一文梳理比特币Layer2建设的基础知识体系V1.5版

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本文总结了比特币二层建设的基础知识,包括区块链的特性和需求,如公开透明、去中心化、安全性和计算能力。V1.5版本做了一些修改,旨在帮助读者更好地理解和学习这一领域。二层建设旨在增加容量、降低成本、定制特性,有基于链、分布式和中心化三种路线。随着比特币二层技术的发展,将为Mass Adoption打下坚实基础,吸引更多新用户进入Web3.0领域。

摘要由 Mars AI 生成
本摘要由 Mars AI 模型生成,其生成内容的准确性、完整性还处于迭代更新阶段。

原文作者:付少庆,SatoshiLab,万物岛 BTC 工作室

原文来源:Odaily星球日报

V1.5 版本修改注释: 

(1)《一文梳理比特币二层(Layer 2)建设的基础知识体系 V1.0 版》发表于 2024 年 2 月份,经过三月份写作《从一个状 态机的角度观察比特币二层,可以得到更多的思考与结论》文章,得出了一些不同二层的特征总结,归纳到基础知识体系中会 便于阅读,于是发布了 V1.5 版本内容。 

(2)修改了一些细节的文字表达内容,如一层与二层的连接技术。 

(3)因为经常有争议,把 2.4 节中的关于 Centralised,Decentralised,Distributed 三个概念做了更加细致的说明。 

(4)把 2.4 节中的第二张图片做了完善和修改,使其对比更清晰。 

(5)增加了 2.5 节,区块链的基础特性与三种 Layer 2 建设的特点总结,这样更容易理解如果使用多种组合结构。

比特币铭文的兴起,给比特币生态带来了新的生机,让更多的人开始重新关注比特币, 也有人说是打开了比特币生态的潘多拉魔盒。在比特币生态众多技术发展中,比特币二层建设是重中之重。针对这个方向,我借鉴一些网络上的知名文章,和多位朋友的交流,以及我 们团队在 Web3 产品设计与开发中所探索的经历,总结了一篇比特币二层的基础知识文章。 这种方式便于总结和学习,也因为个体认知的局限性,希望能抛砖引玉,吸引更多人完善相 关思路,让这个领域得到更好的发展。

区块链的世界是以比特币为开局,以比特币生态为终局。(水滴资本大山老师的一个 总结,我个人很认同。)以太坊也是比特币的一种侧链技术探索。 在本文中我们会混合使用“二层建设”或“二层网络建设”,通常“二层网络建设”的 词语相对狭义,二层建设是一个更广泛的概念。但为了适应业内通常讨论的一层网络,二层网络等常用说明,我们也会使用“二层网络建设”的概念,这两个词语在本文中是一个概念。

1. 常见二层 Layer 2 要完成的使命

为了理解比特币二层建设需要解决哪些基本问题。我们先从了解区块链系统的基础特性 开始。

1.1.区块链的基础特性和基础需求

本文使用 Vitalik 提出的一个概念:区块链是一台“世界计算机”。我们从这个角度来 理解区块链的多种特性会更清晰。在后面章节,我们还会依据计算机中的冯诺依曼结构来分 析这个“世界计算机”发展的可能性。 

我们先总结一些基础特性: 

注释: 

为了维护区块链这台“世界计算机”的正常运转而产生的需求称为内部需求;

为了满足使用这台“世界计算机”的用户的需求称为外部需求。

公开透明:这是区块链这台“世界计算机”的数据存储和执行指令特点,同时也是需要 全球众多分布式节点共同参与计算的内部需求特性。这个特点正好满足了使用者对于数据的 知情权,是这台“世界计算机”本身的内部协作要求和使用者的外部需求的共同结果。后面 提到的隐私特性是满足使用者的外部需求,同时又不破坏这台“世界计算机”本身的协作要 求。 去中心化:这个特性是这台“世界计算机”的架构特性,去中心化的程度和容错性,在理论上都是由拜占庭将军理论(协作者中有可能不诚实的情形,即不遵守协议的情形)在支 持。非拜占庭将军系统从理论上都不是区块链系统,我们稍后会看到二层建设中的非区块链 系统的两种情况。去中心化的程度是区块链安全性的一个重要指标,也是某些特性的基础。 

安全性:安全性是由这台“世界计算机”的架构特性产生的内部需求和使用者需要的外 部需求的共同组成。从微观层面安全性由密码学相关的技术来保证,从宏观层面上由架构的 去中心化来保证,从而使得不会因为微观数据的伪造,或宏观架构的破坏而影响这台“世界 计算机”的安全性。 

计算能力:区块链这台世界计算机的一个主要功能是计算能力。衡量这个指标,我们一 般用是否图灵完备来考察。一些链为了保持自己的主要特性,是故意设计成图灵不完备的。 例如,比特币网络,中本聪不仅让其代码指令不图灵完备,而且在发展中还故意删减了一些 指令集,从而保持其稳定性和安全性。所有的图灵完备技术都是为了扩展区块链的计算能力。 从分层设计的思想看,简单的系统更适合做底层。 

性能:在计算能力相同的情况下,性能是考察区块链这个世界计算机的另一项主要能力。 一般都用 TPS,即每秒处理的事务数量来衡量的。

存储:区块链被描述为“世界计算机”,那么它一定有一个存储功能,就是将数据记录下来的能力。目前基本都在区块内存储,更专业的区块外的链上存储还在发展中。 

隐私:隐私是“世界计算机”中的一个细分需求,即要求在计算和存储的过程中保持数据生产者和使用者的权限范围(我们把抗审查性也放在隐私部分)。这基本上是由使用者的 外部需求驱动的。

还有个综合指标可扩展性,一般是指整个架构的可扩展性,这个特性影响多数的基础特性,在架构层面,系统的可扩展性是一个很重要的指标。其他还会有一些连接能力,或其他一些特定场景的能力,在这里不过多的讨论,遇到这些特殊的场景时,再详细分析。 

