Основы второго уровня сети Биткойн

Возрождение Биткойн-надписей привнесло новую жизнь в экосистему Биткойна, привлекло больше людей к Биткойну. Некоторые считают, что это открыло Пандорину шкатулку экосистемы Биткойна. В многочисленных технологических разработках экосистемы Биткойна строительство второго уровня имеет жизненно важное значение. В данной статье, опираясь на некоторые известные статьи и общение с несколькими друзьями, я обобщил базовые знания о втором уровне Биткойна, надеясь, что это послужит толчком для развития этой области.

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

1. Миссия второго уровня Layer2

Чтобы понять основные проблемы, которые необходимо решить при строительстве второго уровня Биткойна, начнем с базовых характеристик блокчейн-систем.

1.1 Основные характеристики и требования к блокчейну

Мы можем рассматривать блокчейн как "мировой компьютер". С этой точки зрения понимание различных характеристик блокчейна станет более ясным. Сначала мы подведем итоги некоторых основных характеристик:

Открытость и прозрачность: Это характеристика хранения данных и выполнения инструкций блокчейна как "мирового компьютера", а также внутренняя потребность в совместном расчете, требующая участия множества распределенных узлов по всему миру. Эта характеристика удовлетворяет право пользователей на информацию о данных и является результатом совместных требований внутренней кооперации этого "мирового компьютера" и внешних потребностей пользователей.

Децентрализация: Это архитектурная особенность этой "мировой вычислительной машины", уровень децентрализации и отказоустойчивость теоретически поддерживаются теорией византийских генералов. Уровень децентрализации является важным показателем безопасности блокчейна и основой для некоторых его характеристик.

Безопасность: Безопасность формируется из внутренних требований, возникающих благодаря архитектурным особенностям этого "мирового компьютера", и внешних требований пользователей. На микроуровне безопасность обеспечивается технологиями, связанными с криптографией, а на макроуровне – децентрализацией архитектуры, что позволяет избежать влияния на безопасность этого "мирового компьютера" из-за подделки микро данных или разрушения макро архитектуры.

Вычислительная мощность: Одна из основных функций этой мировой вычислительной машины, блокчейна, — это вычислительная мощность. Для оценки этого показателя мы обычно обращаем внимание на то, является ли система тьюрингом полным. Некоторые цепочки специально разрабатываются так, чтобы сохранить свои основные характеристики и быть тьюрингом неполными. Например, в сети Биткойн Накамото не только не сделал кодовые инструкции тьюрингом полными, но и на этапе развития намеренно удалил некоторые инструкции из набора, тем самым обеспечив его стабильность и безопасность. Все технологии, которые являются тьюрингом полными, предназначены для расширения вычислительной мощности блокчейна. С точки зрения иерархического проектирования простые системы лучше подходят в качестве базового уровня.

Производительность: При равной вычислительной мощности производительность является еще одной важной характеристикой для оценки блокчейн-компьютеров. Обычно используется TPS, то есть количество транзакций, обрабатываемых в секунду.

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

Конфиденциальность: Конфиденциальность является одной из подсегментов в "мировом компьютере", требующей сохранения диапазона полномочий производителей и пользователей данных в процессе вычислений и хранения. Это в основном обусловлено внешними потребностями пользователей.

Есть еще один комплексный показатель - масштабируемость, который обычно относится к масштабируемости всей архитектуры. Эта характеристика влияет на большинство основных свойств, и на уровне архитектуры масштабируемость системы является очень важным показателем.

В основе этих характеристик блокчейна лежат ограничения, накладываемые невозможным треугольником на взаимные отношения развития. Например, гипотеза DSS предполагает децентрализацию, безопасность и масштабируемость.

В распределённых системах аналогом невозможного треугольника является принцип CAP. CAP означает, что в распределённой системе невозможны одновременные получение согласованности, доступности и устойчивости к разделению. Блокчейн-системы являются распределёнными системами с проблемой византийских генералов, поэтому к ним также применим принцип CAP.

