ビットコイン二層ネットワークの基礎知識体系

ビットコインの銘文の興起はビットコインエコシステムに新たな活力をもたらし、より多くの人々がビットコインに再注目するようになりました。また、これがビットコインエコシステムのパンドラの箱を開くことになったと考える人もいます。ビットコインエコシステムにおける多くの技術的発展の中で、二層の構築は最も重要です。本稿は、インターネット上の著名な記事や業界関係者との交流、さらにチームのWeb3製品設計・開発における探求経験に基づき、ビットコインの二層に関する基礎知識をまとめました。これが他の人々の関連思考を促し、この分野の発展を推進することにつながることを期待しています。

ブロックチェーンの世界はビットコインを起点として、ビットコインエコシステムを終点としています。イーサリアムはビットコインの一種のサイドチェイン技術の探索とも見なすことができます。

本文中「二層建設」と「二層ネットワーク建設」は基本的に同義であり、二層建設はより広い概念です。業界で一般的に使用される表現と一致させるため、文中でも「二層ネットワーク建設」という表現を使用します。

1. レイヤー2のミッション

ビットコイン二層建設が解決すべき基本的な問題を理解するために、まずはブロックチェーンシステムの基本的な特性について話しましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と需要

私たちは、ヴィタリックが提唱した概念を借用します: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」です。この観点からブロックチェーンのさまざまな特性を理解することがより明確になります。以下にいくつかの基本特性をまとめました:

公開透明:これはブロックチェーンという"世界のコンピュータ"のデータストレージと指令実行の特徴であり、また世界中の多くの分散ノードが共同で計算に参加する必要性の内部的な特性でもあります。この特徴は、ユーザーのデータに対する知る権利を満たし、この"世界のコンピュータ"自体の内部協力の要求とユーザーの外部的なニーズの共同結果です。

分散型:これはこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性であり、分散化の程度と耐障害性は理論的にビザンチン将軍問題に基づいています。分散化の程度はブロックチェーンの安全性の重要な指標であり、特定の特性の基礎でもあります。

安全性:安全性はこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性から生じる内部の要求とユーザーが必要とする外部の要求によって構成されています。微観レベルでは暗号学関連技術によって安全性が保証され、宏観レベルではアーキテクチャの非中央集権化によって保証されるため、微観データの偽造や宏観アーキテクチャの破壊によってこの"世界コンピュータ"の安全性に影響を与えることはありません。

計算能力:ブロックチェーンという世界コンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。この指標を測定する際には、一般的にチューリング完全性で評価されます。一部のチェーンは、その主要な特性を維持するために、意図的にチューリング非完全に設計されています。例えば、ビットコインネットワークでは、中本聡はそのコード命令をチューリング非完全にしただけでなく、発展の中でいくつかの命令セットを意図的に削除し、安定性と安全性を保持しました。すべてのチューリング完全技術は、ブロックチェーンの計算能力を拡張するために存在します。階層設計の思想から見ると、シンプルなシステムは基盤としてより適しています。

性能:計算能力が同じ場合、性能はブロックチェーンのこの世界のコンピュータを評価するもう一つの主要な能力です。一般的にはTPS、すなわち1秒あたりの処理取引数で測定されます。

ストレージ:ブロックチェーンは"世界のコンピュータ"と表現されているので、データを記録する能力、つまりストレージ機能が必ずあります。現在、基本的にはブロック内にストレージされており、より専門的なブロック外のチェーン上のストレージはまだ発展中です。

プライバシー:プライバシーは"世界コンピュータ"における一つの細分化されたニーズであり、計算およびストレージの過程でデータの生産者と使用者の権限範囲を保持することを要求します。これは基本的に使用者の外部ニーズによって駆動されています。

まだ、統合指標の拡張性があり、一般的には全体のアーキテクチャの拡張性を指し、この特性は大多数の基礎特性に影響を与えます。アーキテクチャの観点から、システムの拡張性は非常に重要な指標です。

これらのブロックチェーンの基本的な特性の中で、大多数は不可能な三角形によって相互の発展関係が制約されています。例えば、DSS仮説は非中央集権、安全性、そしてスケーラビリティです。