在这些区块链的基础特性中,大都由不可能三角形在制约相互的发展关系。例如,DSS 猜想即去中心化(Decentralization,D)、安全性(Security,S)和可扩展性(Scalability,S)。 如下图所示:

以太坊

在分布式系统中,类似的不可能三角形是 CAP 原理,CAP 指的是在一个分布式系统中 Consistency(一致性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分区容错性) 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,所以也适用于 CAP 原理。

CAP 原理如下图所示:

以太坊

1.2.二层建设的作用

二层建设要完成哪些角色?提供哪些功能呢?二层建设一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,在二层建设上完成。

我们从上面总结的区块链特性可以有个初步的结论,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。除了这些技术角度的基础能力,还有一个很重要的经济学问题需要解决,就是降低成本,通常一层网络的执行 事务的综合成本都比较高,需要使用二层网络降低这些成本。 

总结成一句话就是为了增加容量、降低成本、定制特性三个维度的方案都是二层建设。 对于定制特性,目前还不够明显,或者经常掩藏在前两个特性中,有一些费解。我们可以这 样理解,一层网络的特性对于很多应用,需要的程度不同,可以在二层上面针对某些应用重 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:一些二层为了提高性能,会降低去中心化的程度,会降 低安全性;一些二层为了增加吞吐量,如闪电网络,会改变系统的结构和结算的方式。还有 一些会不降低基础特性的前提下,增强了某种特性,例如 RGB 的处理方式,明显增加了隐私性和抗审查性,但增加了技术实现难度。在后面的案例中,我们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的二层建设的一个基本需求。(是否有不降低成本的二层?我还没有见到过。)

1.3.为什么要做分层设计?

分层设计是一种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,从而提高系统的设计效率和可靠性。 

对于一项广泛和庞大的协议体系,使用分层会有明显的好处。这样做使人们容易理解, 容易分工实现与容易分模块改进等优点。如计算机网络中的 ISO/OSI 的七层模型设计,但在具体的实现中,可以合并一些分层,例如,具体的网络协议 TCP/IP 是四层协议。如下图所示:

以太坊

具体说协议分层的优点:

  1. 各层次之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的,而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样,整个问题的复杂程度就下降了。也就是说上一层的工作如何进行并不影响下一层的工作,这样我们在进行每一层的工作设计时只要保证接口不变,可以随意调整层内的工作方式。
  2. 灵活性好。当任何一层发生变化时,只要层间接口关系保持不变,则在这层以上或以 下层均不受影响。当某一层出现技术革新或者某一层在工作中出现问题时不会连累到其它层的工作,排除问题时也只需要考虑这一层单独的问题即可。
  3. 结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。技术的发展往往不对称的,层次化的划分有效避免了木桶效应,不会因为某一方面技术的不完善而影响整体的工作效率。
  4. 易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理,因 为整个的系统已经被分解为若干个相对独立的子系统。进行调试和维护时,可以对每一层进行单独的调试,避免了出现找不到、解决错问题的情况。
  5. 能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。标准化的好处就是可以随意替换其中的某一层,对于使用和研究来说十分方便。

分层模块化设计思想是技术领域对待一项功能庞大,需要多人协作,并不断改进工程项目的常见处理方法,并且是经过实践检验,行之有效的方法。 

2. 比特币 Layer 2 的几种建设思路

我们以比特币的二层建设为案例,进行相关的分析。比特币的二层有三种显著的二层建设路线: 

(1)一种是基于链的扩展路线,和 EVM 的二层很类似,是区块链结构; 

(2)一种是基于分布式的路线,以闪电网络为代表,是分布式结构。 

(3)还有一种是基于中心化系统的路线,以中心化索引为代表,是中心化的结构。 

前两种方式都很有特点,已经有一些在使用的产品和探索中的产品。对于第一种方式, 因为有了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,发展也缓慢一些,以闪电网络为代 表。第三种方式很有争议,因为看起来不像一个二层建设,但似乎又完成了二层建设的功能。 

哪一种二层建设方案更好呢?我们用一个市场检验结果来作为衡量标注,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。随着时间和技术的发展,这种最优方案会是一个变化的过程。 

对于比特币的二层网络定义,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的一层网络,都算比特币的二层网络建设。换句大山的话: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。依据这个判断, 我们应该会认可第三种二层网络建设,即中心化结构的二层建设。

比特币本身技术的发展,如修改 OP_RETURN、SegWit(隔离见证)、Taproot(隔离见 证升级版)、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的开发功能,因为一层网络再怎么扩展也不会有质的突破,必须要进行二层建设。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的使用。

2.1.基于链的二层建设

早期的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), 5 BTG(Bitcoin Gold);各种侧链技术都是基于链的扩展建设案例,可以说是一种广义上的二层。 

包括以太坊,也是一种基于比特币的改进探索。Vitalik 在说服其他项目团队无果的情况 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,开发新一代的区块链系统。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。

以太坊对于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。各种的 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(从处理复杂系统的分层思想来看,也许这种想在一个层次解决多个 问题的思路是错误的),使得以太坊技术的生态蓬勃,使不少人一度认为公链的发展方向和 未来已经确定,以太坊为代表的生态已经胜出,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,它有自身的优缺点,还需要其他的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,大致包含两种典型的链类型,一种是兼容 EVM 的账号模 型,一种是类比特币的 UTXO 模型。已有的案例(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。 

在后面的章节,介绍已经运行的比特币二层项目中,会比较详细地介绍某些案例。

此外,已经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。对于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一些。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。

这种改造会有多大的成功?还有待发展的检验。可以从这种基于链的二层建设的优缺点做一些初步的判断。

基于链的二层建设的优缺点有哪些?

