Основы второго уровня сети Биткойн

Восхождение биткойн-надписей принесло новую жизнь экосистеме биткойна, привлекло больше людей к вниманию к биткойну. В технологическом развитии экосистемы биткойна строительство второго уровня является приоритетом. В данной статье обобщены основные знания о втором уровне биткойна, надеюсь, она сможет послужить толчком для развития этой области.

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

1. Миссия второго уровня

Для понимания основных проблем, которые необходимо решить при строительстве второго уровня Биткойн, начнем с базовых характеристик блокчейн-систем.

1.1 Основные характеристики и потребности блокчейна

Блокчейн можно рассматривать как "мировой компьютер". Мы понимаем различные характеристики блокчейна с этой точки зрения:

• Открытость и прозрачность: это особенности хранения данных и выполнения команд в блокчейне, а также внутренние требования, которые требуют участия множества распределенных узлов по всему миру в вычислениях.

• Децентрализация: это архитектурная особенность блокчейна, степень децентрализации и устойчивость к сбоям поддерживаются теорией византийских генералов. Степень децентрализации является важным показателем безопасности блокчейна.

• Безопасность: состоит из внутренних потребностей, возникающих из архитектурных особенностей, и внешних потребностей пользователей. На микроскопическом уровне обеспечивается криптографическими технологиями, на макроскопическом уровне обеспечивается децентрализованной архитектурой.

• Вычислительная мощность: одной из основных функций блокчейна является вычислительная мощность. Обычно это оценивается по тому, является ли система тьюрингом полным.

• Производительность: при одинаковой вычислительной мощности производительность является еще одной из основных характеристик блокчейна. Обычно измеряется в TPS.

• Хранение: Блокчейн имеет функцию хранения данных. В настоящее время данные в основном хранятся в блоках, более профессиональное хранение вне блоков все еще находится в процессе разработки.

• Конфиденциальность: требования сохранить диапазон полномочий производителей и пользователей данных в процессе вычислений и хранения. Это в основном обусловлено внешними потребностями пользователей.

Эти характеристики в основном ограничены невозможным треугольником, таким как гипотеза DSS (, децентрализация, безопасность, масштабируемость ) и принципы CAP (, согласованность, доступность, устойчивость к разделению ).

1.2 Роль построения второго уровня

Строительство второго уровня должно расширять недостатки системы первого уровня, выполняя то, что не подходит для завершения в системе первого уровня. Основное:

• Расширенные базовые возможности: открытость, прозрачность, децентрализованность, безопасность, вычислительная мощность, производительность, хранение, конфиденциальность и т.д.
• Снижение затрат: Обычно совокупные затраты на выполнение транзакций в одном уровне сети достаточно высоки
• Настраиваемые характеристики: перенастройка реализации различных характеристик для определенных приложений

Подводя итоги, можно выделить три направления: увеличение емкости, снижение затрат и индивидуальные характеристики.

1.3 Почему нужно делать многослойный дизайн?

Многоуровневый дизайн является средством и методологией для обработки сложных систем, достигая модульности, поддерживаемости и масштабируемости системы путем разделения на несколько уровней и определения отношений и функций на каждом уровне.

Преимущества многослойного проектирования:

1. Каждый уровень независим, не нужно знать детали реализации нижнего уровня.
2. Хорошая гибкость, изменения на одном уровне не влияют на другие уровни
3. Структура может быть разделена, и каждый уровень может использовать наиболее подходящую технологию
4. Легкость в реализации и обслуживании
5. Содействие стандартизации

Модульный дизайн с уровневой структурой является эффективным методом в технической области для обработки больших функциональных проектов, требующих совместной работы множества людей и постоянных улучшений.

2. Несколько подходов к строительству Layer2 для Биткойна

Строительство второго уровня Биткойна имеет три основных направления:

1. Расширение на основе цепочки: второй уровень, похожий на EVM, является структурой блокчейна
2. Распределённый маршрут: в качестве примера служит сеть Lightning, которая является распределённой структурой
3. Маршрут на основе централизованной системы: представлен централизованным индексом, является централизованной структурой.

Какой вариант лучше? Можно использовать общую заблокированную стоимость (TVL) в качестве критерия оценки; варианты с высоким TVL предпочтительнее. С течением времени и развитием технологий оптимальные решения будут меняться.

Определение второго уровня сети Биткойн: если основано на сети Биткойн, создаются технические связи, и некоторые характеристики превосходят уровень сети Биткойн, это считается строительством второго уровня Биткойн.

