Sistema de conhecimento básico da rede de segunda camada do Bitcoin

A ascensão das inscrições em Bitcoin trouxe nova vida ao ecossistema do Bitcoin, atraindo mais atenção para a moeda, enquanto outros acreditam que isso abriu a caixa de Pandora do ecossistema do Bitcoin. Entre os muitos desenvolvimentos tecnológicos no ecossistema do Bitcoin, a construção de segunda camada é de extrema importância. Este artigo, baseado em artigos conhecidos na internet, conversas com profissionais da área e nas experiências da equipe no design e desenvolvimento de produtos Web3, resume os conhecimentos básicos sobre a segunda camada do Bitcoin. Esperamos que isso possa servir de inspiração, atraindo mais pessoas a aprimorar ideias relacionadas e impulsionar o desenvolvimento deste campo.

O mundo da blockchain começa com Bitcoin e termina com o ecossistema Bitcoin. O Ethereum também pode ser visto como uma exploração de tecnologia de sidechain do Bitcoin.

No texto, "construção de segunda camada" e "construção de rede de segunda camada" são basicamente sinônimos, sendo a construção de segunda camada um conceito mais amplo. Para manter a consistência com a terminologia comumente usada na indústria, o texto também usará a expressão "construção de rede de segunda camada".

1. A missão do Layer2

Para entender quais problemas básicos precisam ser resolvidos na construção da segunda camada do Bitcoin, vamos começar pelas características fundamentais do sistema blockchain.

1.1 As características básicas e a demanda da blockchain

Nós tomamos emprestado o conceito proposto por Vitalik: a blockchain é um "computador global". Entender as várias características da blockchain a partir dessa perspectiva será mais claro. Abaixo estão resumidas algumas características básicas:

Transparência pública: esta é a característica de armazenamento de dados e execução de instruções da "computador mundial" que é a blockchain, assim como a necessidade interna de participação conjunta de numerosos nós distribuídos em todo o mundo. Esta característica satisfaz o direito à informação dos usuários sobre os dados, sendo o resultado conjunto das exigências de colaboração interna deste "computador mundial" e das necessidades externas dos usuários.

Descentralização: Esta é uma característica da arquitetura deste "computador mundial", onde o grau de descentralização e a tolerância a falhas são, em teoria, baseados na teoria dos generais bizantinos. O grau de descentralização é um indicador importante da segurança do blockchain, e também é a base de certas características.

Segurança: A segurança é composta pela demanda interna gerada pelas características da arquitetura deste "computador mundial" e pela demanda externa necessária pelos usuários. A segurança, a partir de uma perspectiva micro, é garantida por tecnologias relacionadas à criptografia, enquanto, a partir de uma perspectiva macro, é garantida pela descentralização da arquitetura, de modo que não será afetada pela falsificação de dados micro ou pela destruição da arquitetura macro, garantindo assim a segurança deste "computador mundial".

Capacidade de cálculo: uma das principais funções desta máquina de computação mundial chamada blockchain é a capacidade de cálculo. Para medir esse indicador, geralmente se avalia se é Turing completo. Algumas cadeias foram deliberadamente projetadas para serem Turing incompletas a fim de manter suas características principais. Por exemplo, na rede Bitcoin, Satoshi Nakamoto não apenas tornou suas instruções de código não Turing completas, mas também deliberadamente removeu alguns conjuntos de instruções ao longo do desenvolvimento, a fim de manter sua estabilidade e segurança. Todas as tecnologias Turing completas existem para expandir a capacidade de cálculo da blockchain. Do ponto de vista do design em camadas, sistemas simples são mais adequados para atuar como base.

Desempenho: Com a mesma capacidade de cálculo, o desempenho é outra habilidade principal que se examina no computador do mundo blockchain. Geralmente, mede-se em TPS, ou seja, o número de transações processadas por segundo.

Armazenamento: A blockchain é descrita como um "computador mundial", então ela deve ter uma função de armazenamento, que é a capacidade de registrar dados. Atualmente, a maior parte é armazenada dentro dos blocos, enquanto o armazenamento em cadeia fora dos blocos, mais especializado, ainda está em desenvolvimento.

Privacidade: A privacidade é uma necessidade segmentada na "computador mundial", que exige que, durante o processo de computação e armazenamento, o alcance das permissões dos produtores e utilizadores de dados seja mantido. Isso é basicamente impulsionado pelas necessidades externas dos utilizadores.

Há um indicador abrangente de escalabilidade, geralmente referindo-se à escalabilidade de toda a arquitetura. Esta característica afeta a maioria das características fundamentais. A nível arquitetónico, a escalabilidade do sistema é um indicador muito importante.

Entre as características básicas dessas blockchains, a maioria é limitada pela relação de desenvolvimento mútua através do triângulo impossível. Por exemplo, a conjectura DSS refere-se à descentralização, segurança e escalabilidade.