分散システムにおいて、類似の不可能な三角形はCAP原則であり、分散システムにおいて一貫性、可用性、分割耐障害性の三者を同時に満たすことはできないことを指します。ブロックチェーンシステムはバイザンティン将軍問題を持つ分散システムであるため、CAP原則にも適用されます。

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1.2 2階建て建築の役割

二層の構築にはどのような役割が必要ですか？どのような機能を提供しますか？二層の構築は必ず一層システムの不足を補うものであり、一層システムでは適さないことを二層の構築で行います。

上記のブロックチェーンの特性から、初歩的な結論としては、これらの基盤能力を拡張する必要があるということです：公開透明性、非中央集権、安全性、計算能力、性能、ストレージ、プライバシーなど。これらの技術的視点からの基盤能力に加えて、もう一つ重要な経済学の問題を解決する必要があります。それはコストを削減することです。通常、1層ネットワークの実行取引の総コストは比較的高いため、2層ネットワークを使用してこれらのコストを削減する必要があります。

まとめると、容量の増加、コストの削減、カスタマイズ機能の3つの次元のソリューションはすべて第2層の構築です。カスタマイズ機能については、現在はまだ明確ではなく、しばしば前の2つの機能に隠れていて、いくつかは分かりにくいです。このように理解できます。一層ネットワークの機能は、多くのアプリケーションにとって必要な程度が異なり、第2層上で特定のアプリケーションに対してさまざまな機能の実現度を再調整することができます。

レイヤー2の構築において、ブロックチェーンの基本的な能力はそれぞれトレードオフがあり、いくつかの特性が低下することがあり、さらには特性が失われることもあります。その代わりに、特定の特性が著しく向上することがあります。例えば、いくつかのレイヤー2はパフォーマンスを向上させるために、分散化の程度を低下させ、安全性を低下させることがあります; また、スケーラビリティを向上させるために、例えばライトニングネットワークのように、システムの構造や決済方法を変更することがあります。さらに、基本特性を低下させることなく、特定の特性を強化するものもあり、例えばRGBの処理方法は、プライバシーと検閲耐性を明らかに高めていますが、技術的実現の難易度を高めています。

その中でコスト削減はすべてのレイヤー2の構築における基本的なニーズであるべきです。

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1.3 なぜ階層設計を行うのか?

階層設計は、人間が複雑なシステムを処理する手段と方法論の一つであり、システムを複数の階層構造に分け、各層間の関係と機能を定義することで、システムのモジュール化、保守性、拡張性を実現し、システムの設計効率と信頼性を向上させることを目的としています。

広範で大規模なプロトコル体系において、階層を使用することには明らかな利点があります。これにより、人々は理解しやすくなり、分業の実現が容易になり、モジュールの改善も容易になります。コンピューターネットワークにおけるISO/OSIの七層モデル設計のように。ただし、具体的な実装においては、いくつかの階層を統合することができます。たとえば、具体的なネットワークプロトコルであるTCP/IPは四層プロトコルです。

具体的に言うと、プロトコルの階層化の利点は:

1.各層間は独立しています。ある層は次の層がどのように実装されているかを知る必要はなく、その層が層間のインターフェースを通じて提供するサービスを知っていれば十分です。これにより、全体の問題の複雑さが下がります。つまり、上の層の作業がどのように行われるかは、下の層の作業に影響を与えず、各層の作業設計を行う際にはインターフェースが変わらない限り、層内の作業方法を自由に調整できます。

2.柔軟性が良い。どのレイヤーに変化があっても、レイヤー間のインターフェースの関係が変わらなければ、そのレイヤーの上または下のレイヤーには影響を与えない。あるレイヤーで技術革新が起こったり、作業中に問題が発生した場合でも、他のレイヤーの作業に影響を与えることはない。問題を排除するときも、そのレイヤーの単独の問題のみを考慮すればよい。

3.構造上分割可能です。各層は最も適切な技術を採用して実現できます。技術の発展は往々にして非対称であり、階層化された区分は木桶効果を効果的に回避し、ある一方面の技術の不完全さが全体の作業効率に影響を与えることはありません。

4.実装と保守が容易です。この構造により、大規模で複雑なシステムの実装とデバッグが扱いやすくなります。なぜなら、システム全体がいくつかの比較的独立したサブシステムに分解されているからです。デバッグと保守を行う際には、各レイヤーを個別にデバッグできるため、問題を見つけられない、解決できない状況を避けることができます。