2.1 Строительство второго уровня на основе цепочки

Ранние имитации Биткойна сделали множество исследований, таких как "Colorcoin", "MasterCoin" и т.д.; различные расширения имитаций Биткойна, такие как BCH, BSV, BTG; а также различные технологии сайдчейнов являются примерами расширения цепочки.

Эфир также можно рассматривать как улучшенную версию Биткойна. Улучшения Эфира по сравнению с Биткойном и развитие второго уровня Эфира дают Биткойну ориентиры для развития сетей второго уровня на основе цепочки.

В Биткойне строительство второго уровня на основе цепочки в основном включает два типа цепочек:

• Совместимая с EVM модель аккаунтов: такие как Эфириум, Polygon, BSC, Arbitrum и т.д.
• Модель UTXO, аналогичная Биткойн: например, CKB(Nervos), Chia и другие

Преимущества построения второго уровня на основе цепочки:

• Сохранять большинство основных характеристик блокчейна
• Решение проблемы Тьюринга
• Значительно снизить торговые издержки
• В определенной степени расширить сетевые возможности
• Техническая реализация относительно проста, существует много исследовательских примеров.
• Удобная миграция верхних приложений, можно быстро реализовать

Недостатки:

• Ограниченные рамками блокчейна, возможности повышения производительности ограничены
• Может снизить уровень децентрализации или безопасности

Определение: на основе цепной структуры может существовать множество проектов второго уровня, в различных вертикальных областях может быть один или несколько вторичных уровней, удовлетворяющих различные потребности в приложениях. Его стоимость определяется количеством верхних приложений и общей стоимостью.

2.2 Построение второго уровня на основе распределенных систем

Некоторые построения второго уровня основаны на распределенных системах, структура и рамки которых не являются блокчейн-структурой, а основаны на распределенной системе Channel. Сеть Lightning является典型ным представителем.

Строительство второго уровня распределенной системы делится на два типа:

1. Только завершение передачи стоимости, например, сеть Lightning
2. Завершить передачу ценности и тьюринговые вычисления, такие как RGB

Преимущества построения второго уровня на основе распределенной сети:

• Система стала более децентрализованной
• Может вместить бесчисленное количество узлов
• Лучшая защищенность конфиденциальности и устойчивость к цензуре
• Имеет бесконечную масштабируемость, теоретически производительность огромна

Недостатки:

• Техническая реализация сложна
• Не хватает инженерного опыта и инфраструктуры в области передачи ценности
• Реализация системы с полным числом Тьюринга является огромным вызовом

Определение: в распределенной структуре второго уровня на основе канала может существовать только несколько параллельных проектов, причина:

1. Система обладает бесконечной расширяемостью
2. Реализация технологии затруднительна

Эти системы требуют более открытого дизайна и концепции, которые могут вместить больше людей и команд.

2.3 Строительство второго уровня на основе централизованной системы

Централизованные индексные структуры, такие как Ordinals, или индексаторы некоторых функциональных узлов являются централизованными структурами и представляют собой подход к строительству второго уровня.

Эта концепция строительства редко признается, поскольку второй уровень слишком централизован и имеет очень ограниченные возможности масштабирования для первого уровня сети. Централизованная структура второго уровня зависит от основных характеристик блокчейна первого уровня, а второй уровень выполняет только простые вычисления и функции статистики.

Преимущества:

• Централизованные системы очень зрелые
• Есть множество доступных примеров и оптимизационных решений
• Полная вычислительная тьюринговская полнота и выдающаяся производительность

Недостатки:

• Сильно централизованный второй уровень
• Все основные характеристики блокчейна зависят от сетевого уровня

Определение: на централизованной структуре второго уровня может существовать лишь несколько проектов, и даже они могут существовать временно. После того как распределенная структура, основанная на цепочках и каналах, станет зрелой, большинство построек второго уровня на централизованной структуре могут исчезнуть или остаться лишь для использования в немногих специальных случаях.

