深入探討BTC Layer2的前世今生與未來

2023-06-11 00:06:07

原文作者: Glimmer @Glimmerllx , William, Hankester @0x Hankester

導師指導: Jademont, Elaine, Bill @Waterdrip Capital

比特幣 (Bitcoin)，簡稱 BTC，是一個基於區塊鏈去中心化共識並且應用點對點網絡通信的开源加密貨幣系統，由分布在全球各地的計算機網絡和節點共同維護。BTC 的白皮書由中本聰在 2008 年 10 月 31 日發布，此後的 2009 年 1 月 3 日，BTC 的共識鏈產生了第一個區塊。然而，隨着加密社區和生態日漸壯大繁榮，早期的 BTC 技術已無法滿足用戶對加密貨幣系統可擴展性的需求。直接改進 BTC 底層協議的復雜度高、社區阻力大，會增加 BTC 系統的風險、導致硬分叉和社區分裂。一個更加合適的方案是 BTC Layer 2 ，即基於 BTC 構建新的層級而不對 BTC 進行改動，兼容 BTC 的同時，滿足用戶對擴展性的需求。本文對 BTC Layer 2 進行調查，綜合地闡述 BTC 現狀、問題以及 BTC Layer 2 的技術方案以及優劣性，並且對其未來進行展望。

BTC 的技術簡介

BTC 的核心是分布式账本技術，使用區塊鏈儲存交易數據。區塊鏈是基於哈希指針鏈表結構，鏈表的每節是一個數據區塊，包含上一個區塊的哈希值、交易數據、時間數據、挖礦參數和協議版本信息。BTC 網絡中，新區塊鏈的寫入權力，即記账權，由節點遵循工作量證明機制 (Proof of Work, PoW) 依靠算力競爭得到。獲得記账權的節點成功寫入新的區塊後，獲得一定的比特幣代幣作為獎勵，因此這個過程也被稱為挖礦。

BTC 的區塊數據結構，圖片來源: https://www 3.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/blockchain/bitcoin.html

BTC 的記账工作流圖片來源: https://hackernoon.com/exploring-the-feasibility-of-transitioning-btc-from-pow-to-pos

BTC 採用基於轉账記錄的账本方案 (Transcation-based ledger)，只把轉账信息記錄在區塊鏈中，而不維護账戶余額。因此，為了防範雙花攻擊，節點需要在本地維護一組未花費交易輸出數據 (Unspent Transaction Outputs, UTXO)，並且账戶轉账時需要提供資金來源，以便節點驗證交易的合法性。

單個账戶的 UTXO 示意圖，圖片來源: https://docs.safepal.io/blockchain-tutorials/utxo-what-is-it-and-how-to-use-it

BTC 使用非對稱加密和哈希算法來組織账戶、保護和驗證交易。一個账戶包括账戶私鑰和账戶公鑰。账戶私鑰是一個隨機生成的私鑰，而账戶的公鑰由橢圓曲线乘法處理私鑰後生成。此外，账戶的地址由哈希散列算法處理公鑰後生成。交易被私鑰籤名後，通過點對點網絡廣播給節點。節點使用對應的公鑰驗證交易，驗證成功後，再將交易打包在新區塊中。

BTC 账戶私鑰和公鑰的籤名與驗證，圖片來源: Nakamoto, Satoshi. "Bitcoin whitepaper."

BTC 的共識機制是 PoW 。所有節點各自構造一個新的區塊頭，使得它的哈希值小於等於一個給定的目標值。率先找到符合條件區塊頭的節點，擁有下一個區塊的記账權。通過調節目標值的大小，能夠間接調節出塊時間。目標值越大，挖礦越簡單，出塊時間越短；目標值越小，挖礦越難，出塊時間越長。BTC 期望每個塊的出塊時間為 10 分鐘，因此，BTC 每過 2016 個區塊會重新調整目標值，即調整挖礦難度。

Proof Of Work 流程示例，圖片來源: https://www.ledger.com/academy/blockchain/what-is-proof-of-work

BTC 的現狀和遇到的問題

BTC 是首個被全球加密貨幣社區廣泛認可的數字貨幣系統。自 2013 年以來，BTC 的市值常年佔據加密貨幣總市值的一半以上，是當之無愧的加密貨幣龍頭。

BTC 市值佔比，來源: https://www.coinglass.com/zh/pro/i/MarketCap

長期以來，BTC 以其首創地位和極高的安全性受到用戶的追捧，然而，隨着加密貨幣用戶的壯大，BTC 難以滿足用戶對加密貨幣系統低手續費、便利、即時、保護隱私、資產多樣和應用多樣日益增長的需求。長期來看，BTC 的市值佔加密貨幣總市值的比例，在慢慢下降。相比 Ethereum 的繁榮生態、Solana 低手續費和高 TPS (Transactions Per Second)等各有千秋的公鏈，BTC 似乎除了知名度和安全性外，沒有其他核心競爭力，而面臨以下問題:

