比特幣 L2 基建方興未艾，詳解生態全景與項目版圖

WEEX 唯客博客， 撰文：Caliber 編譯：深潮TechFlow 原文鏈接：Bitcoin Layer 2 Landscape — Caliber (mirror.xyz)   在金融科技的複雜領域，比特幣作為一種創新的數字貨幣，通過繞過傳統金融中介來實現點對點的直接交易。然而，隨著其發展，比特幣也面臨一系列內在的挑戰，尤其是與可擴展性和交易吞吐量相關的問題，這些問題是其更廣泛應用道路上的主要障礙。 這些挑戰並非比特幣獨有，以太坊雖然設計上更具靈活的應用開發能力，也存在類似的問題。為了解決這些問題，提出了許多解決方案，如側鏈、Layer 2或支付通道網路。在以太坊中，Layer 2生態系統正在迅速擴展，湧現出各種解決方案，如EVM rollups、向rollups過渡的側鏈以及追求不同程度去中心化和安全性的項目。Layer 2解決方案的安全性問題，特別是資產保障和這些系統讀取及適應以太坊區塊鏈變化的能力，突顯了一個關鍵的權衡：更高的安全性通常以犧牲可擴展性和成本效益為代價。 雖然比特幣在改進其功能方面取得了令人矚目的進展，但在開發類似於以太坊的Layer 2解決方案時仍面臨一些重大挑戰。比特幣的設計限制在確保Layer 2解決方案中的提現安全性方面尤為明顯。其腳本語言功能有限，缺乏圖靈完備性，限制了其執行複雜計算和支持高級功能的能力。這一設計選擇優先考慮比特幣的安全性和效率，但限制了其可編程性，相對於以太坊等更靈活的區塊鏈平台而言。並且概率性最終性也可能削弱Layer 2解決方案所需的可靠性和速度，可能導致諸如鏈重組等問題，影響交易的永久性。儘管比特幣的設計原則使其可靠且安全，但這些因素使其Layer 2系統難以迅速適應新變化。 隔離見證（SegWit）和Taproot對比特幣而言是變革性的。SegWit通過分離簽名數據，優化了比特幣的基礎設施，提高了交易速度，並支持閃電網路（Lightning Network）的快速支付處理。隨後的Taproot通過壓縮交易數據和掩蓋交易複雜性，引入了效率和隱私的改進。SegWit和Taproot共同點燃了Layer 2創新的新潮流，成為未來Layer 2設計的基礎，顯著擴展了比特幣作為數字貨幣的功能。 理解比特幣的Layer 2解決方案 比特幣的Layer 2三難困境 在比特幣日益擴展的Layer 2解決方案中，我們看到許多不同的系統湧現，旨在提高可擴展性和增加採用率。這些解決方案提供了獨特的方法來克服比特幣的內在限制。Trevor Owens 提出了一種分類方法，將這些解決方案根據其解決比特幣Layer 2三難困境的方式進行分類，將其分為離鏈網路、去中心化側鏈和聯合側鏈，每種解決方案都有獨特的方法和權衡： 鏈下網路：優先考慮可擴展性和隱私，但可能給用戶體驗帶來挑戰。例如， Lightning & RGB。 去中心化側鏈：引入新的代幣和共識機制，擴展功能，但可能使用戶體驗複雜化並增加中心化擔憂。例如，Stacks, Babylon, Interlay等。 聯合側鏈：通過可信的財團簡化操作，提供效率，但可能以犧牲比特幣的基礎去中心化為代價。例如 Liquid, Rootstock, Botanix。 這種三難困境提供了一種有用的方法來分類比特幣的Layer 2解決方案，但可能無法完全捕捉其設計的所有複雜細節。此外，它指出了當前解決方案的權衡，而不是無法解決的障礙，表明這些三難困境的元素是開發人員決策過程的一部分。 