详解比特币L2生态全景与项目版图

撰文:Caliber

编译:深潮TechFlow

在金融科技的复杂领域,比特币作为一种创新的数字货币,通过绕过传统金融中介来实现点对点的直接交易。然而,随着其发展,比特币也面临一系列内在的挑战,尤其是与可扩展性和交易吞吐量相关的问题,这些问题是其更广泛应用道路上的主要障碍。

这些挑战并非比特币独有,以太坊虽然设计上更具灵活的应用开发能力,也存在类似的问题。为了解决这些问题,提出了许多解决方案,如侧链、Layer 2或支付通道网络。在以太坊中,Layer 2生态系统正在迅速扩展,涌现出各种解决方案,如EVM rollups、向rollups过渡的侧链以及追求不同程度去中心化和安全性的项目。Layer 2解决方案的安全性问题,特别是资产保障和这些系统读取及适应以太坊区块链变化的能力,突显了一个关键的权衡:更高的安全性通常以牺牲可扩展性和成本效益为代价。

虽然比特币在改进其功能方面取得了令人瞩目的进展,但在开发类似于以太坊的Layer 2解决方案时仍面临一些重大挑战。比特币的设计限制在确保Layer 2解决方案中的提现安全性方面尤为明显。其脚本语言功能有限,缺乏图灵完备性,限制了其执行复杂计算和支持高级功能的能力。这一设计选择优先考虑比特币的安全性和效率,但限制了其可编程性,相对于以太坊等更灵活的区块链平台而言。并且概率性最终性也可能削弱Layer 2解决方案所需的可靠性和速度,可能导致诸如链重组等问题,影响交易的永久性。尽管比特币的设计原则使其可靠且安全,但这些因素使其Layer 2系统难以迅速适应新变化。

隔离见证(SegWit)和Taproot对比特币而言是变革性的。SegWit通过分离签名数据,优化了比特币的基础设施,提高了交易速度,并支持闪电网络(Lightning Network)的快速支付处理。随后的Taproot通过压缩交易数据和掩盖交易复杂性,引入了效率和隐私的改进。SegWit和Taproot共同点燃了Layer 2创新的新潮流,成为未来Layer 2设计的基础,显著扩展了比特币作为数字货币的功能。

理解比特币的Layer 2解决方案

比特币的Layer 2三难困境

在比特币日益扩展的Layer 2解决方案中,我们看到许多不同的系统涌现,旨在提高可扩展性和增加采用率。这些解决方案提供了独特的方法来克服比特币的内在限制。提出了一种分类方法,将这些解决方案根据其解决比特币Layer 2三难困境的方式进行分类,将其分为离链网络、去中心化侧链和联合侧链,每种解决方案都有独特的方法和权衡:

  • 链下网络:优先考虑可扩展性和隐私,但可能给用户体验带来挑战。例如,&

  • 去中心化侧链:引入新的代币和共识机制,扩展功能,但可能使用户体验复杂化并增加中心化担忧。例如,,,等。

  • 联合侧链:通过可信的财团简化操作,提供效率,但可能以牺牲比特币的基础去中心化为代价。例如,,

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这种三难困境提供了一种有用的方法来分类比特币的Layer 2解决方案,但可能无法完全捕捉其设计的所有复杂细节。此外,它指出了当前解决方案的权衡,而不是无法解决的障碍,表明这些三难困境的元素是开发人员决策过程的一部分。

例如,去中心化侧链发行新代币以增加安全性和促进网络参与,这可能使用户交互更复杂,并且可能不受比特币纯粹主义者欢迎。另一方面,联合侧链选择跳过新代币,使用户体验更加顺畅,并减少比特币社区内部的抵触情绪。另一种选择是使用全VM/全局状态,这允许复杂功能的实现,包括在智能合约平台上创建新代币。然而,这种方法使系统更复杂,通常增加其受到攻击的风险。

