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しい活力をもたらし、より多くの人々がビットコインに再び注目するようになりました。有人は、これがビットコインエコシステムのパンドラの箱を開けたと考えています。ビットコインエコシステムにおける多くの技術の発展の中で、第二層の構築が非常に重要です。本記事では、いくつかの著名な論文や多くの友人との交流を参考にし、ビットコインの第二層に関する基礎知識をまとめました。この分野の発展を促進するためのきっかけになればと思います。

ブロックチェーンの世界はビットコインから始まり、ビットコインのエコシステムで終わります。イーサリアムもビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求と見なすことができます。

1. レイヤー2のミッション

ビットコイン二層建设に必要な基本的な問題を理解するために、まずブロックチェーンシステムの基本的な特性から始めます。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と要求

私たちはブロックチェーンを「世界コンピュータ」と見なすことができます。この観点からブロックチェーンの様々な特性を理解することがより明確になります。まず、いくつかの基本的な特性をまとめましょう:

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命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から生じる内部的な要求特性です。この特徴は、使用者のデータに対する知る権利を満たしており、この"世界のコンピュータ"自身の内部協力の要件と使用者の外部的要求の共同結果です。

分散化: 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、分散化の程度とフォールトトレランスは理論的にバイザンティン将軍問題によって支持されています。分散化の程度はブロックチェーンのセキュリティの重要な指標であり、いくつかの特性の基盤でもあります。

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要件とユーザーが必要とする外部要件の両方によって構成されています。ミクロの観点からは、セキュリティは暗号学関連技術によって保証され、マクロの観点からはアーキテクチャの分散化によって保証されるため、ミクロデータの偽造やマクロアーキテクチャの破壊によってこの"世界コンピュータ"のセキュリティが影響を受け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のコンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。この指標を測るために、一般的にはチューリング完全性を考察します。一部のチェーンは自らの主要な特性を保持するために、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、中本哲史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、発展の過程で意図的にいくつかの命令セットを削減し、その安定性と安全性を保っています。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のものです。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のもう一つの主要な能力です。一般的にTPS、つまり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「世界コンピュータ」として説明されているので、データを記録する能力、つまりストレージ機能があるはずです。現在は基本的に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途上です。

プライバシー: プライバシーは"世界コンピュータ"の中での一つの細分ニーズであり、計算と保存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のニーズによって駆動されています。

もう一つの統合指標は拡張性であり、一般的には全体のアーキテクチャの拡張性を指します。この特性は、多くの基本特性に影響を与え、アーキテクチャの観点から見ると、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、大部分は不可能な三角形が相互の発展関係を制約しています。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。

分散型システムにおける類似の不可能な三角形はCAP原理です。CAPは、分散型システムにおいて、一貫性、可用性、分割耐障害性の三つを同時に得ることが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型システムであるため、CAP原理にも適用されます。

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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、一層システム上で行うのに適さないことを二層構築で行います。

上記のブロックチェーンの特性から、初歩的な結論を導き出すことができる。それは、これらの基本的な能力を拡張することが必要である:公開透明性、非中央集権、安全性、計算能力、性能(スループット)、ストレージ、プライバシーなど。これらの技術的な基本能力に加えて、解決すべきもう一つの重要な経済学的な問題がある。それは、コストを削減することである。通常、1層ネットワークの取引実行にかかる総コストは比較的高いため、これらのコストを削減するためには2層ネットワークを使用する必要がある。

まとめると容量を増やし、コストを下げ、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レイヤー2の構築である。カスタマイズ機能に関しては、現在はまだ明確ではなく、前の2つの特性にしばしば隠されているため、少し難解です。私たちはこう理解できます：レイヤー1ネットワークの特性は、多くのアプリケーションにおいて必要な程度が異なり、レイヤー2の上で特定のアプリケーションに対してさまざまな特性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取捨選択され、いくつかの特性が低下したり、さらにはいくつかの特性が捨てられたりする一方で、特定の特性が顕著に向上します。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、非中央集権の程度を低下させ、安全性も低下させます。スラッシュネットワークのようにスループットを増加させるために、システムの構造や決済の方法を変更するレイヤー2もあります。また、基本的な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ます。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増加させますが、技術的な実現の難易度を高めます。

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、複雑なシステムを処理するための手段と方法論であり、システムを複数の階層構造に分割し、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。

