Базовая система знаний о втором уровне сети Биткойн

Возникновение铭文 Биткойна принесло новую жизнь экосистеме Биткойна, привлекло большее внимание к Биткойну, а некоторые считают, что это открыло пандору в экосистеме Биткойна. Среди многих технических разработок в экосистеме Биткойна строительство второго уровня является приоритетом. Эта статья основана на известных статьях в сети, общении с профессионалами отрасли и опыте команды в проектировании и разработке продуктов Web3, и суммирует базовые знания о втором уровне Биткойна. Надеемся, что это послужит стимулом для более глубоких размышлений и привлечет больше людей к доработке соответствующих идей, способствуя развитию этой области.

Мир блокчейна начинается с Биткойна и заканчивается экосистемой Биткойна. Эфириум также можно рассматривать как исследование технологии сайдчейна Биткойна.

В данной статье термины "вторичный уровень построения" и "строительство вторичных сетей" являются практически синонимами, причем вторичный уровень построения является более широким понятием. Для согласования с общепринятыми терминами в отрасли, в статье также будет использоваться выражение "строительство вторичных сетей".

1. Миссия второго уровня Layer2

Чтобы понять, какие основные проблемы необходимо решить для строительства второго уровня Биткойна, сначала поговорим о базовых характеристиках блокчейн-систем.

1.1 Основные характеристики и потребности блокчейна

Мы заимствовали концепцию, предложенную Виталиком: блокчейн — это "мировой компьютер". С этой точки зрения понимание различных характеристик блокчейна станет более ясным. Ниже приведены некоторые основные характеристики:

Открытость и прозрачность: это характеристика хранения данных и выполнения команд в блокчейне как "мировом компьютере", а также внутренняя потребность, требующая участия множества распределенных узлов по всему миру в вычислениях. Эта характеристика удовлетворяет право пользователей на информацию о данных и является совместным результатом внутренних требований к сотрудничеству этого "мирового компьютера" и внешних потребностей пользователей.

Децентрализация: это архитектурная особенность этой "мировой вычислительной машины", степень децентрализации и отказоустойчивость теоретически основаны на теории византийских генералов. Степень децентрализации является важным показателем безопасности блокчейна и основой для некоторых характеристик.

Безопасность: безопасность обеспечивается внутренними требованиями, возникающими из архитектурных особенностей этой "мировой компьютер", и внешними требованиями пользователей. На микроуровне безопасность гарантируется технологиями, связанными с криптографией, на макроуровне - децентрализацией архитектуры, что позволяет избежать влияния на безопасность этого "мирового компьютера" из-за подделки микро данных или разрушения макроархитектуры.

Вычислительная способность: одной из основных функций блокчейн-этой мировой вычислительной машины является вычислительная способность. Для измерения этого показателя обычно используется критерий полноты Тьюринга. Некоторые цепочки специально разрабатываются как неполные по Тьюрингу, чтобы сохранить свои основные характеристики. Например, в сети Биткойн Сатоши Накамото не только сделал инструкции кода неполными по Тьюрингу, но и намеренно убрал некоторые инструкции из набора, чтобы сохранить стабильность и безопасность. Все технологии с полной Тьюрингом предназначены для расширения вычислительной способности блокчейна. С точки зрения принципа иерархического проектирования простые системы лучше подходят для нижнего уровня.

Производительность: при одинаковой вычислительной мощности производительность является другой основной способностью, которую следует рассматривать в мире вычислений блокчейна. Обычно измеряется в TPS, то есть количестве транзакций, обрабатываемых в секунду.

Хранение: Блокчейн описывается как "мировой компьютер", значит, у него должна быть функция хранения, то есть способность записывать данные. В настоящее время данные в основном хранятся в блоках, более специализированное хранение данных вне блоков на цепочке все еще находится в стадии разработки.

Конфиденциальность: Конфиденциальность является специализированной потребностью в "мировом компьютере", требующей сохранения диапазона прав производителей и пользователей данных в процессе вычислений и хранения. Это в основном обусловлено внешними потребностями пользователей.

Еще один комплексный показатель — это масштабируемость, которая обычно относится к масштабируемости всей архитектуры. Эта характеристика влияет на большинство основных характеристик. На уровне архитектуры масштабируемость системы является очень важным показателем.