例如，去中心化側鏈發行新代幣以增加安全性和促進網路參與，這可能使用戶交互更複雜，並且可能不受比特幣純粹主義者歡迎。另一方面，聯合側鏈選擇跳過新代幣，使用戶體驗更加順暢，並減少比特幣社區內部的抵觸情緒。另一種選擇是使用全VM/全局狀態，這允許複雜功能的實現，包括在智能合約平台上創建新代幣。然而，這種方法使系統更複雜，通常增加其受到攻擊的風險。 技術分類 從另一個技術角度看，我們根據主要技術特徵對比特幣的Layer 2解決方案進行分類。這種不同的分類方法考察了各種技術細節和結構，提供了對每個解決方案如何貢獻於增強比特幣的可擴展性、安全性和功能的細緻理解。每種方法都有其獨特的目的，這些目的並不衝突，也不會製造三難困境。然而，每種方法在安全性和可擴展性方面都有各自的優劣。因此，一些系統可能會結合這些方法。我們將在文章的下一部分詳細討論這一點。讓我們探討這些類別： 使用雙向錨定協議的側鏈。這些側鏈像Layer 2一樣通過一種稱為雙向錨定的方法與比特幣連接。這種設置允許比特幣在主鏈和側鏈之間轉移，支持實驗和實現主鏈不直接支持的功能。這種方法通過支持更廣泛的用途，提高了比特幣處理更多交易和不同類型應用的能力。雙向錨定機制在將BTC價值轉移到側鏈上起著關鍵作用。在這些側鏈上，開發人員設置了各種環境；有些選擇使用EVM兼容生態系統，而有些則選擇創建具有自身智能合約的VM環境。例如， Stacks, Rootstock, Liquid, Botanix 等。 區塊鏈rollups。這種方法使用比特幣作為存儲數據的層，為rollup技術提供靈感。在這種設置中，每個UTXO像一個小畫布，可以寫入更複雜的信息。想象一下，每個比特幣都可以存儲自己的詳細數據集，這不僅增加了價值，還擴展了比特幣可以處理的數據和資產類型。它為數字交互和表示打開了廣泛的可能性，使比特幣生態系統更加豐富和多樣化。例如， B2 network, BitVM 支付通道網路。這些網路就像比特幣廣闊景觀中的快車道網路。它們幫助加速比特幣側路上的大量交易，減少擁堵，確保交易既快速又經濟。例如，Lightning & RGB。   通過這種方式分解，我們可以更清楚地了解每種工具如何幫助改善比特幣，使其更具可擴展性、安全性和多功能性。讓我們深入了解這些工具： 雙向錨定協議 雙向錨定允許資產在兩個獨立的區塊鏈（通常是主鏈和側鏈）之間轉移。這個系統使得資產可以在一條鏈上被鎖定，然後在另一條鏈上解鎖或鑄造，保持原始資產和錨定資產之間的固定轉換率。 理解錨入過程 想象一下，你要將主鏈（如比特幣）上的資產轉移到側鏈上。錨入過程是你的起點。在這裡，你的資產在主鏈上被安全鎖定，類似於將其存入保險庫以確保安全。隨後，在主鏈上創建一筆交易以鞏固這種鎖定。側鏈識別此交易后，鑄造出等量的錨定資產。這一過程類似於在外國土地上收到同等價值的憑證，使你能夠在新環境中使用你的財富，同時確保你的原始資產保持完整和安全。 引導錨出過程 當你決定將資產恢復到原始主鏈時，錨出過程開始。這個返程過程涉及在側鏈上「燒毀」或鎖定錨定資產，表示這些資產在側鏈上被擱置且不再流通。然後你提供此操作的證明給主鏈。一旦主鏈驗證你的聲明，它會將等量的原始資產釋放給你。這種機制確保了資產在兩條區塊鏈之間分配的完整性和平衡，防止重複或丟失。 雙向錨定系統的實現 Rootstock RSK的雙向錨定系統是一個先進框架，旨在通過RSK的平台將比特幣與智能合約功能無縫集成。通過使用SPV進行高效的交易驗證，採用穩健的聯合模型進行交易審批，並整合SegWit和Taproot，RSK不僅提高了交易效率，還與比特幣的安全模型緊密對齊。