技术分类

从另一个技术角度看,我们根据主要技术特征对比特币的Layer 2解决方案进行分类。这种不同的分类方法考察了各种技术细节和结构,提供了对每个解决方案如何贡献于增强比特币的可扩展性、安全性和功能的细致理解。每种方法都有其独特的目的,这些目的并不冲突,也不会制造三难困境。然而,每种方法在安全性和可扩展性方面都有各自的优劣。因此,一些系统可能会结合这些方法。我们将在文章的下一部分详细讨论这一点。让我们探讨这些类别:

  1. 使用双向锚定协议的侧链。这些侧链像Layer 2一样通过一种称为双向锚定的方法与比特币连接。这种设置允许比特币在主链和侧链之间转移,支持实验和实现主链不直接支持的功能。这种方法通过支持更广泛的用途,提高了比特币处理更多交易和不同类型应用的能力。双向锚定机制在将BTC价值转移到侧链上起着关键作用。在这些侧链上,开发人员设置了各种环境;有些选择使用EVM兼容生态系统,而有些则选择创建具有自身智能合约的VM环境。例如,,,,等。

  2. 区块链rollups。这种方法使用比特币作为存储数据的层,为rollup技术提供灵感。在这种设置中,每个UTXO像一个小画布,可以写入更复杂的信息。想象一下,每个比特币都可以存储自己的详细数据集,这不仅增加了价值,还扩展了比特币可以处理的数据和资产类型。它为数字交互和表示打开了广泛的可能性,使比特币生态系统更加丰富和多样化。例如,,

  3. 支付通道网络。这些网络就像比特币广阔景观中的快车道网络。它们帮助加速比特币侧路上的大量交易,减少拥堵,确保交易既快速又经济。例如,&。

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通过这种方式分解,我们可以更清楚地了解每种工具如何帮助改善比特币,使其更具可扩展性、安全性和多功能性。让我们深入了解这些工具:

双向锚定协议

双向锚定允许资产在两个独立的区块链(通常是主链和侧链)之间转移。这个系统使得资产可以在一条链上被锁定,然后在另一条链上解锁或铸造,保持原始资产和锚定资产之间的固定转换率。

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理解锚入过程

想象一下,你要将主链(如比特币)上的资产转移到侧链上。锚入过程是你的起点。在这里,你的资产在主链上被安全锁定,类似于将其存入保险库以确保安全。随后,在主链上创建一笔交易以巩固这种锁定。侧链识别此交易后,铸造出等量的锚定资产。这一过程类似于在外国土地上收到同等价值的凭证,使你能够在新环境中使用你的财富,同时确保你的原始资产保持完整和安全。

引导锚出过程

当你决定将资产恢复到原始主链时,锚出过程开始。这个返程过程涉及在侧链上“烧毁”或锁定锚定资产,表示这些资产在侧链上被搁置且不再流通。然后你提供此操作的证明给主链。一旦主链验证你的声明,它会将等量的原始资产释放给你。这种机制确保了资产在两条区块链之间分配的完整性和平衡,防止重复或丢失。

双向锚定系统的实现

RSK的双向锚定系统是一个先进框架,旨在通过RSK的平台将比特币与智能合约功能无缝集成。通过使用SPV进行高效的交易验证,采用稳健的联合模型进行交易审批,并整合SegWit和Taproot,RSK不仅提高了交易效率,还与比特币的安全模型紧密对齐。此外,合并挖矿方法增加了系统的安全性并激励了更多矿工参与。

  • RSK联合模型。Pegnatories(一个选定的职能组)是这种联合模型中的桥梁守护者或信任的守护者,确保每一次锚入和锚出都遵守协议。可以把他们看作是守护者委员会,每个人都持有一个集体保险库的钥匙。他们的角色至关重要——他们确保每笔跨桥交易都遵循完整性和共识,维护数字资产在这个关键通道中的安全有序流动。

  • Segwit和Taproot。SegWit通过将签名信息从交易数据中分离出来,减小了交易规模并提高了处理速度。此外,结合Schnorr签名方案和MAST(Merkelized Abstract Syntax Trees)及Taproot的其他增强功能,可以使交易更加高效和隐私。

  • RSK合并挖矿。在RSK的合并挖矿方法中,矿工同时保护比特币和RSK网络,而无需额外的计算需求,从而提升了RSK的安全性。此方法利用比特币的挖矿强度,为矿工提供额外奖励,展示了现有区块链基础设施的创新使用。然而,这种整合的成功依赖于准确对齐比特币区块内的标签与RSK区块,强调了详细且精确执行的重要性,以保持互连网络的安全性和一致性。

