Les bases du système de connaissances des réseaux de deuxième couche Bitcoin

L'émergence des inscriptions Bitcoin a apporté un nouveau souffle à l'écosystème Bitcoin, attirant de nouveau l'attention sur le Bitcoin, certains pensent même que cela a ouvert la boîte de Pandore de l'écosystème Bitcoin. Parmi les nombreux développements technologiques de l'écosystème Bitcoin, la construction de la couche deux est primordiale. Cet article, basé sur des articles connus sur internet, des échanges avec des professionnels du secteur, ainsi que sur les expériences de notre équipe dans la conception et le développement de produits Web3, résume les connaissances de base sur la couche deux de Bitcoin. Nous espérons pouvoir susciter des réflexions et attirer plus de personnes pour enrichir les idées connexes, afin de promouvoir le développement de ce domaine.

Le monde de la blockchain commence avec Bitcoin et se termine avec l'écosystème Bitcoin. Ethereum peut également être considéré comme une exploration de la technologie de sidechain de Bitcoin.

Dans cet article, les termes "construction de couche deux" et "construction de réseau de couche deux" sont essentiellement synonymes, la construction de couche deux étant un concept plus large. Pour rester en accord avec les expressions couramment utilisées dans l'industrie, l'article emploiera également l'expression "construction de réseau de couche deux".

1. La mission de Layer2

Pour comprendre quels problèmes fondamentaux doivent être résolus dans la construction de la seconde couche de Bitcoin, commençons par les caractéristiques de base du système blockchain.

1.1 Les caractéristiques fondamentales et les besoins de la blockchain

Nous empruntons le concept proposé par Vitalik : la blockchain est un "ordinateur mondial". Comprendre les diverses caractéristiques de la blockchain sous cet angle sera plus clair. Voici un résumé de certaines caractéristiques fondamentales :

Transparence publique : c'est la caractéristique de stockage de données et d'exécution des instructions de cette "ordinateur mondial" qu'est la blockchain, ainsi que la nécessité interne de participer au calcul par de nombreux nœuds distribués dans le monde. Cette caractéristique satisfait le droit à l'information des utilisateurs sur les données, et est le résultat commun des exigences de coopération internes de cet "ordinateur mondial" et des besoins externes des utilisateurs.

Décentralisation : c'est une caractéristique architecturale de cet "ordinateur mondial", le degré de décentralisation et la tolérance aux pannes sont théoriquement basés sur le théorème des généraux byzantins. Le degré de décentralisation est un indicateur important de la sécurité de la blockchain, et constitue également la base de certaines caractéristiques.

Sécurité : La sécurité est le résultat d'une demande interne générée par les caractéristiques architecturales de cet "ordinateur mondial" et d'une demande externe requise par les utilisateurs. Au niveau microscopique, la sécurité est garantie par des technologies liées à la cryptographie, tandis qu'au niveau macroscopique, elle est assurée par la décentralisation de l'architecture, ce qui signifie que la sécurité de cet "ordinateur mondial" ne sera pas affectée par la falsification de données microscopiques ou la destruction de l'architecture macroscopique.

Capacité de calcul : Une des principales fonctions de cette ordinateur mondial qu'est la blockchain est la capacité de calcul. Cet indicateur est généralement mesuré par sa capacité à être Turing-complet. Certaines chaînes, pour conserver leurs caractéristiques principales, sont intentionnellement conçues pour être non Turing-completes. Par exemple, dans le réseau Bitcoin, Satoshi Nakamoto a non seulement rendu ses instructions de code non Turing-completes, mais a également délibérément supprimé certains ensembles d'instructions au cours de son développement, afin de maintenir sa stabilité et sa sécurité. Toutes les technologies Turing-completes visent à étendre la capacité de calcul de la blockchain. D'un point de vue de conception en couches, des systèmes simples sont mieux adaptés pour servir de base.

Performance : Dans le cas où la capacité de calcul est identique, la performance est une autre capacité principale à évaluer dans le monde des ordinateurs de la blockchain. On mesure généralement cela en TPS, c'est-à-dire le nombre de transactions traitées par seconde.

Stockage : La blockchain est décrite comme un "ordinateur mondial", elle doit donc avoir une fonction de stockage, c'est-à-dire la capacité d'enregistrer des données. Actuellement, la plupart des données sont stockées dans des blocs, tandis que le stockage hors bloc sur la chaîne est encore en développement.

Confidentialité : La confidentialité est un besoin segmenté dans le "ordinateur mondial", c'est-à-dire la nécessité de maintenir la portée des droits des producteurs et des utilisateurs de données pendant le processus de calcul et de stockage. Cela est essentiellement motivé par les besoins externes des utilisateurs.

Il existe également un indicateur global d'évolutivité, qui fait généralement référence à l'évolutivité de l'ensemble de l'architecture. Cette caractéristique influence la plupart des caractéristiques fondamentales. Au niveau de l'architecture, l'évolutivité du système est un indicateur très important.

Parmi les caractéristiques fondamentales de ces blockchains, la plupart sont limitées par le triangle impossible dans leur relation de développement mutuel. Par exemple, la conjecture DSS qui concerne la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité.