5.標準化作業を促進できる。なぜなら、各層の機能と提供されるサービスが正確に説明されているからだ。標準化の利点は、特定の層を自由に交換でき、使用や研究にとって非常に便利であることだ。

階層モジュール設計思想は、技術分野において、機能が大規模であり、多くの人が協力し、継続的に改善されるプロジェクトに対する一般的な処理方法であり、実践によって検証され、効果的である方法です。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思想

ビットコインの第二層には三つの顕著な構築ルートがあります:

(1)チェーンに基づく拡張ルートは、EVMのセカンドレイヤーに非常に似ており、ブロックチェーン構造です。

(2)分散型のルートに基づき、ライトニングネットワークを代表する分散型構造です。

(3)中央集権システムに基づくルート、中央集権インデックスを代表とし、中央集権の構造です。

前二つの方法はそれぞれ独特で、すでにいくつかの使用されている製品や探索中の製品があります。第一の方法については、イーサリアムの急成長と他のビットコイン模倣チェーンの探求のおかげで、チェーンに基づく二層拡張は比較的容易で、参考となるケースが多くあります。第二の分散型に基づく方法は通常、難易度が高く、発展も遅めで、ライトニングネットワークが代表的です。第三の方法は議論を呼ぶもので、二層構築のようには見えませんが、二層構築の機能を果たしているようです。

どのレイヤー2構築プランがより良いのでしょうか？私たちは市場の検証結果を基準として使用し、どのレイヤー2ネットワークの総ロック価値TVLが高いか、そのプランが最適なプランとなります。時間と技術の発展に伴い、この最適なプランは変化するプロセスになります。

ビットコインの第二層ネットワークの定義について、ビットコインネットワークに依存し、ビットコインネットワークと技術的関連を築き、いくつかの特性がビットコインの第一層ネットワークよりも優れている場合、それはビットコインの第二層ネットワークの構築と見なされます。言い換えれば、BTCをガスとして消費し、BTCを基盤資産として、ビットコインの性能を拡張したシステムはすべて第二層の構築と見なされます。この判断に基づき、私たちは第三の二層ネットワークの構築、すなわち中央集権的構造の二層建設を認めるべきです。

ビットコイン本体の技術の発展、例えばOP_RETURNの修正、Taproot、Schnnor署名、MAST、Tapscriptは、第一層と第二層を接続する目的のために設計されるべきであり、これらの技術をあまりにも多くの機能開発に使用すべきではありません。第一層ネットワークがどれだけ拡張されても質的な突破口は得られず、第二層の構築が必要です。しかし、より使いやすいビットコインの第二層製品がない場合、これらの第一層と第二層を接続する技術能力は、しばらくの間過度に使用されることになります。

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2.1 チェーンに基づくレイヤー2の構築

初期のビットコイン模倣チェーンはいくつかの探求を行いました。例えば「Colorcoin」、「CovertCoins」、および「MasterCoin」などです。さまざまなスケーリングのビットコイン模倣チェーン、例えばBCH、BSV、BTGなどもあります。さまざまなサイドチェーン技術はチェーンの拡張に基づいた構築ケースであり、広義の二層と言えるでしょう。

イーサリアムを含む、それもビットコインを基にした改善の探求です。ヴィタリックは他のプロジェクトチームを説得することができなかった場合、ビットコインの不完全性、UTXOの無アカウントシステム、実行言語の非チューリング完全性、拡張性の低さなどの問題に対処するために、自らチームを結成しホワイトペーパーを発表し、新しい世代のブロックチェーンシステムを開発しました。このイーサリアムの探求はビットコイン上の直接的なレイヤー2の構築ではありませんが、広義にはチェーンに基づく構築の探求と言えます。

イーサリアムはビットコインの不完全な改善探索と、イーサリアム上のレイヤー2の発展と検証により、ビットコイン上のチェーンベースのレイヤー2ネットワークの発展に参考となる事例を提供しました。さまざまなRollupソリューション、クロスチェーンソリューション、メッセージチャンネル技術、そしてイーサリアム自体のシャーディング技術、