这种方案的缺点是基于链的二层一般还会受限于区块链的限制,对于性能的提高有限, 不是将系统变得更加中心化,就是降低区块产生间隔,增大区块容量,安全性上一般都会降低。于是就产生了二层上面的二层建设,也就是所谓的 Layer 3 或 Layer 4 。

优点是:这种方案保持了区块链的大多数基础特性,并且一般都解决了图灵完备的问题, 交易费用也显著降低,在一定程度上扩展了一层网络的能力。而且这种方案的建设案例丰富, 技术实现相对容易,已经有了不少的探索案例,上层应用的迁移也非常便捷,是一种更快的实现方式,相信这种方式会产生较多的二层网络。 

大致判断,因为这种方式的扩展局限性,基于链结构的二层应该会存在众多项目,在每个垂直领域都可能存在一个或多个二层,每个项目要完成自己特色的二层建设,满足某些应 用的需求。其价值也会由其上应用的数量和总价值来决定。

2.2.基于分布式系统的二层建设

在二层建设中,还有一些是基于分布式系统的建设。这种方案中,二层的结构和框架已经不是区块链的结构,而是一种基于 Channel 的分布式系统。闪电网络是一个典型的代表。 

分布式系统由一组有限的进程和一组有限的通道 Channel 组成。分布式系统中为了传递 消息,需要控制的数据、事件、通道,已经是一组比较复杂的问题。我们在这里所指的 Channel 是这上层的通道概念,如闪电网络中的支付通道,Nostr 中的消息通道,而不是分布式网络 中的具体技术 Channel 的底层概念。

在分布式系统的二层建设中分为两类: 

(1)只完成价值传递,类似闪电网络; 

(2)既完成价值传递,又完成图灵完备的技术,如 RGB;

在基于分布式的二层建设方案中,因为是价值传递,有很多超越原有消息传递的难点, 例如通道内的总价值容量,对事务的严谨性,不能二次消费等问题都超越消息传递的难度。 所以基于分布式的二层建设发展没有基于链的二层建设发展快,成熟的案例不是很多。 

如果要在这样的二层上完成图灵完备的计算,也就是在 Channel 上建立一个图灵完备的 虚拟机系统,会更加有难度。像 RGB 协议,就是通过客户端验证,一次性密封,来实现在 一个分布式系统上的图灵完备的计算。

比特币中基于分布式的分布式系统的二层建设,已有的案例包括:闪电网络,RGB,是否还有更著名的案例?如果按照广义二层建设的标准看,Nostr 是不是也属于 Channel 机制 的分布式系统的二层建设?在整理以太坊资料时候,看到以太坊中文档中有使用 Channel 的案例:Connext,Raiden,Perun,可以作为深度研究者的探索方向。 

在后面的章节,介绍已经运行的比特币二层项目中,会比较详细的介绍闪电网络和 RGB。

基于分布式的分布式系统的优缺点有哪些?

这种方案的优点一般是系统更加去中心化,二层网络中能够容纳无数的节点,隐私性和抗审查能力也更好,有无限的扩展性,从而在理论上性能变得极大。 

这种方案的缺点是技术实现复杂,在庞大的分布式系统中的路由算法,价值拆分与封装算法都比较复杂。相对于信息传递,在价值传递方面还缺少很多工程实现经验和基础设施。 这也是闪电网络一直被认为是发展缓慢的一个原因。

此外在这种系统中实现图灵完备的系统是一个非常大的挑战,也就是 Channel+计算, 理论上肯定可以实现,但实践中还处在早期的实验阶段。RGB 是这种情况额一个典型代表。 

基于分布式方式的二层建设一旦获得突破,将会极大的推动上层应用的发展。其庞大的 分布式节点形成的去中心化能力,与图灵完备的代码执行能力都将会更好的支持下一代互联 网应用,也就是大家都在说的“Mass Adoption”场景。 

大致判断,基于 Channel 的分布式结构的二层一般只会存在几个较少的并行项目,有两个主要原因,一个是这种系统的其无限扩展能力,另一个是实现的技术难度大,所以这样的 系统要求在设计和理念上更开放,能容纳更多的人和团队参与。并且基于这种二层基础设施 应用开发团队还会推动这种二层的发展,例如,基于 RGB 的 BiHelix 项目。

2.3.基于中心化系统的二层建设

要不要这个分类?应该会有争议。

像 Ordinals 这样的中心化索引结构,或某些功能节点的索引器都是中心化结构的,它们也是一种二层建设思路。但这种建设思路会比较少的被认可,因为二层过于中心化,对一层 网络的扩展非常有限。这种中心化结构的二层建设,其各种区块链的基础特性都要依赖于一 层网络,二层只作为一些简单的计算和统计功能,二层有时像是一种可有可无的临时存在, 随时可以被另一个二层替代,重要性好像没有那么高。但从 On-Chain 和 Off-Chain 的角度看, 和凡是能够提高一层网络能力的角度看,这种中心化的结构也是一种二层扩展。 

这种系统的案例除了 Ordinals,应该还有那些中心化的交易所。后面的案例中不介绍这种情况的项目。

基于中心化系统的二层建设的优缺点:

优点是中心化系统非常成熟,有无数的可用案例和优化方案,完全的图灵完备和卓越的性能。 

缺点就是二层极度中心化,所有的区块链基础特性都要依赖于一层网络。 

大致判断,基于中心化结构的二层应该会存在较少的项目,甚至是阶段性的存在。在基 于链式结构和 Channel 的分布式结构成熟完善后,大多数中心化结构的二层建设会消亡,或者只会留下较少的特点场景的中心化二层。当前阶段,因为中心化系统很成熟,在能够写入 基础链上数据的情况下,能够很好的满足 On-Chain 数据和 Off-Chain 计算的场景,是当前比特币生态初级应用的最容易实现模式,被大量使用。 

2.4.更广义的二层概念以及更上层应用

从上面的二层建设的结构上来分析,有区块链式结构,分布式系统结构,中心化系统结构。这就是我们对系统结构的一种常见分类:Centralised,Decentralised,Distributed,从 这个角度我们更容易理解每种类型的特点以及适用场景。三种二层类型都有其优缺点,在未来完整的比特币生态中根据不同的场景,三种类型应该都有分布。