Botanix结合了比特币基础上的权益证明(PoS)共识和去中心化的EVM网络Spiderchain多重签名架构,以管理主链外的图灵完备智能合约。比特币作为主要结算层,Botanix通过高级多重签名钱包和链外加密验证确保交易完整性。

  • Spiderchain,是一个分布式多重签名网络,负责保管Botanix上的所有实际比特币。

    • 架构:Spiderchain由一组协调节点(节点运行者和整个链的流动性来源)组成。它由一个顺序排列的多重签名钱包组成,负责管理网络内的资产托管。每个钱包中的交易需要多个协调节点的批准,以确保没有单一故障点。

    • 动态操作。对于每个新的比特币区块,使用基于比特币区块哈希的可验证随机函数(VRF)来确定即将到来的“周期”(在Botanix系统中定义为比特币区块之间的时期)的相应协调节点。随后,通过将区块哈希与SHA256进行哈希运算,再应用模运算与活动协调节点(N)的数量,确保协调节点选择的公平性和随机性。这确保了操作任务的公平和安全分配,最小化了中心化风险。

  • 双向锚定系统。多重签名钱包在这里起着关键作用,需要选定的协调节点之间的共识才能执行任何交易。

    • 锚入过程。用户将比特币发送到一个新的多重签名钱包,钱包被安全锁定。这一行动在Botanix链上铸造等量的合成BTC。创建此钱包需要多个协调节点,他们必须全部同意并签署,确保没有人可以独立控制钱包。

    • 锚出过程。相反地,对于锚出,合成BTC被销毁,对应的比特币从多重签名钱包中释放回用户的比特币地址。此过程由相同的多重签名协议保护,需要多个协调节点批准交易。

  • PoS共识和EVM实现

    • 共识。在Botanix的PoS系统中,协调节点质押他们的比特币参与网络。他们负责验证交易并在Botanix链上创建新块。这些协调节点的选择基于其质押和前述在Spiderchain部分提到的随机化方法。

    • EVM实施。Botanix上的EVM支持与以太坊兼容的所有操作,使开发人员能够部署和执行复杂的智能合约。

Stacks平台旨在通过创新机制(如sBTC双向锚定、转移证明(Proof of Transfer)和Clarity智能合约)扩展比特币的基础设施,支持智能合约和去中心化应用(dApps)。

  • sBTC双向锚定协议:

    • 阈值签名钱包:此钱包使用阈值签名方案,要求一组预定义的签名者(Stackers)共同签署锚定交易。这些Stackers根据他们锁定的STX数量使用可验证随机函数(VRF)选择,并每个周期(通常为两周)轮换一次,确保动态成员资格和与网络当前状态的持续对齐。这显著增强了锚定机制的安全性和稳健性,防止不诚实行为和潜在的合谋,同时确保选择过程的公平和不可预测性。

  • 转移证明(PoX):

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    • 在PoX中,矿工将BTC转移到Stack网络参与,而不是像在烧毁证明(Proof of Burn)中那样烧毁比特币。这样不仅通过BTC奖励激励参与,还直接将Stacks的操作稳定性与比特币的验证安全属性联系起来。Stacks交易锚定在比特币区块,每个Stacks区块使用OP_RETURN操作码在比特币交易中记录一个哈希值,该操作码允许嵌入多达40字节的任意数据。这个机制确保了任何对Stacks区块链的更改都需要相应更改比特币区块链,从而在不改变其协议的情况下受益于比特币的安全性。

  • Clarity。Stacks区块链使用的智能合约编程语言Clarity,通过强制执行严格规则确保所有操作按定义执行,避免意外结果,从而为开发人员提供可预测性和安全性。它提供可判定性,每个函数的结果在执行前都是已知的,防止意外并增强合约的可靠性。此外,Clarity直接与比特币交易互动,允许开发复杂应用并利用比特币的安全特性。它还支持类似于其他语言中接口的特征,帮助代码重用和维护干净的代码库。

