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隆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び注目するようになりました。誰か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いたと考えています。ビットコインエコシステムの多くの技術発展の中で、第二層の構築は最も重要なポイントです。本記事ではビットコインの第二層の基礎知識をまとめ、より多くの人々が関連する考えを深め、この分野の発展を促進することを期待しています。

いくつかの見解では、ブロックチェーンの世界はビットコインから始まり、ビットコインエコシステムで終わるとされています。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。

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。業界で一般的に使われる表現に適応するため、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

ビットコインの二層構築に必要な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から始めましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性とニーズ

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多くの特性を理解することがより明確になります。私たちはまた、フォン・ノイマン構造に基づいてこの「世界コンピュータ」の発展の可能性を分析します。

ブロックチェーンのいくつかの基本的な特性:

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"のデータ保存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がある内部的な要求特性でもあります。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、"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要求の共同の結果です。

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す。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よって支持されています。非ビザンチン将軍システムは理論的にブロックチェーンシステムではありません。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的な要求と利用者が必要とする外部的な要求の両方によって構成されています。微視的なレベルでは暗号学に関連する技術によって安全性が保証され、巨視的なレベルではアーキテクチャの分散化によって保証されるため、微視的データの偽造や巨視的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かどうかを考察します。いくつかのチェーンは自身の主要な特性を保持するために、意図的にチューリング不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は、そのコード命令をチューリング不完全にするだけでなく、発展の過程で意図的にいくつかの命令セットを削除することで、その安定性と安全性を保持しています。すべてのチューリング完全な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。階層設計の考え方から見ると、シンプルなシステムは基盤層に適していると言えます。

性能: 同じ計算能力のもとで、性能はブロックチェーンの世界におけるコンピュータのもう一つの主要な能力を評価する指標です。一般的にTPS、すなわち1秒あたりの処理トランザクション数で測定されます。

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あるはずです。現在は基本的にブロック内に保存されており、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"の中の一つの細分化されたニーズであり、計算と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維持することを要求します(私たちは検閲耐性もプライバシーの部分に含めています)。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。

もう一つの総合指標はスケーラビリティで、一般的には全体のアーキテクチャのスケーラビリティを指します。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は、システムのスケーラビリティは非常に重要な指標です。他には接続能力や特定のシナリオにおける能力もありますが、ここでは詳しくは述べません。

これらのブロックチェーンの基本的な特性の中で、ほとんどが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仮説は去中心化(Decentralization、D)、安全性(Security、S)およびスケーラビリティ(Scalability、S)です。

分散システムにおいて、類似の不可能な三角形はCAP原則です。CAPは、分散システムにおけるConsistency(一貫性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分割耐障害性)の三つが同時に成り立つ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、バイザンチ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

二層構築でどのような役割を果たす必要がありますか？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、一層システムでは行うのが適さないことを二層構築で行う必要があります。

上記の要約されたブロックチェーンの特性から、初歩的な結論として、これらの基本的な能力を拡張する必要があることがわかります:公開透明性、分散化、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。これらの技術的な観点からの基本的な能力に加えて、解決する必要がある非常に重要な経済学的問題があります。それはコストの削減です。通常、1層ネットワークの取引実行の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2層ネットワークを使用する必要があります。

まとめるとキャパシティを増やし、コストを下げ、カスタマイズ機能の3つの次元の解決策はすべて第2層の構築です。カスタマイズ機能に関しては、現時点ではまだ明確ではなく、しばしば前の2つの特性の中に隠れているため、理解しにくい部分があります。私たちはこう理解できます。一層ネットワークの特性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、特定のアプリケーションに対して第2層上でさまざまな特性の実現度を再調整することができます。

第2層の構築において、ブロックチェーンの基礎能力はそれぞれ取捨選択が行われ、一部の特性が低下したり、さらには一部の特性が捨てられたりする一方で、特定の特性が著しく向上することがあります。例えば、一部の第2層は性能を向上させるために、分散化の程度を低下させたり、安全性を低下させたりします; 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、基礎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、明らかにプライバシーと検閲耐性を向上させますが、技術的な実現の難易度は増します。後のケーススタディでは、いくつかの特性を同時に低下させたり変更したりする第2層の構築を見ることができます。

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、複雑なシステムを扱う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、各階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ます。

広範で大規模なプロトコルシステムに対して、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、人々が理解しやすく、分業を実現しやすく、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。コンピュータネットワークのISO/OSIの七層モデル設計のように、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、プロトコルの層化の利点は:

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装されているかを知る必要はなく、ただ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良いのです。これにより、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、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.柔軟性が高い。いずれかの層に変化が生じた場合、層間インターフェースの関係が変わらなければ、その層よりも上または下の層には影響しません。ある層に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、他の層の作業に影響を及ぼすことはありません。問題を排除する際も、その層の独自の問題だけを考慮すればよいです。

3.構造的に分割可能。各層は最も適した技術を用いて実現できます。技術の発展は往々にして非対称的であり、階層的な区分は木桶の法則を効果的に回避し、特定の側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.実現と保守が容易。この構造は、大規模で複雑なシステムの実現とデバッグを扱いやすくします。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、または誤った問題を解決するという状況を回避できます。

5.標準化作業を促進できる。各レイヤー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、特定のレイヤーを自由に交換できることであり、使用や研究にとって非常に便利です。

階層モジュール設計思想は、技術分野において機能が大きく、多くの人が協力し、そして継続的に改善が必要な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。

2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

ビットコインの第二層には三つの顕著な第二層構築ルートがあります:

(1)の一つは、チェーンに基づく拡張ルートであり、EVMのレイヤー2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、分散型の構造です。

(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。

前二つの方法はそれぞれの特徴があり、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、チェーンに基づくレイヤー2の拡張は比較的容易で、参考ケースも多く存在します。第二の分散型の方法は通常、難易度が高く、発展も少し遅いですが、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、レイヤー2の構築には見えませんが、レイヤー2の構築機能を果たしているようです。

どの二層構築プランがより優れていますか？私たちは市場の検証結果を基準として、どの二層ネットワークの総ロック価値TVL(Total Value Locked)が高いか、そのプランが最適なプランです。時間と技術の進歩に伴い、この最適なプランは変化するプロセスとなります。

ビットコインの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な関連を持ち、いくつかの特性がビットコインの一層ネットワークよりも優れている限り、それはビットコインの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二層の構築と見なされます。この判断に基づいて、私たちは第三の二層ネットワークの構築、つまり中央集権的な構造の二層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のために設計されるべきであり、これらの技術を過度に開発機能に使用するべきではない。なぜなら、第一層ネットワークがどんなに拡張されても質的な突破はないからであり、第二層の構築が必要である。しかし、より使いやすいビットコイン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だろう。

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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様々な探求を行い、「Colorcoin」(カラードコイン)、「CovertCoins」や「MasterCoin」などがありました。様々なスケーリングのビットコイン模倣チェーンとして、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)があります。様々なサイドチェーン技術はチェーンの拡張構築のケースに基づいており、広義には二層の一種と言えます。

イーサリアムを含む、それはビットコインに基づいた改善の探索でもあります。ビットコインの不完全性に対して：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、スケーラビリティの悪さなどの問題を解決するために、新世代のブロックチェーンシステムが開発されました。このイーサリアムの探索は、ビットコイン上の直接的な二層の建設ではありませんが、広義にはチェーンに基づく建設の探索といえます。

イーサリアムはビットコインの不完全な改善の探求と、イーサリアム上のレイヤー2についてです。