以太坊

我使用这个图是参考 Vitalik 的文章:The Meaning of Decentralization,链接网址: https://medium.com/@VitalikButerin/the-meaning-of-decentralization-a0c92b 76 a 274 

对于这个图国内经常会有一些争议,认为 Decentralised,Distributed 的图标识反了。从控制与决策的角度,应该能够能消除这种争议,能比较好的理解 Decentralised,Distributed。 对于图中的 Centralised(A),从多种角度理解,大家应该都没有争议,所以我们只对去中心化 和分布式做对比。Decentralised 去中心化实际上是一种多中心化,其控制和决策还需要一定 的中心节点参与,这个时候控制与决策被称为共识。例如比特币中具有挖矿能力的全节点, 才有能力决定新块的产生与写入新块中的内容,那些没有挖矿能力的节点是只读节点或验证节点。在 POS 和 DPOS 的链中,这种情况会更明显,只有共识节点才能决定产生与写入新块 中的内容。在共识协议中同步算法与异步算法的差异也更明显,会决定着区块链网络中可以 容纳的节点数量。在分布式系统 Distributed 中,完全没有明显的中心存在,只有节点,任何 节点可以随时加入或离开这个网络,其控制与决策都是局部的,这也是分布式系统可以做到性能非常大的一个原因。这样说明,是不是就消除了 Decentralised,Distributed 的常见争议?

此外区块链人群中经常讨论二层建设上面的 Layer 3 ,甚至是 Layer 4 ,是一种广义的二层 建设。与 Gavin Wood 提出的 Web3 技术栈的 5 层结构中的 Layer 3 ,Layer 4 是完全不同的概念。Web3 技术栈中的 Layer 3 ,Layer 4 是应用协议的分类方式。

以太坊

这些二层建设会对上层应用产生哪些影响?在拥有了区块链系统提供的基础特性:公开透明、去中心化、安全性、计算能力、吞吐量、存储、隐私等,上层应用会构建在这些二层的扩展上,并且会在这些二层上穿插交互。在基于区块链式结构的二层扩展,和分布式结构的二层扩展,中心化结构的二层扩展,以及部分的中心化应用,会产生真正的、大规模使 用的 Web3.0 应用。 

2.5.区块链的基础特性与三种 Layer 2 建设的特点总结

本节内容来自写作的另外一篇文章《从状态机的角度观察比特币二层,可以得到更多的思考与结论》,这里直接引用总结表格和一些结论。对于 Web3.0 应用的系统架构,也请参考那篇文章。

以太坊

通过上表,我们能够大致总结出区块链结构、分布式系统结构、中心化结构的特点。 

(1)区块链结构 

区块链结构的最大好处是解决信任相关问题(账本的作用),可以记录数据的变化过程 (状态转换),于是数据和计算规则都变成了可信数据与可信计算。

区块链结构最大的问题是性能差,这有两个原因,一是区块链结构在于不能去除部分计算的场景,都是以全量计算的方式处理所有请求。如,部分计算与全局计算,局部数据与全 局数据,临时数据与永久数据。二是区块链结构有明显的性能上限。如果是通过链的方式进 行二层扩展,支持的事务数量也很有限。 

为了扩大包含区块链结构的性能,需要多层建设,并且需要与异构的系统结合使用。 

通过上表,只有区块链结构才能实现去信任账本功能,所以一个系统中要想实现去信任账本功能,必须要包含区块链系统。但大规模应用对性能的要求,使得区块链系统一定需要 结合其他系统才能满足需求。

(2)分布式系统 

在上表中,我们可以看到分布式系统的明显优点:去中心化、性能、可扩展性都是极好, 只有在功能实现上有比较复杂的特点。此外,分布式系统不具有去信任账本的能力。 

于是如果能够基于比特币的一层账本功能,在二层建设中使用分布式系统,理论上可以 在保持区块链基础特性的同时,还能实现无限的性能扩展。这方面的案例以比特币+闪电网络为代表,这样组合的性能就是比特币的 7 TPS * ∞。 

在分布式系统中实现图灵完备的原因是:在区块链系统中记录和运行智能合约的代价是很高的,因为是全局数据与全局代码。所以智能合约也适合分层理论,将智能合约的代码存储与执行局限在参与者之间。

(3)中心化系统 

在上表中,我们可以看到中心化系统的好处是工程实现相对简单,这是由于内部的逻辑 控制简单,计算简单。同样,中心化系统也不具有去信任账本的能力。中心化系统的优势不突出,如果是处理规模不大的数据,或者处理临时数据与临时计算会相对比较适合。

 中心化系统的二层建设可以作为其他两种方式的补充或过渡性方案。

(4)综合分析 

在价值时代,通过上面的内容,我们可以看到单靠一个系统很难到达满足需求的效果。 这也是比特币生态发展二层的一个实际需求。但这个三种系统怎样组合需要很多的探索,我们先从理论上分析,面对不同的需求,会有不同的组合结构。 

首先,从协议分层的设计思想看,比特币网络确实不需要图灵完备,它是一个全球的信任机器,只需要保存这些需要全局信任的数据和数据变化的轨迹。根据这个最基本要求,比特币的指令集可以减少到最低。其他功能,则交给上层的扩展来完成。

一般的小型应用,只需要在单一的区块链上就可以完成。稍大一些的系统适合在区块链 +区块链的二层建设上完成。但对于大规模的应用,优选的方案是使用区块链系统+分布式系统。 

通过多种系统结构的组合,可以突破单一系统基础理论的限制。例如,区块链系统受限于 DSS 不可能三角形的限制,但如果使用区块链系统+分布式系统,就可以解决去中心化 D、 安全性 S、可扩展性 S 的不可能三角形。其他组合,区块链+中心化系统,也可以一定程度上解决扩展性的问题。分布式系统+中心化系统,可以解决分布式系统中 CAP 三角形的限制。 