此外，合併挖礦方法增加了系統的安全性並激勵了更多礦工參與。 RSK聯合模型。Pegnatories（一個選定的職能組）是這種聯合模型中的橋樑守護者或信任的守護者，確保每一次錨入和錨出都遵守協議。可以把他們看作是守護者委員會，每個人都持有一個集體保險庫的鑰匙。他們的角色至關重要——他們確保每筆跨橋交易都遵循完整性和共識，維護數字資產在這個關鍵通道中的安全有序流動。 Segwit和Taproot。SegWit通過將簽名信息從交易數據中分離出來，減小了交易規模並提高了處理速度。此外，結合Schnorr簽名方案和MAST（Merkelized Abstract Syntax Trees）及Taproot的其他增強功能，可以使交易更加高效和隱私。 RSK合併挖礦。在RSK的合併挖礦方法中，礦工同時保護比特幣和RSK網路，而無需額外的計算需求，從而提升了RSK的安全性。此方法利用比特幣的挖礦強度，為礦工提供額外獎勵，展示了現有區塊鏈基礎設施的創新使用。然而，這種整合的成功依賴於準確對齊比特幣區塊內的標籤與RSK區塊，強調了詳細且精確執行的重要性，以保持互連網路的安全性和一致性。 Botanix Botanix結合了比特幣基礎上的權益證明（PoS）共識和去中心化的EVM網路Spiderchain多重簽名架構，以管理主鏈外的圖靈完備智能合約。比特幣作為主要結算層，Botanix通過高級多重簽名錢包和鏈外加密驗證確保交易完整性。 Spiderchain，是一個分散式多重簽名網路，負責保管Botanix上的所有實際比特幣。 架構：Spiderchain由一組協調節點（節點運行者和整個鏈的流動性來源）組成。它由一個順序排列的多重簽名錢包組成，負責管理網路內的資產託管。每個錢包中的交易需要多個協調節點的批准，以確保沒有單一故障點。 動態操作。對於每個新的比特幣區塊，使用基於比特幣區塊哈希的可驗證隨機函數（VRF）來確定即將到來的「周期」（在Botanix系統中定義為比特幣區塊之間的時期）的相應協調節點。隨後，通過將區塊哈希與SHA256進行哈希運算，再應用模運算與活動協調節點（N）的數量，確保協調節點選擇的公平性和隨機性。這確保了操作任務的公平和安全分配，最小化了中心化風險。 雙向錨定系統。多重簽名錢包在這裡起著關鍵作用，需要選定的協調節點之間的共識才能執行任何交易。 錨入過程。用戶將比特幣發送到一個新的多重簽名錢包，錢包被安全鎖定。這一行動在Botanix鏈上鑄造等量的合成BTC。創建此錢包需要多個協調節點，他們必須全部同意並簽署，確保沒有人可以獨立控制錢包。 錨出過程。相反地，對於錨出，合成BTC被銷毀，對應的比特幣從多重簽名錢包中釋放回用戶的比特幣地址。此過程由相同的多重簽名協議保護，需要多個協調節點批准交易。 PoS共識和EVM實現 共識。在Botanix的PoS系統中，協調節點質押他們的比特幣參與網路。他們負責驗證交易並在Botanix鏈上創建新塊。這些協調節點的選擇基於其質押和前述在Spiderchain部分提到的隨機化方法。 EVM實施。Botanix上的EVM支持與以太坊兼容的所有操作，使開發人員能夠部署和執行複雜的智能合約。 Stacks: Stacks平台旨在通過創新機制（如sBTC雙向錨定、轉移證明（Proof of Transfer）和Clarity智能合約）擴展比特幣的基礎設施，支持智能合約和去中心化應用（dApps）。 