比特币 Layer2:在比特币上重建以太坊

比特币 Layer2 仍在初期阶段,由于比特币本身对于可编程性的限制性极强,难度高。此外,长久以来,链上扩容一直是比特币社区的难题,社区背后的支持均来自不同开发背景的团队或机构,缺乏可协调性,协同难度大。比特币原教旨主义与比特币新兴生态之间的争论仍然存在。

什么是 Layer2

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提到 Layer2,人们通常会联想到以太坊的 Layer2 Rollup,例如 Arbitrum、Optimism、zkSync、StarkWare,实际上,Layer2 的扩容方案最早起源于 2015 年比特币的闪电网络的白皮书。

像比特币、以太坊、Solana 这些公链统称为 Layer1,Layer1 的主要作用就是确保安全、去中心化及最终状态确定,做到状态共识,并作为“加密法院”,通过智能合约设计的规则进行仲裁,以经济激励的形式将信任传递到 Layer2 上。

Layer2 追求极致的性能,可以替 Layer1 承担大部分计算工作,比如将以太坊交易从主链上分离出来,降低一层网络的负担,提高业务处理效率,从而实现扩容。Layer2 只能做到局部共识,但是可以满足各类场景的需求。

比特币 Layer2

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总的来说,Layer2 是建立在 Layer1 之上的独立区块链网络,目的就是将 Layer 1 的大部分交易打包到 Layer2 以减轻压力,扩大容量。

目前,比特币网络平均每秒大概能处理 7 笔交易,相比之下,web2 世界的支付宝每秒能处理 10w 笔交易。随着以 Ordinals 协议为代表的铭文设计,使得比特币提供了一种链上去中心化存储能力,以 BRC-20 为代表的新型标准,实现了类似 ERC-721 和 ERC-20 的 比特币生态 Token,这些比特币生态的爆发,使得原本就低效的比特币网络变得更加“拥堵”,而以太坊 Layer2(包括 Rollup)的兴起,让比特币开发者看到了移植这些成熟的经验到比特币生态的希望,可以说,比特币 Layer2 毫无疑问能成为 2024 年最大的叙事春风之一。

比特币 Layer2 网络旨在满足比特币生态系统内日益增长的对更快速、更高效交易的需求。通过将某些交易处理任务从主网上释放,旨在缓解比特币主网的拥堵问题并大幅减少交易确认所需的时间。

比特币 Layer2 发展和分类

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比特币每个区块为1MB,按照平均每个交易大小为250字节(Byte),那就只能记录1024*1024 / 250=4194个交易。产生一个区块平均需要10分钟,那么每秒交易笔数就为4194/10/60=6.99笔,通常我们所说的比特币每秒7笔交易就是这么来的。

这里面有三个变量,分别是区块容量、交易大小、区块时间,其中只有通过更改区块容量提高交易速度的方法是可行的,例如将区块容量从1M增加到32M,那么每秒交易速度就会从7笔增加到224笔。如果不扩容,还想要增加交易速度,就只能通过侧链进行。

2010年12月12日,中本聪从公众视野消失时,将比特币开发权限交给了 Gavin Andresen,此后 Gavin 又把代码管理权限给了4位开发者,其中就包括 Gregory Maxwell —— 后来作为 Blockstream 公司 CTO。

Blockstream公司侧重于侧链技术与闪电网络,按照Gregory Maxwell的说法,Blockstream就 是为了比特币开发而建立的。

2015年2月闪电网络白皮书发布,2015年12月隔离见证(Segwit)方案被提出。此后,Gregory Maxwell将闪电网络写入比特币路线图,形成了“隔离见证+闪电网络”的技术路线。该扩容路线,实际上并没有改变区块大小,而是通过巧妙的设计,与链下处理的方式加快比特币确认速度。

隔离见证是指不把对交易的见证信息写入区块,从而使得区块大小不变的情况下,通过减少单笔交易的信息量,来容纳更多的交易。

闪电网络是在有频繁往来的交易对手之间以保证金的方式构建一个预付款的池,只要不超过这个额度,所有的交易不在主链区块里记录,只有在结算的时候才发生一笔交易,从而减轻小额交易对主网的压力。