交易速度慢、確認時間長、不夠方便: BTC 每個區塊容量為 1 M，每筆交易的數據的大概是 250 B，因此每個區塊最多包含 4000 筆交易。按照期望出塊時間 10 分鐘計算，BTC 的 TPS 只有 7 左右。BTC 上的交易需要等待 6 個塊進行可信確認，這導致約 1 個小時的最終確認時間。此外，BTC 上轉账只能一次性把余額全部轉出，找零需要聲明轉回自己地址，否則作為獎勵給礦工。這無法滿足用戶對交易便利和即時的需求。
高昂的交易手續費: 用戶使用 BTC 進行交易時，需要付出手續費吸引礦工打包交易，手續費越高，交易確認的速度越快。當交易擁堵時，手續費會變得額外昂貴，在 2021 年一度達到 60 多美金。自 2020 年 5 月 14 日至 2023 年 5 月 15 日，比特幣的交易手續費平均需要 4.66 美金。這個手續費成本阻礙了很多用戶使用 BTC。
不支持智能合約編程: BTC 不支持直接構建復雜的應用，只能從協議層着手。然而從協議層开發應用的成本遠比通過標准化的智能合約的开發成本高。這限制了 BTC 的應用多樣和資產多樣的發展。

BTC 手續費，來源: https://bitinfocharts.com/zh/comparison/bitcoin-transactionfees.html#3 y

改進 BTC 的阻力與 Layer 2 方案

技術難度 : BTC 遇到的問題來源於老舊的技術方案不能滿足現在的需求，即使在 BTC 上直接進行微調，也無法徹底解決問題，反而會衍生出新問題。如果對 BTC 進行擴容，把每個區塊從 1 M 提升為 100 M，讓 TPS 提高到 700 ，會導致每年新產生近 5 T 大小账本數據，提高運行節點的門檻，影響系統的去中心化程度，增加系統風險。即使不考慮账本數據大小的問題，按照互聯網帶寬中位數 13 Mbps、區塊中每個交易大小為 250 B 來計算，BTC 的 TPS 上限為 13 Mbps/8 Mb/250 B ≈ 6815 ，無法於 Polkadot、Solana 等能夠支持上萬甚至數十萬 TPS 的公鏈相競爭。Bitcoin Cash (BCH)對 BTC 的區塊進行擴容，增大了 BTC 的區塊大小，然而，BCH 的客戶端錯誤頻出，並且提高了全節點的運行成本，帶來中心化風險。在 2019 年，為了對抗利用 BCH 代碼漏洞的攻擊者，BCH 礦池發起 51% 攻擊修改交易數據。

社區阻力 : 在安全性和擴展性之間，BTC 社區以安全性優先。BTC 核心开發者出於對技術風險的謹慎，使得面對直接對 BTC 進行擴展的建議非常保守。最簡單的擴展，是增加 BTC 每個區塊的大小。對提高 BTC 區塊容量的建議自 2015 年开始，獲得很多用戶、礦工和开發者的支持。提高區塊容量，用戶能夠獲得更快的交易速度，礦工則能收取更多的交易手續費。然而，以 BTC 开發者團隊總負責人 Wladimir van der Laan 為首的一些开發者不贊同這個擴容方式，支持隔離見證 (Segregated Witness) 和閃電網絡 (Lightning Network) 等方案。區塊擴容的爭論導致 BTC 社區分裂，最終在 BTC 引入隔離升級技術後，一部分人拒絕這次技術升級，在 2017 年 8 月造成 BTC 硬分叉，衍生出 BCH。BCH 在硬分叉後，將區塊上限提高為 8 M，後續又提高到 32 M，平均 TPS 在 120 左右。此外，BCH 社區在 2018 年，因為技術升級路线的分歧，再次分裂，硬分叉出 BSV (Bitcoin Satoshi Vision)。這次分叉導致 BCH 全網總算力暴跌，至今沒有再達到過分叉前的算力水平。BSV 的區塊大小上限被提高至 4 G，但是缺少礦工和用戶，遠不如 BTC 安全。

