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了新的生机，让更多人重新关注比特币。有观点认为这打开了比特币生态的潘多拉魔盒。在比特币生态的技术发展中,二层建设至关重要。本文总结了比特币二层的基础知识,希望能引发更多人完善相关思路,推动这个领域的发展。

有观点认为,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"视为同一概念,后者相对狭义,前者更广泛。为适应业内常用说法,文中也会使用"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

我们用Vitalik提出的概念:"区块链是一台世界计算机"来理解区块链的多种特性。后面还会用计算机的冯诺依曼结构来分析这个"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:区块链的数据存储和执行指令特点,也是分布式节点协作的内部需求。满足了使用者对数据的知情权。

• 去中心化:区块链的架构特性,程度和容错性由拜占庭将军理论支持。是安全性的重要指标。

• 安全性:由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。微观由密码学保证,宏观由去中心化保证。

• 计算能力:主要功能之一,通常用图灵完备性衡量。部分链为保持特性故意设计成非图灵完备。

• 性能:在计算能力相同情况下的主要能力指标,通常用TPS衡量。

• 存储:记录数据的能力,目前主要在区块内存储。

• 隐私:在计算和存储过程中保持数据权限范围的需求,包括抗审查性。

这些特性多受"不可能三角形"制约,如DSS猜想(去中心化、安全性、可扩展性)和CAP原理(一致性、可用性、分区容错性)。

1.2 二层建设的作用

二层建设主要用于扩展一层系统的不足,完成一层系统无法完成的事情。主要作用包括:

• 扩展基础能力:公开透明、去中心化、安全性、计算能力、性能、存储、隐私等
• 降低成本:一层网络执行事务的综合成本较高
• 定制特性:针对某些应用调整各种特性的实现度

总结为增加容量、降低成本、定制特性三个维度。二层建设会权衡各种基础能力,可能降低或丢弃某些特性以换取其他特性的显著提高。

1.3 为什么要做分层设计?

分层设计是处理复杂系统的方法论,通过划分层次结构实现模块化、可维护性和可扩展性。对庞大的协议体系,分层设计有以下优点:

1. 各层独立,只需关注层间接口
2. 灵活性好,单层变化不影响其他层
3. 结构可分割,各层可采用最合适技术
4. 易于实现和维护
5. 促进标准化

分层模块化设计是技术领域处理复杂、多人协作、持续改进项目的有效方法。

2. 比特币Layer2的几种建设思路

比特币的二层建设主要有三种路线:

1. 基于链的扩展路线:类似EVM的二层,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

前两种方式各有特点,已有使用和探索的产品。第一种因以太坊的发展,参考案例较多。第二种难度较大,发展较慢。第三种有争议,但也可视为二层扩展。

目前没有最优方案,需通过市场检验,看哪种方案的总锁仓价值(TVL)更高。随时间和技术发展,最优方案会变化。

只要依托比特币网络,建立技术关联,部分特性优于一层网络,都可视为比特币二层网络建设。即消耗BTC作为gas,以BTC为底层资产,扩展比特币性能的系统都算二层建设。

2.1 基于链的二层建设

早期比特币模仿链做了多种探索,如"彩色币"、各种扩容分叉链、侧链等。以太坊也可视为比特币的改进探索。

以太坊的发展为比特币基于链的二层提供了参考。各种Rollup方案、跨链方案、消息通道技术等,使以太坊生态蓬勃发展。但这只是二层建设的一种方式,还需其他技术完善整个生态。

比特币基于链的二层主要包含两种链类型:

1. 兼容EVM的账户模型:如以太坊、Polygon、BSC、Arbitrum等
2. 类比特币的UTXO模型:如Nervos CKB、Chia等

基于链的二层建设优点:

• 保持区块链大多数基础特性
• 解决图灵完备问题
• 显著降低交易费用
• 在一定程度上扩展一层网络能力
• 技术实现相对容易,已有较多探索案例
• 上层应用迁移便捷

缺点:

• 仍受区块链限制,性能提升有限
• 可能降低安全性
• 需要二层上的二层(Layer3/4)进一步扩展

预计会出现众多基于链的二层项目,在各垂直领域存在多个二层,满足不同应用需求。其价值将由上层应用数量和总价值决定。

2.2 基于分布式系统的二层建设

这类二层不是区块链结构,而是基于Channel的分布式系统。闪电网络是典型代表。

分布式系统二层分为两类:

1. 只完成价值传递:如闪电网络
2. 完成价值传递和图灵完备计算:如RGB

这类二层难度较大,涉及通道内总价值容量、事务严谨性、防二次消费等问题。发展较慢,成熟案例不多。

在Channel上实现图灵完备计算更具挑战性。如RGB协议通过客户端验证、一次性密封实现分布式系统上的图灵完备计算。

已有案例包括:闪电网络、RGB等。以太坊的Raiden Network、Plasma也属此类。

基于分布式系统的二层优点:

• 系统更去中心化
• 可容纳无数节点
• 隐私性和抗审查能力更好
• 理论上具有无限扩展性和极高性能

缺点:

• 技术实现复杂
• 路由算法、价值拆分与封装算法复杂
• 缺少工程实现经验和基础设施
• 实现图灵完备系统极具挑战

预计只会存在少数几个并行项目,因其无限扩展能力和技术难度。这类系统要求设计和理念更开放,能容纳更多人参与。基于此类二层的应用开发团队也会推动二层发展。

2.3 基于中心化系统的二层建设

如Ordinals的中心化索引结构,或某些功能节点的索引器。这种思路较少被认可,因过于中心化,对一层网络扩展有限。

基于中心化系统的二层优点:

• 系统非常成熟,有大量可用案例和优化方案
• 完全图灵完备
• 性能卓越

缺点:

• 二层极度中心化
• 所有区块链基础特性都依赖一层网络

预计只会存在少量项目,可能是阶段性存在。随基于链和分布式结构的二层成熟,大多数中心化二层可能消亡,仅留少数特定场景使用。

3. 二层建设的相关事物

3.1 一层和二层的连接技术

比特币本身的技术发展(如OP_RETURN修改、Taproot、Schnorr签名、MAST、Tapscript)应主要用于连接一层和二层,而非过多开发功能。

常见连接技术包括:

• 跨链技术
• 隔离验证技术
• 侧链技术
• State Channel技术
• Plasma技术

连接技术的好坏可参考以下指标:

• 一层能否对二层交易做验证
• 一层资产能否在二层崩溃时顺利逃生
• 连接技术是否降低系统某些特性

3.2 参考冯诺依曼结构看区块链发展

既然区块链是"世界计算机",可与传统计算机的冯诺依曼结构对比分析。

区块链系统发展规律与传统计算机类似,目前处于类似286之前的阶段,还在扩充处理能力和存储能力,能做的事情有限。

对比传统计算机与"世界计算机"发展:

1. CPU扩展类比当前一层和二层计算能力与吞吐量扩展
2. 存储器扩展从竞争链上空间到使用专业区块链存储
3. 输入输出设备类比预言机,在上层应用中需求更多
4. 特殊链和功能类比GPU、专用设备卡等
5. 链上应用和上层应用类比操作系统与应用软件的演化
6. 应用从金融逐步扩展到更广泛领域,类似传统计算机从科研军事到企业家庭个人

4. 当前比特币的Layer2建设情况

4.1 已运行的比特币二层项目

1. 闪电网络(Lightning Network):基于分布式的二层建设

   • 2015年提出,2018年全面实施
   • 特点:快速、低成本、可扩展
   • 通过支付通道实现链下交易
   • 面临稳定性、路由算法、用户界面等挑战

2. Liquid:基于链的二层建设

   • 2015年由Blockstream推出的侧链解决方案
   • 特点:快速交易确认、交易私密性、高吞吐量
   • 采用Confidential Transactions技术和Federated Peg技术

3. Rootstock(RSK):基于链的二层建设

   • 2015年提出,2018年正式上线
   • 特点:与比特币双向锚定、支持智能合约
   • 为比特币生态提供类似以太坊的功能

4. RGB:基于分布式+图灵完备的二层建设

   • 起源于2016年,由LNP/BP标准协会开发
   • 特点:可扩展、保密的智能合约系统
   • 基于客户端验证和一次性密封概念

5. Stacks:基于链的二层建设

   • 2013年提出,2017年进行ICO
   • 特点:去中心化身份验证、存储和智能合约功能
   • 采用"Stacking"共识机制

6. 其他新兴项目:

   • B² Network:基于ZK-Rollup的比特币二层网络