В этих основных характеристиках блокчейна большинство из них ограничены взаимными отношениями неразрешимого треугольника. Например, гипотеза DSS, то есть децентрализация, безопасность и масштабируемость.

В распределенных системах аналогом невозможного треугольника является принцип CAP, который указывает, что в распределенной системе невозможно одновременно обеспечить согласованность, доступность и устойчивость к разделению. Блокчейн-система является распределенной системой с проблемой византийских генералов, поэтому к ней также применим принцип CAP.

1.2 Роль строительства второго уровня

Какие роли необходимо выполнить при строительстве второго уровня? Какие функции он предоставляет? Строительство второго уровня должно обязательно дополнять недостатки системы первого уровня, и те вещи, которые не подходят для выполнения в системе первого уровня, должны выполняться на втором уровне.

Из вышеизложенных особенностей блокчейна можно сделать предварительный вывод о необходимости расширения этих основных возможностей: открытость и прозрачность, децентрализация, безопасность, вычислительная способность, производительность, хранение, конфиденциальность и т.д. Кроме этих технических базовых возможностей, существует еще один важный экономический вопрос, который необходимо решить: снижение затрат. Обычно совокупные затраты на выполнение транзакций в одноуровневой сети довольно высоки, поэтому необходимо использовать вторичный уровень сети для снижения этих затрат.

В итоге, можно сказать, что решения по увеличению ёмкости, снижению затрат и настройке характеристик относятся к строительству второго уровня. Что касается настройки характеристик, то в настоящее время она не так очевидна, или часто скрыта за двумя первыми характеристиками, что вызывает некоторые недоразумения. Мы можем понять это так: характеристики сети первого уровня различаются по степени необходимости для многих приложений, и на втором уровне можно заново настроить степень реализации различных характеристик для некоторых приложений.

В строительстве второго уровня основная способность блокчейна будет отдана на откуп, будут снижены некоторые характеристики, а некоторые даже будут отбрасываться, чтобы получить значительное улучшение в некоторых характеристиках. Например: некоторые второго уровня для повышения производительности будут снижать степень децентрализации и безопасность; некоторые второго уровня для увеличения пропускной способности, как сеть Lightning, будут изменять структуру системы и способы расчетов. Есть и такие, которые, не снижая основные характеристики, усиливают какую-то характеристику, например, способ обработки RGB, который явно увеличивает конфиденциальность и устойчивость к цензуре, но увеличивает сложность реализации.

Снижение затрат должно быть базовой необходимостью для всех построек второго уровня.

1.3 Почему нужно делать многослойный дизайн?

Иерархическое проектирование — это способ и методология, с помощью которых человечество обрабатывает сложные системы, разделяя систему на несколько уровней и определяя отношения и функции между ними, чтобы достичь модульности, поддерживаемости и расширяемости системы, тем самым повышая эффективность и надежность проектирования системы.

Для обширной и масштабной системы протоколов использование иерархии имеет явные преимущества. Это делает систему более понятной, облегчает распределение задач и позволяет легко модифицировать модули. Например, в дизайне семиуровневой модели ISO/OSI в компьютерных сетях, но в конкретной реализации можно объединить некоторые уровни, например, конкретный сетевой протокол TCP/IP является четырехуровневым протоколом.

Конкретно о преимуществах многоуровневых протоколов:

1. Каждый уровень независим. Конкретному уровню не нужно знать, как реализован следующий уровень, ему достаточно знать, какие услуги предоставляет интерфейс между уровнями. Таким образом, сложность всей проблемы снижается. Иными словами, как выполняется работа на предыдущем уровне, не влияет на работу на следующем уровне, поэтому при проектировании работы на каждом уровне нам нужно лишь гарантировать неизменность интерфейса, а способы выполнения работы внутри уровня могут произвольно изменяться.

2. Хорошая гибкость. Когда происходит изменение на любом уровне, если интерфейсные отношения между уровнями остаются неизменными, то уровни выше или ниже этого уровня не будут затронуты. Когда на каком-либо уровне происходит технологическая инновация или возникают проблемы в работе, это не повлияет на работу других уровней, и при устранении проблемы нужно будет рассматривать только отдельные проблемы этого уровня.

3. Структурно разделимы. Каждый уровень может использовать наиболее подходящую технологию для реализации. Развитие технологий часто асимметрично, и иерархическое деление эффективно избегает эффекта бочки, не позволяя недостаткам технологии в одной области влиять на общую рабочую эффективность.