BTC 的分叉歷史，圖片來源: https://www.blocktempo.com/forks-history-5 years-review/

BCH 全網總算力歷史，圖片來源: https://explorer.btc.com/zh-CN/bch/insights-hashrate

Layer 2 方案 : 事實上，直接改動 BTC 的復雜度高並且社區阻力大，更被社區接受的方案是基於 BTC 構建新的層級,既兼容並且不影響 BTC 系統的同時，又解決以上問題。BTC 具有極高的安全性，使用 BTC 作為核心層，依靠 BTC 區塊數據以及利用 BTC 腳本程序，开發者能夠在 BTC 的上層構建兼容 BTC 的系統，把大量交易放在 BTC 外面執行，而只把最終的狀態數據寫入 BTC 中，這類方案被稱為 BTC Layer 2 。

BTC 二層的目標和發展歷史

BTC Layer 2 是指比特幣（BTC）的第二層擴展技術，這類技術旨在提高比特幣的交易速度、降低手續費用，並增加可擴展性，解決 BTC 面臨的一系列問題。

Layer 2 的發展目標:

提高交易速度： Layer 2 試圖通過優化交易處理方式來提高比特幣的交易速度，在鏈下對交易進行批量處理，使用最新對技術在鏈下同步和驗證每筆交易，從而擴大比特幣在全球範圍內的應用和推廣。

降低交易成本： Layer 2 通過在 BTC 鏈下批量處理交易，只把交易完成後的最終狀態寫入 BTC 中，最終狀態和初始狀態中的中間交易和狀態則存在鏈下不在 BTC 上同步，降低了交易手續費，並減輕比特幣底層區塊鏈的負擔。

增加可擴展性： Layer 2 技術的引入旨在緩解比特幣底層區塊鏈的可擴展性問題，使其更具容量應對未來交易量的增長。

近年來，Layer 2 是 crypto 行業最重要的投資主題之一，但是其在大部分場景中特指以太坊的 Layer 2 擴容方案，然而，BTC 的擴容方案要遠早於以太坊擴容提議的出現，甚至以太坊也是因為 Vitalik Buterin 對 BTC 改進提議被拒絕後才創建的。

2012 年，Pegged Sidechains 的概念首次被提出，其派生自雙向錨定（Two-way Peg），它使得資產可以在兩條鏈上無縫轉移。這一提議為之後的側鏈技術奠定了基礎。

2014 年，Blockstream 成立，开始研究和开發側鏈技術，以提高比特幣的可擴展性。

2015 年，Lightning Network 白皮書發布，托普爾（Tadge Dryja）和波光（Joseph Poon）是該白皮書的作者。Lightning Network 是一種將小額交易從主鏈上分離出來的解決方案，通過創建雙向付款通道，無需在區塊鏈上記錄中間交易，只需要在 BTC 上記錄最終狀態。

由於 BTC 的設計較為簡單，本身並不具有靈活的可拓展性，因此早期 BTC Layer 2 方案難以真正嵌入比特幣，因此也未引起較大反響。

直到 2017 年，SegWit（隔離見證）升級激活，解決了比特幣區塊鏈中的交易可塑性問題，為 Layer 2 技術發展提供了可能。

2018 年以來，开發者逐漸开始部署 Lightning Network 節點，並獲得了一定的用戶和支持。據 bitcoinvisuals 網站統計，截至 2023 年 6 月 4 日，閃電網絡的節點數量已經超過 1 萬 8 千個，可容納的支付通道超過 7 萬個，網絡容量超過為 5000 個比特幣，價值超過 1 億美金。

近期，BRC-20 代幣標准的出現進一步豐富了比特幣的相關生態，同時讓 BTC Layer 2 走進大衆視野。構建 BTC Layer 2 的項目有不少，最知名的是閃電網絡。

閃電網絡

閃電網絡最早於 2015 年由 Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 在其白皮書中率先提出。閃電網絡使用微支付 (micro-payments) 通道技術，將大量交易放到比特幣區塊鏈之外進行，只把關鍵環節放到鏈上進行確認。其交易過程如下類比：需要交易的用戶，开闢一個房間進行线下交易，進入房間時用戶質押貨幣獲得票據，使用新票據分配雙方質押的貨幣，交易完成後，走出房間時，交易結算，用戶憑借最新的票據贖回貨幣。

閃電網絡的技術簡介

為了構造安全可靠的微支付通道，閃電網絡採用可撤銷序列合約(Recoverable Sequence Maturity Contract, RSMC)和時間鎖合約(Hashed Timelock Contract, HTLC)作為關鍵技術。