3. 二层建设的相关事物

有了一层网络和二层建设,在两者之间有什么联系呢?或者两者直接通过什么关联?一种是技术上的直接关联,例如,通过双向锁定或者桥的技术的链接。另一种是系统外的相关 性,如比特币和以太坊,虽然没有直接关联,但人们将 BTC 改造成 WBTC 在以太坊上流动, 甚至没有任何的技术关联,只是个体基于价格的波动来调整比特币和以太币的仓位,是一种系统外的关联性。 

在这里我们只讨论技术上的关联性,这些关联技术完全和二层的结构与特性紧密相关。 后面我们从更宏观的角度,参考冯诺依曼结构来判断区块链相关生态的发展。

3.1.一层和二层的连接技术

前面我们已经提到比特币本身技术的发展,如修改 OP_RETURN、SegWit(隔离见证)、 Taproot(隔离见证升级版)、Schnnor 签名、MAST、Tapscript 都应该为连接一层和二层的目的而设计,是比特币生态中连接一层与二层的基础技术元素。这些连接技术是思考二层建设 的一个重要组成部分,虽然网络上有一些 BTC 的连接技术实施方案,例如,使用 HashLock, 抑或门限签名、MPC 等,但这些方案功能比较有限,不适合功能更加复杂和需求更加细分 场景,还是需要使用比特币生态中为连接产生的基础技术元素。 

BEVM 的一层和二层连接有一定的代表性,较多的使用了上述基本元素构建的功能。其 Shnorr 签名 +MAST 合约 + 比特币轻节点网络的 BTC L2 解决方案,是一个很好的学习连接一层与二层的案例。 

除了这些连接一层与二层的基础技术元素,具体的连接技术会因为二层建设的结构不同, 而有所不同。我先笼统的介绍一些连接技术类型,常见连接区块链一层网络和二层网络的技术有以下几种:

跨链技术:通过跨链技术,不同区块链之间可以进行互操作,实现一层网络和二层网络之间的连接。跨链技术可以实现资产的跨链转移和交互,使得不同区块链之间的数据和价值可以流动。 

隔离验证技术:隔离验证技术可以将一层网络中的交易数据隔离开来,然后通过二层网 络进行验证和处理。这种方式可以减轻一层网络的负担,提高整体的吞吐量和效率。

侧链技术:侧链技术是一种将主链和侧链进行连接的技术,通过侧链可以实现一层网络 和二层网络之间的数据传输。侧链可以将一些特定的功能和应用从主链上分离出来,以提高 整体的性能和扩展性。 

State Channel 技术:State Channel 技术是一种基于二层网络的解决方案,通过在链外建立通信通道,使得交易可以在链外进行,只在需要时才提交到一层网络。State Channel 技术可以提高交易的速度和吞吐量,并减少交易费用。 

Plasma 技术:Plasma 技术是一种基于二层网络的扩展方案,通过将一层网络的交易数 据分片处理,然后通过二层网络进行验证和处理,可以实现更高的吞吐量和扩展性。

常见的二层结构有区块链式结构,分布式系统结构,中心化系统结构,上面的常见连接技术会因为二层的结构不同,大多数只能用在一种结构中,在这里不深入讨论。 

随着二层建设的成熟,还有有更加具体的技术或案例,甚至可以不是技术层面的关联而仅仅是经济层面的关联。

考察一层与二层链接技术的好坏有哪些参考指标呢?大致看到的指标有: 

一层能否对二层的交易做验证? 

一层的资产能否在二层崩溃的时候顺利逃生? 

连接技术是否会降低系统的某些特性? 

……

一层与二层链接技术的内容,应该在二层建设有了更多案例的时候,才能更好的总结和完善。这些连接技术当前更多的是由二层建设者来完成,以后是否有类似跨链桥的独立产品, 目前还不好说。 

本节更多的是提出问题,让我们参与者、建设者有更多的思考。

3.2.参考冯诺依曼结构宏观看区块链的发展

在前面,我们已经使用 Vitalik 提出的概念:区块链是一台“世界计算机”。既然都可 以称为计算机,那么这个“世界计算机”就可以和传统计算机的冯诺依曼结构来做对比分析。

以太坊

冯·诺伊曼结构的计算机的五大部件:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 在区块链这个“世界计算机”系统中,也存在这样的相似部件,而且还要重视这五大部件中的连线部分,因为在一个分布式系统中,连接部分影响更大。

“世界计算机”的发展规律和传统的计算机发展规则很相似。如果对比传统的计算机发展来说,区块链系统还处在类似 286 之前的阶段,还在扩充处理能力,扩充存储能力,有简单的外设,能做得事情还非常有限。

几个对比传统计算机发展与“世界计算机”发展的对比:

 (1)CPU(运算器与控制器)的扩展,就像当前一层和二层计算能量与吞吐量的扩展; 

(2)存储器的扩展,会逐渐从竞争链上的空间,到使用真正的区块链存储。当前一层、 二层的链上存储空间就像传统计算机中的寄存器,一级缓存,二级缓存,以后会有类似内存、硬盘、外部存储等专业的区块链存储方式。当前的写入数据方式,今后也会有很大的改变。

以太坊

(3)输入设备与输出设备,在区块链系统中,就是预言机。在二层建设中这些输入与输出设备还没有太多的体现,在上层应用中会有更多的需求。 

(4)区块链中一些特殊的链和功能,很像传统计算机中的 GPU,专用设备卡,特殊外设等部件。 

(5)链上应用和更上层的应用,就像传统计算机还没有区分操作系统与应用软件,也在一步步的进化和功能分离。 

(6)当前的区块链应用很多都是金融应用,很像早期的传统计算机,大多用于科学研 究与军事应用,随着发展,慢慢的走向企业,走向家庭,走向个人。区块链应用也会有相似的发展趋势,从早期的金融应用发展到更广泛的应用。 