広範で大規模なプロトコル体系に対して、階層化を使用することには明らかな利点があります。このようにすることで、人々は理解しやすく、役割分担が実現しやすく、モジュールごとの改善が容易になるなどの利点があります。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、具体的な実装の中でいくつかの階層を統合することができます。例えば、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:

1.各層は独立しています。ある層はその次の層がどのように実現されているかを知る必要はなく、単に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よいのです。こうすることで、全体の問題の複雑さが低下します。つまり、前の層の作業がどのように行われるかは次の層の作業に影響を与えず、このように各層の作業設計を行う際にはインターフェースが不変であることを保証すれば、層内の作業方式を自由に調整することができます。

2.柔軟性が良い。 どのレイヤーに変更があっても、レイヤー間のインターフェース関係が変わらなければ、その上位または下位のレイヤーには影響を与えません。あるレイヤーに技術革新が生じたり、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ありません。問題を排除する際も、このレイヤーの問題だけを考慮すればよいです。

3.**構造上で分割可能。**各層は最適な技術を採用して実現することができます。技術の発展はしばしば非対称であり、階層化の区分は木桶効果を効果的に回避し、特定の技術の不完全性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。**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容易になります。なぜなら、全体のシステムが相対的に独立したいくつかの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、または間違った問題を解決するという事態を回避できます。

5.**標準化作業を促進できる。**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ため。標準化の利点は、特定の層を自由に置き換えることができ、使用や研究にとって非常に便利である。

階層的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、多くの人々が協力し、常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、効果的な方法です。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

ビットコインの二層には三つの顕著な二層構築ルートがあります:

(1)の1つは、チェーンに基づく拡張経路であり、EVMの第2層に非常に似ており、ブロックチェーン構造です。

(2)の一つは分散型のルートに基づいており、ライトニングネットワークを代表とし、分散型構造です。

(3)もう一つは、中央集権的なシステムに基づくルートであり、中央集権的なインデックスを代表とし、中央集権的な構造です。

前の2つの方法はそれぞれ特徴があり、すでにいくつかの使用されている製品や探求されている製品があります。第一の方法については、イーサリアムの活発な発展や他のビットコイン模倣チェーンの探求があるため、チェーンに基づく二層拡張は比較的容易で、参考にできるケースも多いです。第二の分散型の方法は通常、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その代表です。第三の方法は非常に議論の余地があり、二層の構築とは見えないが、二層の構築機能を達成したように思えます。

どの二層構築方案がより良いのでしょうか？市場の検証結果を基準にして、どの二層ネットワークの総ロックアップ価値TVLが高いかが最適な方案となります。時間と技術の進展に伴い、この最適な方案は変化するプロセスです。

ビットコインのセカンドレイヤー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の技術的関連を築き、一部の特性がビットコインのファーストレイヤーネットワークよりも優れている場合は、すべてビットコインのセカンドレイヤー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セカンドレイヤーの構築と見なされます。この判断に基づいて、我々は第三のセカンドレイヤー構築、つまり中央集権的構造のセカンドレイヤー構築を認めるべきです。

ビットコイン本身技術の発展、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で設計されるべきであり、これらの技術を過度に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いくら拡張されても質的な突破はありませんので、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的能力は、しばらくの間過剰に使用されるでしょう。

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2.1 チェーンに基づく二層建設

初期のビットコイン模倣チェーンは様々な探索を行いました。例えば、「Colorcoin」(カラーコイン)、「CovertCoins」と「MasterCoin」；様々な拡張を行ったビットコイン模倣チェーン、例えばBCH(ビットコインキャッシュ)、BSV(ビットコインSV)、BTG(ビットコインゴールド)；様々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事例であり、広義の二層といえるでしょう。

イーサリアムを含む、それはビットコインに基づく改善の探求の一種です。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備、スケーラビリティの悪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、新世代のブロックチェーンシステムを開発しました。イーサリアムのこの探求は、ビットコイン上の直接的な二次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の一種です。

イーサリアムはビットコインの不完全な改善探索や、イーサリアム上のレイヤー2の発展と検証を通じて、ビットコインにおける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がイーサリアム技術のエコシステムを活性化させ、多くの人々が公衆チェーンの発展方向と未来はすでに確定していると考えるようになり、イーサリアムを代表とするエコシステムが勝利したと見なされました。