ビットコイン二層ネットワークの基礎知識体系

ビットコインの铭文の兴起はビットコイン生态に新しい活力を注入し、人々のビットコインへの再关注を引き起こしました。ある观点は、これがビットコイン生态のパンドラの箱を开くことを示しています。ビットコイン生态の技术发展において、二层建设は重中の重です。本記事は、一部の知名な文章や多くの友人との交流を参考にし、チームのWeb3产品设计と开发における探索经历を结合して、ビットコイン二层の基础知识を总结しました。多くの人が関連する思路を完善し、この领域の发展を推动することを期待しています。

ブロックチェーンの世界はビットコインから始まり、ビットコインのエコシステムをもって終わります。イーサリアムは本質的にビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求です。

本文中"二層建設"と"二層ネットワーク建設"の概念は一般的であり、後者は相対的に狭義で、前者はより広範です。業界で一般的に使用される表現に適応するために、本文でも"二層ネットワーク建設"の概念を使用します。

1. レイヤー2のミッション

ビットコイン二層構築が解決すべき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特性から始めましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本特性と需要

この記事では、Vitalikが提唱した概念を採用します: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」です。この視点からブロックチェーンのさまざまな特性を理解することで、より明確になります。その後、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。

私たちはまずいくつかの基本的な特性をまとめます:

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、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性の内部的な特性でもあります。この特徴は、利用者のデータに対する知る権利を満たしており、この"世界のコンピュータ"自体の内部協力要求と利用者の外部ニーズの共同結果です。

分散型: これはこの"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性であり、分散の程度とフォールトトレランスは理論的にビザンチン将軍問題に基づいています。非ビザンチン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、いくつか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の要求とユーザーが必要とする外部の要求によって共同で構成されます。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ことにより、微視的なデータの偽造や巨視的な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のを防ぎます。

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な機能は計算能力です。通常、チューリング完全かどうかで測定されます。一部のチェーンは主要な特性を維持するために、意図的にチューリング非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では、中本聡はそのコード命令をチューリング非完全にしただけでなく、安定性と安全性を維持するためにいくつかの命令セットを削減しました。すべてのチューリング完全技術はブロックチェーンの計算能力を拡張するためのものです。階層設計思想から見ると、シンプルなシステムは基盤に適しています。

性能: 同じ計算能力の場合、性能はブロックチェーンのこの世界のコンピュータのもう一つの主要な能力です。一般的にTPS(毎秒処理される取引の数)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"として、必然的にストレージ機能、つまりデータを記録する能力を備えています。現在は基本的にブロック内にストレージされていますが、より専門的なブロック外のリンクにストレージする技術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"における細分化されたニーズであり、データの生産者と使用者の権限範囲を計算および保存の過程で維持することを要求します。これは主に使用者の外部のニーズによって駆動されます。

他にもスケーラビリティという総合指標があり、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非常に重要な指標です。他にも接続能力など特定のシーンにおける能力がありますが、ここでは詳しくは触れません。

これらのブロックチェーンの基本特性の中で、ほとんどは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、つまり非中央集権(Decentralization、D)、安全性(Security、S)とスケーラビリティ(Scalability、S)。

分散型システムにおいて、似たような不可能な三角形はCAP原理であり、分散型システムにおいて一貫性(Consistency)、可用性(Availability)、分割耐障害性(Partition tolerance)の3つは同時に得ることができません。ブロックチェーンシステムはバイザンティン将軍問題を持つ分散型システムであるため、CAP原理にも適用されます。

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1.2 2階建て建築の役割

二層の構築では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する必要がありますか？二層の構築は必ず一層のシステムの不足を補うものであり、一層のシステムでは実現できないことを二層の構築で行う必要があります。

上記のまとめから得られるブロックチェーンの特徴に基づいて、初歩的な結論を導き出すことができます。それは、これらの基礎的な能力を拡張する必要があるということです: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礎的な能力に加えて、解決すべき非常に重要な経済学の問題があります。それはコストの削減です。通常、レイヤー1ネットワークでのトランザクションの総コストは高いため、レイヤー2ネットワークを使用してこれらのコストを削減する必要があります。

要約すると、容量を増やし、コストを下げ、カスタム機能の3つの次元のソリューションはすべて第2層の構築です。カスタム機能に関しては、現在はあまり明確ではなく、しばしば前の2つの機能に隠れていることが多いです。このように理解できます。第1層ネットワークの機能は、多くのアプリケーションに対して必要度が異なり、第2層で特定のアプリケーションに対してさまざまな機能の実現度を再調整することができます。