Em sistemas distribuídos, um triângulo impossível semelhante é o princípio CAP, que se refere ao fato de que, em um sistema distribuído, a consistência, a disponibilidade e a tolerância a partições não podem ser alcançadas simultaneamente. Sistemas de blockchain são sistemas distribuídos com o problema dos generais bizantinos, portanto, também se aplicam ao princípio CAP.

1.2 O papel da construção de segundo nível

Quais papéis devem ser concluídos na construção da segunda camada? Quais funcionalidades devem ser fornecidas? A construção da segunda camada deve certamente abordar as deficiências do sistema de primeira camada, realizando em sua construção o que não é adequado para ser completado no sistema de primeira camada.

A partir das características da blockchain resumidas acima, pode-se chegar a uma conclusão preliminar: é essencial expandir essas capacidades básicas: transparência pública, descentralização, segurança, capacidade de computação, desempenho, armazenamento, privacidade, entre outras. Além dessas capacidades básicas do ponto de vista técnico, há um problema econômico muito importante que precisa ser resolvido, que é a redução de custos. Normalmente, os custos gerais de execução de transações em uma camada de rede são relativamente altos, sendo necessário usar uma rede de segunda camada para reduzir esses custos.

Resumindo em uma frase, as soluções para aumentar a capacidade, reduzir custos e personalizar características são todas construções de segunda camada. Quanto à personalização, atualmente ainda não é muito evidente, ou frequentemente está escondida nas duas primeiras características, o que pode ser um pouco confuso. Podemos entender assim: as características da rede de primeira camada variam em necessidade para muitas aplicações, e na segunda camada é possível ajustar novamente o grau de implementação de várias características para certas aplicações.

Na construção de camadas secundárias, as capacidades básicas da blockchain terão suas concessões, o que resultará na redução de algumas características, e até mesmo na eliminação de certas funcionalidades, em troca de melhorias significativas em determinadas qualidades. Por exemplo: algumas camadas secundárias, para melhorar o desempenho, reduzirão o grau de descentralização e a segurança; algumas camadas secundárias, para aumentar a capacidade de processamento, como a Lightning Network, modificarão a estrutura do sistema e a forma de liquidação. Além disso, existem aquelas que, sem reduzir as características básicas, aumentam uma determinada funcionalidade, como o método de processamento RGB, que claramente aumenta a privacidade e a resistência à censura, mas também eleva a dificuldade de implementação técnica.

A redução de custos deve ser uma necessidade básica em toda a construção de segunda camada.

1.3 Por que fazer um design em camadas?

O design em camadas é uma forma de os humanos lidarem com sistemas complexos e uma metodologia, que divide o sistema em várias estruturas de camadas e define as relações e funções entre cada camada, com o objetivo de alcançar a modularidade, a manutenibilidade e a escalabilidade do sistema, melhorando assim a eficiência e a confiabilidade do design do sistema.

Para um sistema de protocolo amplo e extenso, o uso de camadas traz benefícios claros. Isso torna mais fácil para as pessoas entenderem, facilita a divisão do trabalho e permite melhorias modulares, entre outras vantagens. Como no design do modelo de sete camadas ISO/OSI em redes de computadores, mas na implementação específica, algumas camadas podem ser combinadas; por exemplo, o protocolo de rede específico TCP/IP é um protocolo de quatro camadas.

Especificamente, as vantagens da estratificação de protocolos:

1. As diferentes camadas são independentes. Uma camada não precisa saber como a sua camada seguinte é implementada, apenas precisa saber quais serviços são oferecidos através da interface entre as camadas. Assim, a complexidade do problema total diminui. Ou seja, o funcionamento da camada anterior não afeta o funcionamento da camada seguinte, permitindo que, ao projetar o trabalho de cada camada, possamos ajustar livremente a forma de trabalho dentro da camada, desde que a interface permaneça inalterada.

2. Boa flexibilidade. Quando qualquer camada sofre alterações, desde que a relação de interface entre camadas permaneça inalterada, as camadas acima ou abaixo não são afetadas. Quando uma camada apresenta inovações tecnológicas ou surge um problema no trabalho dessa camada, isso não afeta o trabalho das outras camadas, e ao resolver o problema, basta considerar apenas o problema específico dessa camada.

3. Estruturalmente, pode ser dividido. Cada camada pode utilizar a tecnologia mais adequada para a sua implementação. O desenvolvimento tecnológico é muitas vezes assimétrico; a divisão hierárquica evita efetivamente o efeito do barril, não sendo afetada pela imperfeição de uma determinada tecnologia em uma área, o que comprometeria a eficiência global do trabalho.