3. Вопросы, связанные со строительством второго уровня

3.1 Технология соединения первого и второго уровня

Техническое развитие самого Биткойна, такое как изменение OP_RETURN, Taproot, подписи Schnorr, MAST, Tapscript и другие, должно быть разработано с целью соединения первого и второго уровней. Общие технологии, соединяющие блокчейн первого и второго уровней, включают:

• Кросс-чейн технологии: реализация взаимодействия между различными блокчейнами, трансфер активов между цепями и взаимодействие.
• Изолированная верификация: изолирует уровень данных транзакций, обрабатывается на втором уровне верификации
• Технология боковых цепей: соединение основной цепи и боковой цепи для передачи данных
• Технология State Channel: создание коммуникационного канала вне цепи, повышение скорости и пропускной способности транзакций
• Технология Plasma: обработка одного слоя транзакционных данных с помощью шардирования, обработка с помощью второго слоя верификации

Исследование показателей технологий соединения первого и второго уровней:

• Может ли первый уровень выполнять верификацию для транзакций второго уровня
• Сможет ли актив первого уровня благополучно выжить при крахе второго уровня
• Будет ли технология соединения снижать некоторые характеристики системы

3.2 Ссылаясь на структуру фон Неймана, рассматриваем развитие блокчейна

Блокчейн, этот "мировой компьютер", можно сопоставить с традиционной архитектурой фон Неймана. Пять основных компонентов компьютера архитектуры фон Неймана: арифметико-логическое устройство, контроллер, память, устройства ввода и устройства вывода. В системе блокчейна также присутствуют аналогичные компоненты.

Несколько сравнений:

1. Расширение ЦП похоже на расширение вычислительной мощности и пропускной способности первого и второго уровня
2. Расширение хранилища будет происходить от пространства на конкурентной цепочке до использования настоящего хранения на блокчейне.
3. Устройства ввода-вывода в системе блокчейна являются оракулами
4. Некоторые специальные цепочки и функции аналогичны GPU традиционных компьютеров, специализированным устройствам и картам.
5. Онлайновые приложения и более высокоуровневые приложения аналогичны тому этапу, когда традиционные компьютеры еще не различали операционные системы и прикладное программное обеспечение.
6. Приложения блокчейна будут расширяться от ранних финансовых приложений до более широких применений

4. Текущая ситуация с построением Layer2 для Биткойн

4.1 Уже запущенные проекты второго уровня Биткойн

1. Сетевой протокол (Lightning Network )

• Строительство второго уровня на основе распределенной системы
• Предложено в 2015 году, полностью реализовано в 2018 году
• Особенности: быстро, низкая стоимость, масштабируемость
• Реализация оффлайн-транзакций через платежные каналы, что значительно снижает время подтверждения и расходы.
• Столкновение с проблемами стабильности сети, алгоритмов маршрутизации и т.д.

2. Ликвидный

• Строительство второго уровня на базе цепочки
• Решение по сторонним цепочкам, представленное Blockstream в 2015 году
• Особенности: быстрая подтверждение транзакции (2 минуты ), конфиденциальность транзакций, высокая пропускная способность
• Использование технологии Confidential Transactions для скрытия суммы транзакции
• Использование технологии Federated Peg для поддержки большого количества параллельных транзакций

3. Rootstock(RSK)

• Строительство второго уровня на основе цепочки
• Введен в 2015 году,正式 запущен в 2018 году
• Особенности: двусторонняя привязка к Биткойн, поддержка смарт-контрактов
• Предоставить Биткойн функции, аналогичные Эфиру
• Развивается относительно медленно, но имеет потенциал стать важной платформой для смарт-контрактов

4. RGB

• Основанный на распределенной + Тьюринговой полноте двухуровневого строительства
• Происхождение в 2016 году, разработано Ассоциацией стандартов LNP/BP
• Характеристики: масштабируемый, конфиденциальный, децентрализованный протокол без необходимости введения токена
• Использование концепции клиентской верификации и одноразовой печати
• Исполнение токенов, выпуск NFT, DeFi, DAO и другие сложные смарт-контракты

5. Стеки

• Строительство второго уровня на основе цепочки
• Предложен в 2013 году, ICO проведено в 2017 году
• Характеристики: предоставляет функции децентрализованной аутентификации, хранения и смарт-контрактов
• Использование механизма консенсуса "Stacking"
• Стал одной из важных платформ в области децентрализованных приложений

6. Другие новые проекты

• B² Network: разработан на основе ZK-Rollup, совместим с EVM
• BEVM: децентрализованный Биткойн L2, совместимый с EVM
• Dovi:совместимый с EVM смарт-контрактами Биткойн Layer2
• Map Protocol: сосредоточен на кросс-цепочном протоколе
• Merlin Chain: интеграция сети ZK-Rollup, децентрализованного оракула и модуля защиты от мошенничества на основе BTC
• Bison: нативный zk-rollup Биткойн

4.2 Бит