Dans un système distribué, un triangle impossible similaire est le principe CAP, qui indique que dans un système distribué, il n'est pas possible d'obtenir simultanément la cohérence, la disponibilité et la tolérance aux partitions. Les systèmes de blockchain sont des systèmes distribués présentant le problème des généraux byzantins, donc le principe CAP s'applique également.

1.2 Le rôle de la construction de la couche deux

Quels rôles doivent être complétés par la construction de la couche 2 ? Quelles fonctionnalités doit-elle fournir ? La construction de la couche 2 doit nécessairement combler les lacunes du système de couche 1, en réalisant des choses qui ne peuvent pas être effectuées dans le système de couche 1, mais qui peuvent l'être dans la construction de la couche 2.

À partir des caractéristiques de la blockchain résumées ci-dessus, on peut tirer une première conclusion : il est essentiel d'étendre ces capacités fondamentales : transparence publique, décentralisation, sécurité, capacité de calcul, performance, stockage, confidentialité, etc. En plus de ces capacités fondamentales d'un point de vue technologique, il existe également un problème économique très important à résoudre, à savoir la réduction des coûts. En général, le coût global des transactions exécutées sur une couche de réseau est relativement élevé, ce qui nécessite l'utilisation de réseaux de deuxième couche pour réduire ces coûts.

En résumé, les solutions visant à augmenter la capacité, réduire les coûts et personnaliser les caractéristiques sont toutes des constructions de deuxième couche. En ce qui concerne les caractéristiques personnalisées, elles ne sont pas encore suffisamment évidentes, ou sont souvent cachées derrière les deux premières caractéristiques, ce qui peut être déroutant. Nous pouvons comprendre cela de cette manière : les caractéristiques du réseau de première couche nécessitent des degrés différents pour de nombreuses applications, et il est possible d'ajuster le degré de mise en œuvre de diverses caractéristiques pour certaines applications sur la deuxième couche.

Dans la construction de la couche 2, les capacités fondamentales de la blockchain auront chacune des compromis, certaines caractéristiques seront réduites, voire abandonnées, en échange d'une amélioration significative de certaines caractéristiques. Par exemple : certaines couches 2 réduiront le degré de décentralisation et la sécurité pour améliorer les performances ; d'autres, comme le réseau Lightning, modifieront la structure du système et le mode de règlement pour augmenter le débit. D'autres encore renforceront certaines caractéristiques sans réduire les caractéristiques fondamentales, comme la méthode de traitement RGB, qui augmente clairement la confidentialité et la résistance à la censure, mais augmente la difficulté de mise en œuvre technique.

La réduction des coûts devrait être un besoin fondamental pour toutes les constructions de deuxième couche.

1.3 Pourquoi faire une conception en couches?

La conception en couches est un moyen et une méthodologie pour que l'humanité traite des systèmes complexes, en divisant le système en plusieurs structures de couches et en définissant les relations et les fonctions entre chaque couche, afin de réaliser la modularité, la maintenabilité et l'évolutivité du système, ce qui améliore l'efficacité et la fiabilité de la conception du système.

Pour un système de protocole vaste et complexe, l'utilisation de couches présente des avantages évidents. Cela facilite la compréhension, la répartition des tâches pour la mise en œuvre et l'amélioration modulaire. Comme dans la conception du modèle en sept couches ISO/OSI dans les réseaux informatiques, certaines couches peuvent être fusionnées dans une mise en œuvre spécifique, par exemple, le protocole réseau TCP/IP qui est un protocole à quatre couches.

Les avantages de la structuration des protocoles en couches :

1. Les niveaux sont indépendants les uns des autres. Un niveau n'a pas besoin de savoir comment son niveau suivant est implémenté, mais doit simplement connaître les services fournis par l'interface entre les niveaux. Ainsi, la complexité globale du problème diminue. Autrement dit, la façon dont le travail du niveau précédent est effectué n'affecte pas le travail du niveau suivant, ce qui nous permet, lors de la conception du travail de chaque niveau, de garantir que l'interface reste inchangée et d'ajuster librement la méthode de travail au sein du niveau.

2. Bonne flexibilité. Lorsque n'importe quel niveau subit un changement, tant que la relation d'interface entre les niveaux reste inchangée, les niveaux supérieurs ou inférieurs ne sont pas affectés. Lorsque qu'un niveau connaît une innovation technologique ou qu'il y a un problème dans le fonctionnement d'un niveau, cela ne perturbe pas le travail des autres niveaux, et lors de l'élimination des problèmes, il suffit de considérer uniquement le problème isolé de ce niveau.

3. Structure pouvant être divisée. Chaque niveau peut adopter la technologie la plus appropriée pour sa mise en œuvre. Le développement technologique est souvent asymétrique, et la division en niveaux permet d'éviter efficacement l'effet du tonneau, sans que l'imperfection d'un aspect technologique n'affecte l'efficacité globale du travail.