从二层的建设,对比传统计算机与区块链的“世界计算机”还有很多可以讨论的内容, 在本文中不在多叙述。 

4. 当前比特币的 Layer 2 建设情况

4.1.已经在运行的比特币二层项目

在本文中,我们主要介绍那些已经成功运行的比特币二层项目,参考了一些研报内容和 业内报道,这些二层建设已经运行了一定的时间,大部分从 2015-2019 年开始酝酿或启动。 一些较新的项目,如果有特点,也会介绍。我们会看到这些案例基本都是基于链的二层建设, 基于 Channel 的分布式系统建设只有闪电网络。如果算上以太坊的二层建设,雷电网络 (Raiden Network)也是一个基于 Channel 的设计案例,但当前其发展似乎并不成功,在本文中不介绍。以太坊的 Plasma 技术是一个基于 Channel 的子链的设计方案,似乎是链和 Channel 的结合体,我个人更认为其主要特征是一个基于链的二层设计,在此也不过多讨论。

1. LightningNetwork 闪电网络(基于分布式的二层建设) 

Lightning Network(闪电网络)是一个建立在比特币区块链上的第二层解决方案,旨在 解决比特币的可扩展性和低交易速度的问题。闪电网络于 2015 年首次提出,并在 2018 年开始全面实施。 

闪电网络的主要特点是快速、低成本和可扩展。它通过建立一系列的支付通道,使得比特币交易可以在通道内部进行,而不需要直接记录在区块链上。这样可以大大减少交易确认时间和交易费用,并支持大量的并行交易。闪电网络保证交易安全可靠依赖的是 RMSC 协议, HTLC 解决的是可路由可扩展性。其架构的可扩展性使其具有非常大的性能。 

自推出以来,闪电网络得到了广泛的关注和采用。越来越多的比特币用户、交易所和商家开始使用闪电网络进行快速跨链交易和实时支付。此外,开发者也在不断改进闪电网络的性能和用户体验,为其提供更多功能和扩展性。

尽管闪电网络在可扩展性和交易速度方面提供了显著的改进,但仍面临一些技术和采用挑战。例如,网络的稳定性、路由算法和用户界面等方面需要不断改善。然而,随着时间的推移和技术的进步,闪电网络有望成为比特币和其他加密货币的重要支付解决方案,为用户提供更快速、低成本的交易体验。

2.Liquid(基于链的二层建设)

Liquid 是由 Blockstream 于 2015 年推出的一个侧链解决方案。作为比特币的第一个侧链, Liquid 旨在提供更快速、安全和私密的交易解决方案,以满足金融机构和交易所等专业用户的需求。 

Liquid 的主要特点之一是快速的交易确认时间。相比于比特币的确认时间约为 10 分钟, Liquid 的交易确认时间只需 2 分钟。这使得用户能够更快地进行交易,并在需要时迅速完成 资金转移。另一个重要特点是 Liquid 的交易私密性。Liquid 采用了 Confidential Transactions (机密交易)技术,使得交易金额得以隐藏,只有交易的参与方能够查看具体金额。这有助于保护交易参与者的隐私。 

Liquid 还具备更高的交易吞吐量。通过使用 Federated Peg(联邦锚定)技术,Liquid 能够支持大量并行的交易,并在比特币网络上进行锚定,实现与比特币的互操作性。这使得 Liquid 能够处理更多的交易量,提高整体系统的吞吐量。 

自推出以来,Liquid 在加密货币行业中逐渐发展壮大。越来越多的交易所、金融机构和 企业开始采用 Liquid 作为其交易和资金结算的解决方案。同时,Blockstream 不断推出新的 功能和改进,以进一步完善 Liquid 的性能和安全性。 

总结来说,Liquid 是 Blockstream 推出的一个旨在提供快速、私密和高吞吐量交易的比特币侧链解决方案。它通过缩短交易确认时间、提供交易私密性和增加交易吞吐量,满足了专业用户的需求。随着时间的推移,Liquid 在加密货币行业中得到了广泛的应用和发展。

3. Rootstock(RSK)(基于链的二层建设)

Rootstock(RSK)是一个建立在比特币区块链上的智能合约平台,旨在为比特币生态系 统提供类似以太坊的功能。Rootstock 于 2015 年首次提出,并在 2018 年正式上线。 

Rootstock 的主要特点是与比特币的双向锚定和智能合约功能。通过与比特币的双向锚 定,Rootstock 能够使用比特币作为其主要资产,实现安全性和稳定性。同时,Rootstock 支持智能合约功能,使开发者能够在其平台上构建和执行具有自动化功能的智能合约。

自推出以来,Rootstock 在比特币生态系统中逐渐得到认可和采用。它为比特币用户和 开发者提供了更多的功能和灵活性,使得比特币能够支持更广泛的应用场景,如去中心化金 融(DeFi)、数字资产发行和供应链管理等。 

然而,与其他智能合约平台相比,Rootstock 的发展相对较慢。它在用户和开发者社区 方面的扩张还需要更多的努力。尽管如此,Rootstock 的发展前景仍然被认为是积极的,它有潜力成为比特币生态系统中重要的智能合约平台之一。

4. RGB(基于分布式+图灵完备的二层建设)

RGB 的故事可以追溯到 2016 年,那时候 Giacomo Zucco 希望利用 Peter Todd 的客户 端验证和一次性密封条的概念、开发一种更好的染色币(Colored coins)并将这些代币带入 闪电网络(这就是 “RGB” 名字的由来)。它是一个建立在比特币区块链上的开放性协议, 旨在为数字资产的创建、交易和管理提供更丰富的功能。

RGB 是由 LNP/BP 标准协会开发 的可扩展且保密的比特币和闪电网络智能合约系统。它采用了私有和共同所有权的概念,是 一种图灵完备的、无信任的分布式计算形式,不需要引入代币的非区块的去中心化协议。 RGB 的设计目的是在 UTXO 区块链(如比特币)上运行可扩展、稳健和私密的智能合约,以实现一切可能性。通过 RGB,开发者可以执行如代币发行、NFT 铸造、DeFi、DAO, 以及更多复杂的多类别智能合约。 