1.2 Роль построения второго уровня

Какие роли нужно выполнить для строительства второго уровня? Какие функции он предоставляет? Строительство второго уровня должно устранить недостатки системы первого уровня, и те вещи, которые не подходят для выполнения в системе первого уровня, должны быть выполнены в строительстве второго уровня.

Из вышеизложенных характеристик блокчейна можно сделать предварительный вывод, что необходимо расширить эти базовые возможности:открытость и прозрачность, децентрализация, безопасность, вычислительная мощность, производительность(, пропускная способность), хранение, конфиденциальность и т.д.. Кроме этих базовых возможностей с технической точки зрения, есть еще один очень важный экономический вопрос, который нужно решить, а именно снижение затрат, как правило, совокупные затраты на выполнение транзакций в одноуровневой сети довольно высоки, поэтому необходимо использовать двухуровневую сеть для снижения этих затрат.

В одном предложении это можно резюмировать как все решения для увеличения емкости, снижения затрат и настройки характеристик относятся к строительству второго уровня. Что касается настройки характеристик, в настоящее время они еще не достаточно очевидны или часто скрываются за первыми двумя характеристиками, что несколько запутывает. Мы можем понять это так: характеристики сети первого уровня для многих приложений требуют разной степени, и можно заново адаптировать реализацию различных характеристик для некоторых приложений на втором уровне.

В строительстве второго уровня базовые возможности блокчейна будут иметь свои компромиссы, некоторые характеристики будут снижены или даже отброшены в обмен на значительное улучшение других характеристик. Например, некоторые вторые уровни, чтобы повысить производительность, снизят степень децентрализации и безопасность; некоторые вторые уровни, чтобы увеличить пропускную способность, такие как сеть Lightning, изменят структуру системы и способ расчетов. Есть и такие, которые усиливают определенные характеристики без снижения базовых, например, способ обработки RGB, который явно увеличивает уровень конфиденциальности и устойчивости к цензуре, но увеличивает сложность технической реализации.

Снижение затрат должно быть основным требованием для всех построек второго уровня.

1.3 Почему стоит делать многослойный дизайн?

Многоуровневый дизайн — это метод и методология, с помощью которых человек обрабатывает сложные системы, разделяя систему на несколько уровней и определяя взаимосвязи и функции между ними, чтобы достичь модульности, удобства обслуживания и расширяемости системы, что, в свою очередь, повышает эффективность и надежность проектирования системы.

Для обширной и крупной системы протоколов использование иерархии имеет очевидные преимущества. Это облегчает понимание, распределение задач и модульное улучшение. Подобно семиуровневой модели ISO/OSI в компьютерных сетях, но в конкретной реализации некоторые уровни могут быть объединены, например, конкретный сетевой протокол TCP/IP является четырехуровневым.

Конкретно о преимуществах многоуровневых протоколов:

1.Все уровни независимы друг от друга. Один уровень не должен знать, как реализован следующий уровень, а лишь должен знать о сервисах, предоставляемых через интерфейс между уровнями. Таким образом, сложность всей проблемы снижается. Иными словами, то, как выполняется работа на предыдущем уровне, не влияет на работу следующего уровня, поэтому при проектировании работы каждого уровня мы можем свободно настраивать способы работы внутри уровня, при условии, что интерфейс остается неизменным.

2.Хорошая гибкость. Когда происходит изменение на любом уровне, если взаимосвязь между уровнями остается неизменной, то это не повлияет на уровни выше или ниже. Когда на каком-то уровне происходит технологическое новшество или возникают проблемы в работе, это не затрагивает работу других уровней, и при устранении проблемы нужно рассматривать только отдельные проблемы этого уровня.

3.Структура может быть разделена. Каждый уровень может использовать наиболее подходящие технологии для реализации. Развитие технологий часто асимметрично, и иерархическое разделение эффективно предотвращает эффект бочки, не позволяя недостаткам в одной области технологий влиять на общую эффективность работы.

4.Легкость реализации и обслуживания. Эта структура позволяет легко обрабатывать реализацию и отладку большого и сложного системы, поскольку вся система была разбита на несколько относительно независимых подсистем. При отладке и обслуживании 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 услуги, которые они предоставляют, уже точно описаны. Преимущество стандартизации заключается в том, что можно свободно заменять любой из уровней, что очень удобно для использования и исследования.