4. Facile à réaliser et à entretenir. Cette structure rend la mise en œuvre et le débogage d'un système vaste et complexe plus faciles à gérer, car l'ensemble du système a été décomposé en plusieurs sous-systèmes relativement indépendants. Lors du débogage et de l'entretien, il est possible de déboguer chaque couche séparément, évitant ainsi les situations où il est impossible de trouver ou de résoudre des problèmes incorrects.

5. Cela peut promouvoir le travail de normalisation. En effet, chaque couche a une description précise de ses fonctions et des services qu'elle offre. Le principal avantage de la normalisation est qu'il est possible de remplacer librement l'une des couches, ce qui est très pratique pour l'utilisation et la recherche.

La pensée de conception modulaire en couches est une méthode courante dans le domaine technologique pour traiter un projet d'ingénierie vaste qui nécessite la collaboration de plusieurs personnes et une amélioration continue, et c'est une méthode éprouvée par la pratique.

2. Quelques idées de construction pour le Layer2 de Bitcoin

Il existe trois routes de développement distinctes pour le deuxième niveau de Bitcoin:

(1)La route d'expansion basée sur la chaîne, similaire à la deuxième couche de l'EVM, est une structure de blockchain;

(2)Basé sur une structure distribuée, représentée par le réseau Lightning, c'est une structure distribuée.

(3)La route basée sur un système centralisé, représentée par un index centralisé, est une structure centralisée.

Les deux premières méthodes ont leurs caractéristiques distinctes, et il existe déjà quelques produits en utilisation ainsi que des produits en exploration. Pour la première méthode, grâce au développement florissant d'Ethereum et à l'exploration d'autres chaînes imitant Bitcoin, l'extension de deuxième couche basée sur la chaîne est relativement plus facile, avec plus d'exemples à consulter. La deuxième méthode, basée sur la distribution, est généralement plus difficile et son développement est un peu plus lent, représenté par le réseau Lightning. La troisième méthode est très controversée, car elle ne ressemble pas à une construction de deuxième couche, mais semble accomplir les fonctions d'une construction de deuxième couche.

Quelle solution de construction de couche 2 est la meilleure ? Nous utilisons un résultat de marché comme critère de mesure : le réseau de couche 2 avec la valeur totale des fonds verrouillés (TVL) la plus élevée est la solution optimale. Avec le temps et l'évolution de la technologie, cette solution optimale sera un processus en constante évolution.

Pour la définition des réseaux de deuxième couche de Bitcoin, tant qu'ils reposent sur le réseau Bitcoin et établissent un lien technique avec celui-ci, et que certaines caractéristiques sont supérieures à celles du réseau de première couche de Bitcoin, ils sont considérés comme des constructions de réseau de deuxième couche de Bitcoin. En d'autres termes : tant que BTC est consommé comme gaz, et que BTC est l'actif sous-jacent, tout système qui étend les performances de Bitcoin est considéré comme une construction de deuxième couche. Sur la base de ce jugement, nous devrions reconnaître une troisième forme de construction de réseau de deuxième couche, à savoir une construction de deuxième couche de structure centralisée.

Le développement de la technologie Bitcoin elle-même, comme la modification d'OP_RETURN, Taproot, les signatures Schnorr, MAST et Tapscript, devrait être conçu dans le but de connecter la première et la deuxième couche. Ces technologies ne devraient pas être trop utilisées pour développer des fonctionnalités, car peu importe comment le réseau de première couche est étendu, il n'y aura pas de percée qualitative. Il est impératif de construire la deuxième couche. Cependant, en l'absence de meilleurs produits de deuxième couche pour Bitcoin, ces capacités techniques pour connecter la première et la deuxième couche seront utilisées de manière excessive pendant un certain temps.

2.1 Construction de la deuxième couche basée sur la chaîne

Les premières chaînes imitant le Bitcoin ont exploré diverses avenues, comme "Colorcoin", "CovertCoins" et "MasterCoin" ; diverses chaînes imitant le Bitcoin pour l'extension, comme BCH, BSV, BTG ; diverses technologies de chaînes latérales sont toutes basées sur des cas de construction d'extension de chaîne, on peut dire qu'il s'agit d'un type de deuxième couche au sens large.

Cela inclut Ethereum, qui est également une exploration d'amélioration basée sur Bitcoin. Vitalik, face à l'inefficacité de persuader d'autres équipes de projets, a formé sa propre équipe pour publier un livre blanc et développer un nouveau système de blockchain, en abordant les imperfections de Bitcoin : le système sans compte UTXO, le langage d'exécution non Turing-complet, et les problèmes de scalabilité. Bien que cette exploration d'Ethereum ne soit pas une construction de couche deux directe sur Bitcoin, elle représente une exploration de construction basée sur la chaîne dans un sens large.

L'exploration des améliorations d'Ethereum par rapport à Bitcoin, ainsi que le développement et la validation de la seconde couche sur Ethereum, ont fourni des exemples de référence pour le développement de réseaux de seconde couche basés sur la chaîne sur Bitcoin. Diverses solutions de Rollup, des solutions inter-chaînes, des technologies de canaux de communication, ainsi que la technologie de sharding d'Ethereum elle-même,