RGB 协议是基于客户端验证(client-side validation)和一次性密封(single-use-seals)的 概念,在比特币生态系统的第二层和第三层上(链外)运行的客户端状态验证和智能合约系统。

5.Stacks(基于链的二层建设)

Stacks(前身为 Blockstack)是一个建立在比特币区块链之上的去中心化计算平台。Stacks 于 2013 年首次提出,并在 2017 年进行了首次代币发行(ICO)。它的主要特点是提供去中 心化身份验证、存储和智能合约功能。 

Stacks 的核心特点是通过比特币的安全性和稳定性来支持去中心化应用的开发和执行。 它采用一种称为“Stacking”的共识机制,通过让持有 STX 代币的用户锁定一定数量的代币 并参与网络验证来实现共识。这种机制为用户提供了激励,并增加了网络的安全性。 

在发展方面,Stacks 已经成为去中心化应用领域的重要平台之一。它吸引了一批开发者和项目加入,构建了众多的去中心化应用,并提供了丰富的工具和开发文档。Stacks 还与其 他区块链项目合作,扩展其生态系统和应用场景。

6.其他比特币二层项目

凭借比特币的热度,产生了较多的新项目。其中华人发起的项目较多,这些新的项目如 B² Network、BEVM、Dovi、Map Protocol、Merlin、Bison 等也有一定的特色。 

B²Network 成立于 2022 年,是基于 ZK-Rollup 开发的比特币二层网络,兼容 EVM,可实现 EVM 生态开发者无缝部署 DApps。是典型的具有以太坊技术二层技术向比特币生态转移 的案例。 

BEVM 的原有团队成立于 2017 年,中间探索过多种比特币的扩展应用。2023 年提出的 BEVM 概念,是兼容 EVM 的去中心化比特币 L2。BEVM 基于 Taproot 升级带来的 Schnorr 签 名算法等技术,允许 BTC 以去中心化的方式从比特币主网跨链到第 2 层。由于 BEVM 与 EVM 兼容,所有在以太坊生态中运行的 DApp,都可以在 BTC Layer 2 上运行,并以 BTC 作为 Gas。2023 年 11 月 29 日,BEVM 发布了白皮书。

Dovi 成立于 2023 年,是兼容 EVM 智能合约的比特币 Layer 2 。2023 年 11 月,Dovi 正式 发布了白皮书。白皮书介绍,Dovi 集成 Schnorr 签名和 MAST 结构,以提高事务隐私,优化 数据大小和验证过程;发行比特币以外各种资产类型的灵活框架,实现了跨链资产转移。 

Map Protocol 的团队成立也比较早,原来主要是做跨链协议,也就是我们前面介绍的一 层和二层的连接技术。在比特币生态火热后,其很快就能建设基于链的二层建设。能够将当 前的铭文资产跨链,降低交易费用,这些会吸引到一些项目方和应用。 

Merlin Chain 从起官网看,很容易看到其 Bridge 的属性,将 BTC 上面的资产转移到二层 网络,降低交易费用,是典型的先解决痛点问题的代表。从官网介绍和一些研报上看 Merlin 是一个整合了 ZK-Rollup 网络、去中心化预言机和链上 BTC 防欺诈模块的比特币 Layer 2 解决 方案。该项目由 Bitmap Tech 推出,他们是一个有特点的团队,他们推出的 Bitmap.game 和 BRC-420 “蓝盒”Ordinals 资产都有不错的知名度。 

Bison 成立于 2023 年,是一款比特币原生的 zk-rollup,可提高交易速度,同时在原生比 特币上实现高级功能。开发者可以使用 zk-rollup 来打造创新的 DeFi 解决方案,例如交易 平台、借贷服务和自动化做市商。从其官网上看,Bridge 也是一个重要功能点。将比特币资 产跨链出来,完成上层资产应用,是很多项目的切入点。 

从上面这几个比较新的项目 B² Network、BEVM、Dovi、Map Protocol、Merlin、Bison 来 看,他们快速的完成了降低交易费用,满足比特币一层资产交易需求。他们都涉及到了资产 跨链,那些原来就有跨链协议的团队,做起来更快速,原来有二层建设的经验团队,他们在上层应用方面更有优势。这些较新的项目都是基于链的二层建设,利用了原有的技术积累和 短期的爆发力优势。这些项目,同质化有些大,后期的发展会如何?与基于分布式的二层建 设服务商的竞争结果会如何?还有需要不少的观察。从以太坊上的二层项目经验看,利用了 热点营销,代币发行之后,很多项目就会躺平,比特币的二层会不会这样? 

从当前运行在比特币二层的项目我们可以大致看出,知名的比特币二层项目都成立比较早,对相关技术已经探索了很长时间,但因为比特币生态的基础技术没有形成,项目大多不 够精彩,或者说是被以太坊和以太坊生态的光芒所掩盖。随着比特币基础协议的成熟,尤其 是隔离见证、Taproot、Schnorr 签名,MAST 默克尔抽象语法树,Tapscript 等基础技术底层的形成,使得一层与二层之间的连接技术发展较好,于是比特币生态能做得事情正变得更丰富。从已经在运行的比特币的二层项目,我们可以看到一部分是原有的比特币生态的建设者, 另一部分是以太坊二层的建设者,还有一部分是来自连接技术的建设者,不管来时哪个方向 的项目,都需要使用这些新产生的比特币基础连接技术,使用的方式越充分,越多样化,对二层的支持会更好。

4.2.比特币二层建设的发展分析

资金在哪里,热度就在哪里,还会吸引更多的资金聚集。比特币当前有大约 8000 亿美 金的市值,其生态发展较弱,但有爆发之势。于是很多项目都宣称要进行比特币的二层建设。 在这里我们不说这些项目的具体名称,但对这些项目的进入者做一些分类,看看其特点和各自的优缺点。