4. Fácil de implementar e manter. Esta estrutura torna a implementação e a depuração de um sistema grande e complexo mais fáceis de lidar, uma vez que o sistema inteiro foi dividido em vários subsistemas relativamente independentes. Durante a depuração e a manutenção, é possível depurar cada camada separadamente, evitando situações em que não se consegue encontrar ou resolver problemas incorretos.

5. Pode promover o trabalho de normalização. Porque cada camada tem uma descrição precisa das suas funções e dos serviços que oferece. A vantagem da normalização é que se pode substituir livremente uma das camadas, o que é muito conveniente para o uso e a pesquisa.

A abordagem de design modular em camadas é um método comum no campo técnico para lidar com projetos de engenharia que são extensos, requerem colaboração de várias pessoas e estão em constante melhoria, e que foi testado na prática e se mostrou eficaz.

2. Várias abordagens para a construção do Layer 2 do Bitcoin

A camada dois do Bitcoin tem três notáveis rotas de construção:

(1)A rota de expansão baseada em cadeia, semelhante à camada dois do EVM, é a estrutura da blockchain;

(2) baseado em uma rota distribuída, representada pela rede Lightning, é uma estrutura distribuída.

(3)A rota baseada em sistemas centralizados, representada pelo índice centralizado, é uma estrutura centralizada.

As duas primeiras abordagens têm características distintas, já existem alguns produtos em uso e outros em exploração. Para a primeira abordagem, devido ao florescimento do Ethereum e à exploração de outras cadeias que imitam o Bitcoin, a expansão de segunda camada baseada em cadeia é relativamente mais fácil, com mais casos de referência. A segunda abordagem, baseada em distribuição, geralmente é mais difícil, e o desenvolvimento é um pouco mais lento, sendo a rede Lightning a representante. A terceira abordagem é bastante controversa, pois não parece uma construção de segunda camada, mas parece ter cumprido as funções de construção de segunda camada.

Qual é a melhor solução de construção de camada dois? Usamos um resultado de mercado como critério de avaliação; a solução cujo valor total de ativos bloqueados (TVL) na camada dois for mais alto é a solução ótima. Com o tempo e o desenvolvimento da tecnologia, essa solução ótima será um processo em constante mudança.

Em relação à definição da rede de segunda camada do Bitcoin, desde que se baseie na rede Bitcoin e estabeleça uma associação técnica com a rede Bitcoin, algumas características que superam a rede de primeira camada do Bitcoin também são consideradas construção da rede de segunda camada do Bitcoin. Em outras palavras: qualquer sistema que consuma BTC como gás, utilizando BTC como ativo subjacente e que expanda as capacidades do Bitcoin, é considerado uma construção de segunda camada. Com base nesse julgamento, devemos reconhecer um terceiro tipo de construção de segunda camada, ou seja, a construção de segunda camada com estrutura centralizada.

O desenvolvimento da tecnologia do Bitcoin em si, como a modificação do OP_RETURN, Taproot, assinatura Schnorr, MAST e Tapscript, deve ser projetado para conectar a primeira e a segunda camada, não devendo essas tecnologias serem excessivamente utilizadas para desenvolver funcionalidades, pois não haverá uma ruptura qualitativa, independentemente de quão extensiva seja a rede de primeira camada, sendo necessário construir a segunda camada. No entanto, na ausência de melhores produtos de segunda camada do Bitcoin, essas capacidades tecnológicas de conectar a primeira e a segunda camada serão excessivamente utilizadas por um período.

2.1 Construção de camada dois baseada em cadeia

As cadeias de imitação do Bitcoin dos primeiros tempos realizaram diversas explorações, como "Colorcoin", "CovertCoins" e "MasterCoin"; várias cadeias de imitação do Bitcoin para escalabilidade, como BCH, BSV, BTG; diversas tecnologias de sidechain são casos de construção de expansão baseados na cadeia, pode-se dizer que é uma forma ampla de segunda camada.

Incluindo Ethereum, que também é uma exploração de melhoria baseada no Bitcoin. Vitalik, diante da falta de sucesso em convencer outras equipes de projeto, formou sua própria equipe para lançar um white paper e desenvolver um novo sistema de blockchain, abordando as imperfeições do Bitcoin: o sistema sem conta do UTXO, a linguagem de execução não Turing completa, a baixa escalabilidade, entre outros problemas. Embora essa exploração do Ethereum não seja uma construção de segunda camada diretamente sobre o Bitcoin, é uma exploração de construção baseada em cadeia em um sentido amplo.

A exploração de melhorias em Ethereum em relação ao Bitcoin, bem como o desenvolvimento e validação de camadas secundárias em Ethereum, forneceu um caso de referência para o desenvolvimento de redes de segunda camada baseadas em blockchain no Bitcoin. Vários esquemas de Rollup, soluções de cross-chain, tecnologias de canais de mensagens e a própria tecnologia de sharding do Ethereum.