Liquid Network为比特币协议提供了一个联合侧链,显著增强了交易能力和资产管理。Liquid Network架构的核心概念是强联合,由一组负责区块验证和签名的受信任职能者组成。

  • Watchmen:Watchmen管理从Liquid到比特币的锚出过程,确保每笔交易都得到授权和有效。

    • 密钥管理:Watchmen的硬件安全模块保护授权交易所需的密钥。

    • 交易验证:Watchmen通过确认遵守Liquid的共识规则的加密证明验证交易,采用多重签名方案增强安全性。

  • 锚定机制:

    • 锚入:比特币在比特币区块链上被锁定(通过使用Watchmen的多重签名地址),相应的Liquid比特币(L-BTC)通过加密方法在Liquid侧链上发行,以确保转移的准确性和安全性。

    • 锚出:这一过程涉及在Liquid侧链上销毁L-BTC,并在比特币区块链上释放相应的比特币。此机制由称为Watchmen的指定职能者密切监控,确保只有授权交易才能进行。

  • 储备证明(PoR):这是Blockstream开发的一个重要工具,提供网络资产持有量的透明度和信任。PoR涉及创建一个部分签名的比特币交易,证明对资金的控制。虽然此交易不能在比特币网络上广播,但它证明了所声称储备的存在和控制。它允许实体在不移动资金的情况下证明其资金持有量。

Babylon设计通过允许比特币持有者质押其资产来增强PoS链的安全性,将比特币集成到PoS生态系统中,利用比特币的庞大市值而无需在比特币区块链上进行直接交易或智能合约功能。重要的是,Babylon通过避免通过易受攻击的桥梁或第三方托管移动或锁定比特币,从而保持质押资产的完整性和安全性。

  • 比特币时间戳:Babylon使用一种时间戳机制,将PoS链数据直接嵌入比特币区块链中。通过将PoS区块哈希和关键质押事件锚定在比特币不可变账本上,Babylon提供了一个由比特币广泛的工作量证明保障的历史时间戳。使用比特币区块链进行时间戳不仅利用了其安全性,还利用了其去中心化信任模型。这种方法确保了对长程攻击和状态腐败的额外安全层。

  • 可追责断言:Babylon利用可追责断言直接在比特币区块链上管理质押合约,允许系统在出现不当行为(如双重签名)时公开质押者的私钥。该设计使用变色龙哈希函数和默克尔树确保质押者的断言与其质押密切相关,通过加密责任机制强制执行协议完整性。如果质押者偏离,如签署冲突声明,其私钥会被确定性地公开,从而触发自动处罚。

  • 质押协议:Babylon的一个重要创新是其质押协议,允许根据市场条件和安全需求快速调整质押分配。该协议支持快速质押解除,使质押者能够在没有PoS链通常的长时间锁定期情况下快速移动其资产。此外,该协议被构建为一个模块化插件,与各种PoS共识机制兼容。这种模块化方法允许Babylon在不需要显著修改现有协议的情况下,为广泛的PoS链提供质押服务。

支付通道和闪电网络

支付通道是设计用来在两方之间进行多次交易而无需立即将所有交易提交到区块链的工具。它们通过以下方式简化交易:

  • 初始:一个通道通过单个链上交易打开,创建一个由两方共享的多重签名钱包。

  • 交易过程:在通道内,双方私下交易,通过即时转账调整各自的余额而不向区块链广播。

  • 结束:通道通过另一个链上交易关闭,结算基于最近一次共同同意的交易的最终余额。

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探索闪电网络

在支付通道的基础上,闪电网络将这些概念扩展到一个网络中,允许用户通过连接的路径跨区块链发送支付。

  • 路由:就像使用后路找到穿过城市的路径一样,即使你没有与最终接收者直接开通通道,网络也能找到支付的路径。

  • 效率:这个互联系统显著减少了交易费用和处理时间,使比特币适合日常交易。

  • 智能锁(HTLCs):网络使用称为哈希时间锁合约的高级合约,在不同通道之间保护支付。这就像确保你的交付通过几个检查点安全到达目的地。它还减少了中介违约风险,使网络可靠。