1. 原有的比特币二层建设项目

原有的比特币二层项目,尤其是已经研发了多年,有了一定的积累优势,是否能借助这 次比特币的热度重新焕发青春?是否会蓬勃发展?有很大的不确定性。 

衡量标准有两个:一是前面提到的,最终哪个二层网络的总锁仓价值 TVL 高,哪个比特 币的二层就会胜出。另外一个是二层的结构类型,基于链的二层建设,因为其扩展特点,会 容纳较多的并行者,基于分布式的二层建设,只能容纳比较少的竞争者。 

原有的二层项目还需要充分发挥自己已经积累的优势,并借助新技术建立建立新优势, 吸引更多的应用进驻平台,才有机会重新焕发青春,争取更多的市场份额。如果做不到吸引更多的应用进入,这样的老项目很有可能会最终沉没或转型。其实这样的项目还可以和后面 介绍的完全没有技术积累,但已经通过某种共识建立了社区的项目合作或合并,以换取更大的发展。 

此外如果那些老的项目能够在基于分布式的二层建技术积累方面有优势,可以完全介入基于分布式的二层建设,并且通过提供上层应用的引导会更有效。

2. 新进入的比特币二层建设项目 

新进入比特币二层建设的项目,一般没有太多积累优势,但这个给这样团队后发优势, 可以研究最新的技术,先解决那些轻量级,最有吸引力的需求,吸引到一定数量应用的进驻。 最好是已经在以太坊生态,或者其他生态中拥有了二层建设经验的团队,更适合快速的进入 比特币的二层建设。这样的项目可以考虑选型基于链的二层建设,会更快,更有优势。 

完全没有经验或优势的团队,可以参考第三种情况,是否可以通过社区共识来筛选出用 户和积累资金。

3. 没有积累但想进入的比特币二层项目 

我原来对没有任何技术积累或社区积累,就宣传要进入 Web3.0 的项目,没有太多理解, 大概率把这些项目认为是 CX 项目。但通过铭文现象,那些通过某个铭文产生了一个很大的 社区共识,如 sats,ordi,rats,这些社区不仅拥有了很多的成员,还积累了一定的资金。 这样的项目完全可以从零开启一个新的二层建设,通过社区的力量,把上层应用集成到社区 中,同时有可能把二层建设出来,这样的二层大概率会选型为基于链的二层建设,因为简单 且快速,并且通过社区力量,把 DID(去中心化身份),DAO 工具,DeFi 应用,其他的上层 应用,在社区的二层来搭建,而且不需要自己建设只需要引入成熟的产品方,并与其共享收 入分成。这样有可能形成一个小的生态。这样的项目对社区建设,基金会的管理,决策机制提出较高的要求。

4. 上层应用的发展 

随着比特币二层的迅猛发展,BTC 上沉睡的巨量资金开始重新被唤醒,并且因为眼球效应,会吸引更多的新用户进入到 Web3.0 领域,加上比特币二层技术迅猛发展,会为 Mass Adoption 打下坚实的基础。上层应用会从当前的金融应用为开始阶段,逐渐将那些需要高性 能,大流量,频繁交互的应用引入,如 Gamefi,SocialFi 等应用,不会出现基于链的应用的宕机,和服务体验不好的情况。比特币二层的发展会为上层应用带来非常多的机会和坚实的 基础设施,成熟后会给更多不那么 Native 的 Web3 团队带来更多的机会。

不管如何,Web3.0 时代才刚刚开始,还在萌芽期和初长期,需要很多的探索和建设,很多国家和地区对 Web3.0 中的很多新事物还没有完全开放。Web3.0 需要大量的建设,会给予各个项目团队更多的机会。不断感知新发展、新技术,不断调整,不断的参与建设 Web3.0 , 这样的团队一定会在某个阶段,某个领域会有所收获。

参考文献说明

写作本文是我在阅读了大量的业内文章的基础上,同时参与 TwitterSpace,线下交流等众多活动的结果。受了很多人的讲话内容的启发,一些突出的影响人员和因素如下:

(1)水滴资本的大山老师,他写了不少文章,还在万物岛给我们做了多次讲课,还参 加了他参与的不少 Space 活动。 

(2)有些深度技术内容是通过听洪蜀宁老师的讲课,观看他的视频,线下和洪蜀宁老 师的交流所得,如分布式系统中的路由问题,RGB 的图灵完备问题。 

(3)www.btcstudy.org 上的众多文章。这个网站整理的知识很丰富。 

(4)Nervos(CKB) 首席架构师 Jan Xie 的访谈节目。 

(5)阅读了较多的 BIP 协议,Segwit,Taproot,ordinals,brc 20 ,Atomical 等内容。 

(6)其他区块链知识,包括分层设计思想,冯诺依曼结构的对比,来源于我前几年写 作几本图书的知识积累,其中出版了 5 本,《区块链知识-大众普及版》《区块链知识-技术 普及版》《图灵区块链》《区块链经济模型》,《Web3.0 :构建元宇宙的数字未来》;还有以太坊的 3 本,完成了部分写作,未出版。这些内容大量的参考了很多区块链的原生协议、 白皮书、技术原理,这些内容的产出也是众人的结果,我只是做了收集和整理。慢慢的我理解了这些底层原理和众多技术之间的关联性和未来可能的应用场景。 

(7)在我们项目中设计相关产品时,和团队成员的讨论和思考。 

非常感谢 SatoshiLab 的大山老师,Elaine Yang,洪蜀宁以及相关技术专家,他们阅读本 文给了不少反馈和修改意见,对文章引用概念的准确性把关严格,直到我们能找到原始的参 考文献才会确认合格,非常欣赏这种严谨的习惯! 非常感谢所有完善我知识体系的贡献者和参与者。

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