RSMC 提供質押和結算功能，即一個多籤錢包資金池，交易雙方先預存一部分資金到資金池裏，初始情況下雙方的分配方案等於預存的金額。每次發生交易，需要對交易後產生資金分配結果共同進行確認，同時籤字把舊版本的分配方案作廢掉。任何一方需要提現時，可以將他手裏雙方籤署過的交易結果寫到區塊鏈網絡中，從而被確認。從這個過程中可以可以看到，只有在提現時候才需要通過 BTC 交易。首先發起提現的一方晚於對方 1000 個區塊到账，這個時間窗口內對方可以進行反駁。

閃電網絡的交易過程，圖片來源: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp? tp=&arnumber= 8962150

HTLC 則建立雙方的交易通道，類比交易房間，設置有效期，有效期滿自動結算。同時 HTLC 也約定跨通道的交易規則，方便交易路由：在閃電網絡裏，建立交易通道需要成本，任意兩個用戶間可能沒有存在的交易通道，這個時候，可以使用與其他人存在的交易通道作為中介，進行交易。

閃電網絡的支付通道和路由，圖片來源: https://cypherpunks-core.github.io/bitcoinbook/ch 12.html

然而，早期閃電網絡具有以下問題:

每次交易需要雙方操作：在通道內，每次交易都需要雙方進行籤名確認，不能單方轉账
需要交易雙方博弈：如果 A 和 B 進行交易，A 使用舊的交易結果發起提現，B 只能在 1000 個區塊時間內提交更新版本的交易結果作為反駁，否則 A 的提現會生效
通道狀態管理: 用戶需要動態同步和備份通道的狀態，否則如果提交一個舊狀態，交易對手能夠發起欺詐反駁，請求索賠，獲得通道內所有資產

事實上，由於上述問題，早期的閃電網絡需要用戶運行全節點錢包或者使用完全托管錢包。全節點錢包需要用戶手動管理臨時私鑰和通道狀態，交易體驗並不算好。而完全托管型錢包，比如薩爾瓦多使用的 Chivo，使用門檻低，托管方自動代替用戶操作，但是托管方擁有用戶账戶私鑰的控制權，安全性堪憂。隨着开發者對閃電網絡的持續开發，上述問題正在逐漸解決，發展出了功能更加完善的閃電網絡以及配套設施，比如 OmniBOLT 以及其團隊开發的 OBAndroid 閃電網絡錢包。

OmniBOLT Omni 是完整、全部的含義，而 BOTL，是閃電網絡基礎 (Basis of Lightning Technology)的縮寫。OmniBOLT 基於 BTC 和 Omni Layer，提出了一套完整的閃電網絡協議，在擴展閃電網絡支付 BTC 功能的同時，也能夠基於 Omni Layer 發行和交易多樣化資產，並且支持自動化做市商機制 (AMM: Automated market makers)，允許用戶在閃電網絡上，利用支付通道的資金池作為流動性，構建和使用去中心化交易所。OmniBOTL 的愿景很宏大，但是目前來看，技術復雜，涉及多個協議和系統，可能存在漏洞風險，需要更多的時間來檢驗其安全性。

OmniBOLT 協議架構，圖片來源: https://omnilaboratory.github.io/obd/#/

OBAndroid 是一個功能齊全的閃電網絡全節點移動端錢包。在該錢包中，用戶具有私鑰控制權的同時，能夠自動監控交易、快速同步全節點數據、支持雲端和本地備份通道狀態。此外，OBAndroid 也支持 Omnilayer 的資產通過 OmniBOTL 進行交易。OBAndroid 使得閃電網絡的交易體驗能夠被用戶接受，降低了閃電網絡的使用門檻。

OBAndroid 全節點錢包，圖片來源: https://github.com/omnilaboratory/OBAndroid

其他 BTC Layer 2 項目

除了閃電網絡外，還有其他 BTC Layer 2 項目正在發展之中:

Syscoin 由 SYSLab 團隊分叉 BTC 源碼進行开發，旨在同時利用 BTC 的安全性兼容以太坊生態。目前，SYSLab 團隊已上线 NEVM (Network-Enhanced Virtual Machine)，利用 BTC 的 PoW 的安全性構建的虛擬機，兼容以太坊智能合約。此外，SYSLab 團隊還計劃上线 ZK 和 Optimistic 的 Rollup、攜帶鏈上數據證明 (Proof of Data) 的 Validium 等項目。Syscoin 項目信息較少，難以從技術上評估其優劣，不過其源代碼庫更新頻繁，還在穩定开發之中。