在隔离见证升级后,虽然比特币区块大小限制改为了交易数据区块上限 1M 和见证数据区块上限 3M,总大小 4M。但这一上限至今未改变,随着比特币的影响力不断增大,扩容问题凸显。扩容仍是比特币生态面临的核心问题之一,各种技术路线正在积极探索解决方案,目前比特币的主要扩容方向如下。

状态通道

状态通道是一种在区块链上建立的虚拟通道,用于在不同用户之间实现双向通信和状态服务。它允许用户在通道内进行多次交易,而无需每次都将交易记录在区块链上,从而大幅提高了交易的效率和速度。这些通道可以由两个或多个用户共同创建,并且只有在需要时才会与区块链上的智能合约进行结算,从而减少了区块链网络的负载和交易费用。

状态通道最著名的例子就是上面提到的闪电网络,交易的双方在首笔交易时建立一个链下的支付通道,本质上就是待交易双方共持的记账本,用于保存交易记录。交易双方在通道中锁入一定数量的资金,然后通过私钥进行签署交易。

双方之间的资金转移不在链上进行,而是只保存在彼此的账本上,当其中一方或双方决定不再需要该通道的时候,结算的余额再在主网上广播。

但是闪电网络不仅仅只是双方的直接连接,其可以使得大量单条的通道串联起来,从而形成一个相互连接的、广阔的支付网络。也就是说,假设C和A有通道,C和B没有通道,但是A和B有通道,那么C就可以通过A间接地来和B进行交易,而作为中间商的A可以收取路由费用。在闪电网络中,网络会找到最少节点、最少交易费的路径来完成交易。

侧链

侧链是最常见的方案,老牌最受关注的侧链技术包括 Stacks、Liquid 和 Rootstock。

Stacks 作为比特币龙头侧链项目,一方面锚定在比特币区块链上,另一方面作为一个独立协议引入了类似以太坊的智能合约功能,并将交易永久在 BTC 区块链上结算,以作为比特币 L2 解锁比特币的可编程性,为 DeFi 和 NFT 等应用开启了新的可能性。

如果以整体系统来看,Stacks 其实拥有自己的链、编译器和编程语言,且与比特币同步运行,以确保其交易和完整性。不过由于其使用「挂钩」方式来实现 BTC 跨链——通过在 Stacks 网络上发行 sBTC 来实现,所以本质上是一种中心化的映射方式,存在一定的中心化单点风险。同时其网络 Gas 使用其主网代币 STX,而非 BTC,矿工参与 Stacks 的网络挖矿会消耗质押的 BTC 来挖取其网络代币,通过这个系统,矿工赚取 STX 币及交易费用 (transaction fees),而 STX 质押者赚取比特币,这也会导致矿工在取舍之中抱有犹豫参与的态度。

新兴的侧链技术例如 BEVM 则采用完全去中心化的比特币 Layer2 解决方案。

BEVM 是一个以 BTC 为 Gas 且兼容 EVM 的 BTC Layer2,核心目标是拓展比特币的智能合约场景,帮助 BTC 突破比特币区块链非图灵完备、不支持智能合约的束缚,让 BTC 可以在 BEVM 这个 Layer2 上构建以 BTC 为原生 Gas 的去中心化应用。

其中当用户把比特币主网的 BTC 跨到 BEVM 时,用户的 BTC 会进入 1000 个节点托管的合约地址内,然后同时在 BEVM 即 BTC Layer2 网络按照 1:1 的比例生成新的 BTC。

当用户发出把 BTC 从 BEVM 跨回主网的指令时,BEVM 网络节点将触发 Mast 合约,1000 个托管资产的节点将按照既定的规则自动签名,把 BTC 返回到用户地址,整个过程实现完全的去中心化和无需信任。

客户端验证

目前大部分公链使用全局共识模型(Global Consensus),所有节点验证所有交易,节点之间传输所有交易信息,全网共享统一的全局状态。

全局共识模型所带来的问题:

  1. 可扩展性限制,使得验证所有合约互动变得昂贵;
  2. 高成本阻止了更多用户参与运行节点,节点集中化;
  3. 缺乏隐私,交易信息公开。

客户端验证(Client-Side Validation,CSV)只需要让共识层保持对账本事件的加密承诺就足够了,将实际的事件信息(账本)存储在区块链之外。

CSV 代表项目是 RGB,在 RGB 中,没有一个全局网络广播所有的交易来创建比特币 UTXO 集合的等价物。这意味着在接收到资产转入时,RGB 客户端不仅要验证最近的状态转换是否有效,还需要对所有上溯到发行合约创世状态的前序状态转换进行相同的验证。所以 RGB 需要自底向上逐步验证交易历史,以防止双花攻击。

RGB 通过仅验证相关交易来提高可扩展性,同时也可能会出现类似数据可用性的问题,需要通过数据共享来优化支付验证。

RGB 的客户端需要存储更多数据,如果丢失用于验证交易的链下数据,用户也就无法再去花费,需要保存不仅仅是密钥。

Rollup

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ZK Rollup、Optimistic Rollup 与以太坊基本类似,比特币作为共识层、数据层、结算层,但是技术挑战非常大,特别是如果要支持ZK-Rollup,需要对比特币主网进行一次巨大升级,难以达成社区一致,并且会削弱比特币网络的货币和价值存储叙事。

ZK Rollup 代表项目是 Alpen,Optimistic Rollup 代表项目是 BitVM,都比较理想,处于理论阶段。

Sovereign Rollup 则是另一种“不完全”的 Rollup 方案,比特币只做共识层和数据可用层,Layer2有自己的状态和资产数据,不存放在比特币网络,通过 Layer2 的节点进行验证,即结算放在 Layer2,技术上易于实现,因此在比特币社区讨论热度也比较高。

Celestia 开发的开源技术框架 Rollkit 可以允许开发人员自定义选择数据可用性层和执行层,支持将 Rollup 数据直接存储在比特币网络上,同时支持开发人员进行 Sovereign Rollup 的部署。因此,开发人员能够使用 Rollkit 在比特币网络上部署 Rollup 协议提升可扩展性,并且最大限度地降低网络操作成本。

全链

全链(Omnichain)是通过构建一个基础层(Layer 0),将所有区块链连接在一起,无论它们的智能合约技术如何,所有其他网络和 DApp 都可以基于其之上。

全链是一个兼容一切的超级多链生态系统,因此只要兼容比特币也可以看作是比特币的 Layer 2,代表项目 MAP Protocol 。

MAP Protocol 是一个用于点对点跨链互操作的比特币 Layer2 网络,它利用比特币的安全机制,使其他公共链的资产和用户能够与比特币网络无缝互动,从而增强网络的安全性,并实现了 BRC-20 跨链能力。

写在最后

笔者来自蚂蚁链,也是一名以太坊上的开发者(最近也在学习 Solana 开发和 Sui 开发),平时喜欢看书和写作,所以也运营了一个 Web3 的公众号(公众号名:小猪Web3),主要聚焦 Web3 前沿技术和发展历程,所以在这里还是小小打一个广告,希望能在登链认识更多志同道合的朋友交流学习。

这一篇也是我公众号的一篇发表,探讨了比特币 Layer2,比特币 Layer2 仍在初期阶段,由于比特币本身对于可编程性的限制性极强,难度高。此外,长久以来,链上扩容一直是比特币社区的难题,社区背后的支持均来自不同开发背景的团队或机构,缺乏可协调性,协同难度大。比特币原教旨主义与比特币新兴生态之间的争论仍然存在。长期来看,引入 Rollup 和智能合约的能力对于比特币生态发展至关重要,可能会成为比特币生态中创新和多元化的关键驱动力,产生例如铭文 Defi 的落地产品。

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Web3朱大胆
Web3朱大胆
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从百度到灯火阑珊处,从传统互联网转型区块链的程序员,目前在蚂蚁链负责区块链研发,熟悉主流公链和Web3项目,擅长C++/Rust/Go/Solidity/(Sui)Move。同时也在做Web3自媒体,致力于分享前沿Web3技术。 行业交流欢迎加WX:go15810306120