  • 安全协议:如果出现任何争议,区块链充当法官,验证最新的同意余额,确保公平和安全。

Taproot和Segwit增强了比特币网络,特别是闪电网络的隐私和效率:

  • Taproot:像比特币交易的聚合器——将多个签名捆绑成一个。这不仅保持链外交易整洁,还使它们更隐私和便宜。

  • Segwit:改变了比特币交易中数据的存储方式,使一个区块可以包含更多交易。对于闪电网络,这意味着开通和关闭通道更便宜和流畅,进一步减少费用并提高交易吞吐量。

基于铭文的Layer 2解决方案

铭文在比特币的Layer 2生态系统中引发了创新浪潮。随着两个突破性更新(Segwit和Taproot)的推出,Ordinals协议被引入,使任何人都能将额外数据附加到UTXO的Taproot脚本中,最大可达4MB。这个发展使社区意识到比特币现在可以作为数据可用性层。从安全角度看,铭文提供了一种新的视角。数据,如数字文物,现在直接存储在比特币网络上,使其不可更改,并保护它们不受外部服务器问题的篡改或丢失。这不仅增强了数字资产的安全性,还将它们直接嵌入比特币的区块中,确保其永久性和可靠性。最重要的是,比特币rollups成为现实,铭文提供了一种在交易中加入额外数据或功能的机制。这允许在主链之外进行更复杂的交互或状态变化,同时仍然依赖于主链的安全模型。

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基于铭文的Layer 2解决方案的实现

BitVM利用乐观rollup技术和加密证明的结合设计。通过将图灵完备的智能合约移到链外,BitVM显著提高了交易效率而不牺牲安全性。虽然比特币仍然是基础结算层,BitVM通过巧妙利用比特币的脚本功能和链外加密验证确保交易数据的完整性。目前,BitVM正在由社区积极开发。此外,它还成为几个顶级项目的平台,如Bitlayer和Citrea。

  • 类似铭文的存储方法:BitVM利用比特币的Taproot将数据嵌入Tapscript中,类似于铭文协议的概念。这些数据通常包括重要的计算细节,如虚拟机在不同检查点的状态、初始状态的哈希值和最终计算结果的哈希。通过将此Tapscript锚定在存放于Taproot地址的未花费交易输出(UTXO)中,BitVM有效地将交易数据直接集成到比特币区块链中。这种方法确保了数据的持久性和不可变性,同时利用比特币的安全特性保护记录计算的完整性。

  • 欺诈证明:BitVM使用欺诈证明确保其交易的安全性。在这里,证明者对特定输入的计算结果进行承诺,并且此承诺不会在链上执行,而是间接验证。如果验证者怀疑承诺是错误的,他们可以通过提供一个简洁的欺诈证明,利用比特币的脚本功能证明承诺的错误性。这种系统显著减少了区块链的计算负担,避免了完全链上计算,符合比特币的设计理念,即最小化交易负担和最大化效率。此机制的核心是哈希锁和数字签名,它们将声明和挑战链接到实际的链外计算工作。BitVM采用乐观验证方法——操作被假定为正确,除非被证明相反,这提高了效率和可扩展性。确保只有有效的计算被接受,网络中的任何人都可以使用可用的加密证明独立验证其正确性。

  • Optimistic rollups:BitVM采用乐观rollup技术,通过批量处理多个链外交易来显著提高比特币的可扩展性。这些交易在链外处理,定期将其结果记录在比特币账本上以确保完整性和可用性。在实际操作中,BitVM在链外处理这些交易,并间歇性地在比特币账本上记录其结果,以确保完整性和可用性。BitVM中使用的乐观rollups代表了一种克服比特币固有可扩展性限制的方法,利用链外计算能力,同时确保通过周期性链上验证维护交易有效性。这种系统有效地平衡了链上和链外资源的负载,优化了交易处理的安全性和效率。

总体而言,BitVM不仅仅是另一种Layer 2技术,它代表了一种潜在的基础性转变,即比特币如何扩展和发展。它提供了解决比特币限制的独特解决方案,但仍需进一步发展和改进,以充分实现其潜力并在社区内获得更广泛的认可。