Syscoin 的路线圖，圖源: https://syscoin.org/news/syscoin-roadmap-2022

RGB (Really Good for Bitcoin) 是一個集成了閃電網絡的 BTC 智能合約系統，由 Giacomo Zucco 和 Peter Todd 於 2016 年提出。RGB 利用 BTC 來維護抗審查性和對抗雙花攻擊。在 RGB 中，所有代幣的交易和驗證工作都放在鏈下處理，只需要接收支付的一方進行客戶端驗證。客戶端在 BTC 中對支付方的資金來源進行核查，確定是有效交易後，直接修改交易雙方的 UTXO，而不需要把交易數據寫入區塊鏈中，具有保護隱私的特性。除此之外，客戶端能夠直接引入智能合約的功能，對交易進行規則判斷，並且因為不需要全局狀態共識，因此智能合約的數據不需要上鏈，也能保障隱私特性。RGB 社區已开發出圖靈完備的智能合約虛擬機 AluVM (algorithmic logic unit VM)，具有很不錯的可擴展性、安全性和隱私保護性。

RGB 上的交易與 BTC 上交易的對比，圖源: https://medium.com/@FedericoTenga/understanding-rgb-protocol-7dc7819d3059

AluVM 與其他編程模式的對比，圖源: https://www.rgbfaq.com/glossary/aluvm

BTC Layer 2 總結和展望

盡管比特幣作為全球最早、最安全、最知名以及市值最高的區塊鏈網絡，其生態發展一直在持續深化。例如，其最大的第二層網絡——閃電網絡的通道容量持續增長，Taproot 升級提升了比特幣的效率和隱私性，以及 Taro 協議為閃電網絡引入了穩定幣支付和鏈上原生 NFT。然而，與以太坊鏈上的比特幣數量相比，閃電網絡的比特幣容量相對較低，並且由於全節點數據同步和通道狀態管理，閃電網絡的使用門檻較高，用戶規模不如以太坊，但這種現狀可能預示着巨大的增長潛力，隨着閃電網絡相關生態的進一步發展，類似 OmniBOLT 改進版本閃電網絡協議和降低使用門檻的 OBAndroid 錢包持續开發，讓閃電網絡最終具備良好的安全性、可擴展性和易用性，被用戶們接受，或許能讓 BTC 的市值再上一層樓。

同時也需要注意其他的 Layer 2 項目發展，比如具備天然隱私保護的 RGB 方案和兼容以太坊生態的 Syscoin。這些項目不如閃電網絡有名，但是也能夠解決 BTC 面臨的問題，並且具備其他方案無法相媲美的優點。然而，相比以太坊二層擴展項目，這些項目不夠知名，收獲的投資較少，也不像閃電網絡那樣得到 BTC 核心开發團隊的支持，他們對 BTC 的擴展落地，大概率會晚於以太坊擴展的落地，比如 Syscoin 的 Rollup 方案。在 Layer 2 生態方面，似乎還是以太坊生態具備更好的良性循環，更受投資人的青睞。

在未來，我們可能會看到比特幣生態加速擴展。隨着閃電網絡基礎設施日漸完善並且吸引越多的關注，以閃電網絡為基礎的項目類似 OmniBOLT、RGB，能夠從中收益，獲得更好的开發基礎、更多的用戶甚至更多投資。而 Syscoin 這類兼容以太坊的 BTC Layer 2 項目，也會從快速發展的以太坊二層生態中收益，加速其路线圖的進展。除此之外，對 BTC 擴展方案的探討一直沒有停下: John Light 於 2022 年提出的基於比特幣的 zk-rollups 二層網絡將可能為比特幣帶來更多功能、更高的擴展性和更好的隱私性，同時保持其去中心化的本質；由前推特 CEO Jack Dorsey 領導的公司 Block 正在推動閃電網絡的流動性改進，這可能意味着比特幣生態將在支付、DeFi、NFT 等領域之外，开闢一條新的賽道，覆蓋更多的用戶。

[ 1 ] Nakamoto, Satoshi. "Bitcoin whitepaper." URL: https://bitcoin. org/bitcoin. pdf-(: 17.07. 2019) ( 2008).

[ 2 ] Poon, Joseph, and Thaddeus Dryja. "The bitcoin lightning network: Scalable off-chain instant payments." ( 2016).

[ 3 ] “Lightning Network Client Architectures.” URL: https://bolt.fun/guide/architecture

[ 4 ] Lin, Jian-Hong, et al. "Lightning network: a second path towards centralisation of the bitcoin economy." New Journal of Physics 22.8 ( 2020): 083022.

[ 5 ] 提高 BTC 區塊大小的討論: https://bitcoin-development.narkive.com/3 MPEfZHu/elopment-block-size-increase