Идея модульного проектирования по уровням является распространенным способом обработки крупных функциональных проектов в технической области, которые требуют сотрудничества многих людей и постоянного улучшения, и это метод, который был проверен на практике и доказал свою эффективность.

2. Стратегии строительства Layer2 для Биткойн

У Биткойна есть три выдающихся направления строительства второго уровня:

(1) Один из них основан на расширении цепочки и очень похож на второй уровень EVM, это структура блокчейна;

(2)Один из них основан на распределённой сети, представлен представлением сети Lightning, представляет собой распределённую структуру.

(3)Есть еще один путь, основанный на централизованной системе, представленный централизованным индексом, это централизованная структура.

Первые два способа имеют свои особенности, уже есть некоторые используемые продукты и продукты в стадии исследования. Что касается первого способа, то благодаря бурному развитию Эфириума и исследованиям других цепочек, имитирующих Биткойн, основанное на цепи вторичное расширение относительно легче, существует больше случаев для参考. Второй способ, основанный на распределении, обычно более сложен, его развитие также происходит медленнее, на примере сети Lightning. Третий способ вызывает большие споры, потому что он не выглядит как строительство второго уровня, но, похоже, выполняет функции второго уровня.

Какое решение для второго уровня лучше? Мы используем результаты рыночного тестирования в качестве критерия оценки: тот второй уровень, у которого общая заблокированная стоимость TVL выше, является оптимальным решением. С течением времени и развитием технологий это оптимальное решение будет изменяться.

Определение второго уровня сети для Биткойн заключается в том, что, опираясь на сеть Биткойн и устанавливая с ней техническую связь, некоторые характеристики превосходят первую сеть Биткойн, это считается строительством второго уровня Биткойн. Иными словами: если используется BTC в качестве газа, и BTC является базовым активом, системы, которые расширяют функциональность Биткойн, считаются строительством второго уровня. Исходя из этого критерия, мы должны признать третью категорию строительства второго уровня, а именно централизованную структуру второго уровня.

Развитие технологий самого Биткойна, таких как модификация OP_RETURN, Taproot, Schnorr-подписи, MAST, Tapscript, должно быть направлено на соединение первого и второго уровней, и не следует чрезмерно использовать эти технологии для разработки функций, поскольку расширение первого уровня не приведет к качественному прорыву; необходимо строить второй уровень. Однако в отсутствие более удобных продуктов второго уровня Биткойна, эти технологические возможности по соединению первого и второго уровней будут чрезмерно использоваться в течение некоторого времени.

2.1 Строительство второго уровня на основе цепочки

Ранние имитации Биткойна проводили различные исследования, такие как "Colorcoin"(цветные токены), "CovertCoins" и "MasterCoin"; различные расширения имитации Биткойна, такие как BCH(Биткойн Кэш), BSV(Биткойн SV), BTG(Биткойн Голд); различные технологии сайдчейнов основаны на примерах расширения цепочки, можно сказать, что это своего рода широкое вторичное решение.

Включая Эфир, это также является исследованием улучшений, основанным на Биткойне. Виталик, столкнувшись с неудачами в убеждении других команд проектов, собрал собственную команду, чтобы опубликовать белую книгу и разработать новое поколение блокчейн-систем, касаясь несовершенств Биткойна: отсутствие систем аккаунтов в UTXO, неструктурированность языка исполнения, плохая масштабируемость и другие проблемы. Хотя это исследование Эфира не является прямым строительством второго уровня на Биткойне, с широкой точки зрения это является исследованием строительства на основе цепочки.

Исследование несовершенств Биткойна и улучшения, предлагаемые Эфириумом, а также развитие и верификация второго уровня на Эфириуме, предоставили Биткойну пример для развития сетей второго уровня на основе цепочки. Разнообразные решения Rollup, кросс-цепочные решения, технологии каналов сообщений и собственная технология шардирования Эфириума способствовали процветанию экосистемы технологий Эфириума, и многие считали, что направление и будущее развития публичных цепей уже определено, а экосистема, представленная Эфириумом, одержала победу.