня на основе цепочки

   • предложен в 2013 году, проведен ICO в 2017 году
   • Особенности: децентрализованная аутентификация, хранение и функции смарт-контрактов
   • Использование механизма консенсуса "Stacking"

6. Другие новые проекты:

   • B² Network:Биткойн второго уровня на основе ZK-Rollup