B2网络作为第一个零知识证明验证承诺rollup,为比特币增强了交易速度并减少了成本。此设置允许在链外执行图灵完备的智能合约,显著提高效率。比特币作为B2网络的基本结算层,存储B2 rollup数据。此设置允许使用比特币铭文进行B2 rollup交易的完整检索或恢复。此外,B2 rollup交易的计算有效性通过比特币上的零知识证明确认进行验证。

  • 铭文的重要角色:B2网络利用比特币铭文将附加数据嵌入Tapscript中,包括rollup数据的存储路径、rollup数据的默克尔树根哈希、零知识证明数据和父B2铭文UTXO哈希。通过将此Tapscript写入一个UTXO并发送到一个Taproot地址,B2有效地将rollup数据直接嵌入比特币区块链中。这种方法不仅确保了数据的持久性和不可变性,还利用比特币的强大安全机制保护rollup数据的完整性。

  • 零知识证明以增强安全性:B2对安全性的承诺进一步体现在其使用零知识证明。这些证明使网络能够在不暴露交易细节的情况下验证交易,从而保护隐私和安全。在B2的背景下,网络将计算单元分解成更小的单元,每个单元表示为tapleaf脚本中的比特值承诺。这些承诺链接在一个taproot结构中,提供了一种紧凑、安全的方法,用于验证比特币和B2网络上的交易有效性。

  • rollup技术提升可扩展性:B2架构的核心是rollup技术,特别是ZK-Rollup,它将多个链外交易聚合成一个。这种方法显著提高了吞吐量并减少了交易费用,解决了比特币最迫切的可扩展性问题。B2网络的rollup层处理用户交易并生成相应的证明,确保交易在比特币区块链上得到验证和最终确认。

  • 挑战-响应机制:在B2网络中,在使用zk-证明批处理和验证交易后,如果怀疑这些批次包含无效交易,节点有机会对其提出挑战。这一关键阶段利用了欺诈证明机制,挑战必须在批次继续前得出结论。这一步骤确保只有被验证为合法的交易才能继续进行最终确认。如果没有挑战或现有挑战在指定的时间锁内失败,批次将在比特币区块链上确认。另一方面,如果任何挑战被验证,rollup将被随后还原。

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最终的思考

优点

  • 解锁DeFi市场:通过启用EVM兼容的Layer 2解决方案等功能,比特币可以进入数十亿美元的DeFi市场。这不仅扩展了比特币的实用性,还解锁了以前只能通过以太坊和类似可编程区块链访问的新金融市场。

  • 扩大使用场景:这些Layer 2平台不仅支持金融交易,还支持金融、游戏、NFT或身份系统等领域的各种应用,从而大大扩展了比特币作为简单货币的原始范围【3,4,5】。

缺点

  • 中心化风险:一些Layer 2解决方案涉及的机制可能导致中心化增加。例如,在需要锁定BTC价值的机制中,与以太坊的Layer 2解决方案不同,Layer 2与比特币的交互不受比特币安全模型的保护。相反,它依赖于较小的去中心化网络或联合模型,可能削弱信任模型的安全性。这种结构性差异可能引入不存在于去中心化模型中的故障点。

  • 交易费用增加和区块链膨胀:数据密集型的用途(如Ordinals和其他铭文协议)可能导致区块链膨胀,减慢网络速度并增加用户的交易成本。这可能导致更高的成本和更慢的交易验证时间,影响网络的效率。

  • 用户体验和技术复杂性:理解和交互Layer 2解决方案的技术复杂性可能是采用的一个显著障碍。用户需要管理额外的元素,如闪电网络上的支付通道或处理像Liquid这样的平台上的不同代币类型。

丑陋的一面

  • 监管和伦理问题:铭文的不可变性虽然是技术优势,但也提出了潜在的监管和伦理问题。如果数据是非法的、不道德的或简单错误的,这将带来重大挑战,导致永久性后果而无补救措施。

  • 可替代性影响:如果某些比特币被“标记”为非金融数据,这可能会影响其可替代性——每个单位应该是无法区分的——可能导致某些比特币比其他比特币价值或接受度更低的情况。

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