二層の構築において、ブロックチェーンの基本機能はそれぞれ取捨選択され、一部の特性が低下し、さらには一部の特性が捨てられることもあります。その代わりに、特定の特性が顕著に向上することが期待されます。例えば、一部の二層は性能を向上させるために、分散化の度合いを低下させたり、安全性を低下させたりします。一部の二層はスループットを増加させるために、たとえばライトニングネットワークのように、システム構造や決済方式を変更します。また、一部は基本特性を低下させることなく、特定の特性を強化することがあります。例えば、RGBの処理方式は、明らかにプライバシーと検閲耐性を向上させますが、技術的実現の難易度を上げることになります。後の事例では、同時にいくつかの特性を低下または変更する二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、複雑なシステムを処理する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、各層間の関係と機能を定義することによって、システムのモジュール化、保守性、および拡張性を実現し、システムの設計効率と信頼性を向上させる。

広範かつ大規模なプロトコル体系に対して、階層化を使用することには明らかな利点があります。このようにすることで、人々が理解しやすく、役割分担が容易で、モジュールごとの改善がしやすくなるなどの利点があります。コンピュータネットワークにおけるISO/OSI七層モデルの設計のように、具体的な実装で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、プロトコルの層分けの利点:

1.各レイヤーは独立しています。あるレイヤーは、その次のレイヤーがどのように実装されているかを知る必要はなく、単にそのレイヤーがレイヤー間のインターフェースを介して提供するサービスを知っていればよいのです。こうすることで、全体の問題の複雑さが低下します。つまり、前のレイヤーの作業がどのように行われるかは、次のレイヤーの作業に影響を与えず、各レイヤー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ことを保証すれば、レイヤー内の作業方法を自由に調整できます。

2.柔軟性が良い。 どのレイヤーに変更があった場合でも、レイヤー間のインターフェース関係が変わらなければ、そのレイヤーの上層または下層は影響を受けない。あるレイヤーで技術革新が起こったり、そのレイヤーで作業中に問題が発生した場合、他のレイヤーの作業に影響を与えることはない。問題を排除する際も、そのレイヤーだけの問題を考慮すればよい。

3.**構造的に分割可能です。**各層は最も適した技術を採用できます。技術の発展は往々にして非対称的であり、階層化された区分は木桶効果を効果的に回避し、特定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.**実装と保守が容易です。**この構造により、大規模で複雑なシステムの実装とデバッグが容易になり、システム全体が相対的に独立したいくつかのサブシステムに分解されているためです。デバッグと保守の際には、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状況を避けることができます。

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置き換えられることにあり、使用や研究にとって非常に便利である。

階層的モジュール設計思想は、技術分野において、機能が膨大で、多くの人々が協力し、継続的に改善される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た有効な方法です。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

ビットコインの二層には三つの顕著な構築ルートがあります:

(1)チェーンに基づく拡張ルートは、EVMの第2層に非常に似ており、ブロックチェーン構造です。

(2)分散型のルートに基づき、ライトニングネットワークを代表とする分散構造です。

(3)中央集権システムに基づくルートは、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特徴があり、すでにいくつかの使用中の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索により、チェーンに基づく二層拡張は相対的に容易であり、参考ケースも多くあります。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅いですが、ライトニングネットワークが代表的です。第三の方法は非常に議論の余地があり、二層の構築のようには見えませんが、二層の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るのでしょうか？私たちは総ロック価値TVL(Total Value Locked)を基準として、どの二層ネットワークのTVLが高いかを判断し、そのプランが最適なものとなります。時間と技術の発展と共に、この最適なプランは変化するプロセスになります。

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構築し、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場合は、すべて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。この判断に基づけば、私たちは第三の二層ネットワークの構築、すなわち中央集権構造の二層構築を認めるべきだと思います。

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、一層と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。一層ネットワークがいくら拡張されても質的な突破はないため、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二層製品が存在しない場合、これらの一層と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ことになる。

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2.1 チェーンに基づく二次構築

初期のビットコイン模倣チェーンはいくつかの探索を行い、"Colorcoin"(カラーミント)、"CovertCoins"や"MasterCoin";さまざまな拡張型のビットコイン模倣チェーン、例えば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);さまざまなサイドチェーン技術はチェーンの拡張建設のケースに基づいており、広義の二層の一種と言える。

イーサリアムはビットコインに基づく改善の探求でもあります。ビタリックは他のプロジェクトチームを説得できなかった場合、ビットコインの不完全さ、UTXOのアカウントレスシステム、実行言語の非チューリング完全性、スケーラビリティの低さなどの問題に対処するために、自らチームを結成し、ホワイトペーパーを発表し、新世代のブロックチェーンシステムを開発しました。イーサリアムのこの探求はビットコインの直接的なレイヤー2の構築ではありませんが、広義にはチェーンに基づく構築の探求といえます。

イーサリアムはビットコインの不完全な改