4. Легкость в реализации и поддержке. Эта структура позволяет легко справляться с реализацией и отладкой большой и сложной системы, так как вся система была разбита на несколько относительно независимых подсистем. При отладке и поддержке можно отдельно отлаживать каждый уровень, что позволяет избежать ситуации, когда невозможно найти и решить неправильные проблемы.

5. Способствует стандартизации. Потому что функции каждого уровня и предоставляемые им услуги уже имеют точные описания. Преимущества стандартизации заключаются в том, что можно произвольно заменять любой уровень, что очень удобно для использования и исследований.

Иерархический модульный дизайн — это распространённый способ обработки крупных функциональных проектов в технической области, требующих совместной работы нескольких людей и постоянного улучшения, который был проверен на практике и является эффективным методом.

2. Стратегии разработки Layer2 для Биткойн

У Биткойна есть три заметные строительные стратегии второго уровня:

(1)Расширенный маршрут на основе цепочки, аналогичный второму уровню EVM, является структурой блокчейна;

(2)На основе распределенного маршрута, представленного сетью Lightning, это распределенная структура.

(3)На основе централизованной системы, представленной централизованным индексом, это централизованная структура.

Первые два способа имеют свои особенности, уже есть некоторые продукты в использовании и исследуемые продукты. Что касается первого способа, то благодаря бурному развитию Эфириума и исследованиям других цепей, имитирующих Биткойн, расширение второго уровня на основе цепи относительно проще, и больше примеров для参考. Второй способ, основанный на распределенной системе, обычно более сложен и развивается медленнее, в качестве примера можно привести сеть Lightning. Третий способ является спорным, потому что он не выглядит как строительство второго уровня, но, похоже, выполняет функции, характерные для строительства второго уровня.

Какой из вариантов построения второго уровня лучше? Мы используем результаты рыночных испытаний в качестве критерия оценки, и тот вариант второго уровня, у которого общая заблокированная стоимость (TVL) выше, является оптимальным вариантом. С развитием времени и технологий этот оптимальный вариант будет меняться.

Определение второго уровня сети Биткойн заключается в том, что, если оно основывается на сети Биткойн и устанавливает техническую связь с сетью Биткойн, и некоторые свойства превосходят первый уровень сети Биткойн, это считается строительством второго уровня Биткойн. Другими словами: все системы, которые расходуют BTC в качестве газа, используют BTC в качестве базового актива и расширяют возможности Биткойн, считаются строительством второго уровня. На основе этого определения мы должны признать третий тип строительства второго уровня, а именно централизованную структуру второго уровня.

Развитие технологий самого Биткойна, таких как изменение OP_RETURN, Taproot, подписи Schnorr, MAST и Tapscript, должно быть спроектировано для связи первого и второго уровней, не следует чрезмерно использовать эти технологии для разработки функций, так как сеть первого уровня, как бы она ни расширялась, не даст качественного прорыва, необходимо строить второй уровень. Однако в отсутствие более полезных продуктов второго уровня Биткойна эти технологические возможности для соединения первого и второго уровней будут чрезмерно использоваться в течение некоторого времени.

2.1 Строительство второго уровня на основе цепочки

Ранние имитации Биткойна провели множество исследований, таких как "Colorcoin", "CovertCoins" и "MasterCoin"; различные расширения имитаций Биткойна, такие как BCH, BSV, BTG; различные технологии сайдчейнов основаны на расширении цепочки, можно сказать, это своего рода широкое второе измерение.

Включая Эфир, это также исследование улучшений, основанных на Биткойне. Виталик, не сумев убедить другие команды проектов, создал свою команду, чтобы выпустить белую книгу и разработать новое поколение блокчейн-систем, нацелившись на недостатки Биткойна: отсутствие учетной системы UTXO, не полностью тьюринговый язык выполнения, плохая масштабируемость и другие проблемы. Хотя это исследование Эфира не является прямым строительством второго уровня на Биткойне, в широком смысле оно представляет собой исследование строительства на основе цепочки.

Исследование улучшений Эфириума по сравнению с Биткойном, а также развитие и верификация второго уровня на Эфириуме предоставили примеры для разработки сетей второго уровня на Биткойне, основанных на блокчейне. Разнообразные решения Rollup, кросс-цепочные решения, технологии сообщений и собственная шардировка Эфириума,