sBTC雙向錨定協議： 閾值簽名錢包：此錢包使用閾值簽名方案，要求一組預定義的簽名者（Stackers）共同簽署錨定交易。這些Stackers根據他們鎖定的STX數量使用可驗證隨機函數（VRF）選擇，並每個周期（通常為兩周）輪換一次，確保動態成員資格和與網路當前狀態的持續對齊。這顯著增強了錨定機制的安全性和穩健性，防止不誠實行為和潛在的合謀，同時確保選擇過程的公平和不可預測性。 轉移證明（PoX）： 在PoX中，礦工將BTC轉移到Stack網路參與，而不是像在燒毀證明（Proof of Burn）中那樣燒毀比特幣。這樣不僅通過BTC獎勵激勵參與，還直接將Stacks的操作穩定性與比特幣的驗證安全屬性聯繫起來。Stacks交易錨定在比特幣區塊，每個Stacks區塊使用OP_RETURN操作碼在比特幣交易中記錄一個哈希值，該操作碼允許嵌入多達40位元組的任意數據。這個機制確保了任何對Stacks區塊鏈的更改都需要相應更改比特幣區塊鏈，從而在不改變其協議的情況下受益於比特幣的安全性。 Clarity。Stacks區塊鏈使用的智能合約編程語言Clarity，通過強制執行嚴格規則確保所有操作按定義執行，避免意外結果，從而為開發人員提供可預測性和安全性。它提供可判定性，每個函數的結果在執行前都是已知的，防止意外並增強合約的可靠性。此外，Clarity直接與比特幣交易互動，允許開發複雜應用並利用比特幣的安全特性。它還支持類似於其他語言中介面的特徵，幫助代碼重用和維護乾淨的代碼庫。 Liquid: Liquid Network為比特幣協議提供了一個聯合側鏈，顯著增強了交易能力和資產管理。Liquid Network架構的核心概念是強聯合，由一組負責區塊驗證和簽名的受信任職能者組成。 Watchmen：Watchmen管理從Liquid到比特幣的錨出過程，確保每筆交易都得到授權和有效。 密鑰管理：Watchmen的硬體安全模塊保護授權交易所需的密鑰。 交易驗證：Watchmen通過確認遵守Liquid的共識規則的加密證明驗證交易，採用多重簽名方案增強安全性。 錨定機制： 錨入：比特幣在比特幣區塊鏈上被鎖定（通過使用Watchmen的多重簽名地址），相應的Liquid比特幣（L-BTC）通過加密方法在Liquid側鏈上發行，以確保轉移的準確性和安全性。 錨出：這一過程涉及在Liquid側鏈上銷毀L-BTC，並在比特幣區塊鏈上釋放相應的比特幣。此機制由稱為Watchmen的指定職能者密切監控，確保只有授權交易才能進行。 儲備證明（PoR）：這是Blockstream開發的一個重要工具，提供網路資產持有量的透明度和信任。PoR涉及創建一個部分簽名的比特幣交易，證明對資金的控制。雖然此交易不能在比特幣網路上廣播，但它證明了所聲稱儲備的存在和控制。它允許實體在不移動資金的情況下證明其資金持有量。 Babylon: Babylon設計通過允許比特幣持有者質押其資產來增強PoS鏈的安全性，將比特幣集成到PoS生態系統中，利用比特幣的龐大市值而無需在比特幣區塊鏈上進行直接交易或智能合約功能。重要的是，Babylon通過避免通過易受攻擊的橋樑或第三方託管移動或鎖定比特幣，從而保持質押資產的完整性和安全性。 比特幣時間戳：Babylon使用一種時間戳機制，將PoS鏈數據直接嵌入比特幣區塊鏈中。通過將PoS區塊哈希和關鍵質押事件錨定在比特幣不可變賬本上，Babylon提供了一個由比特幣廣泛的工作量證明保障的歷史時間戳。使用比特幣區塊鏈進行時間戳不僅利用了其安全性，還利用了其去中心化信任模型。這種方法確保了對長程攻擊和狀態腐敗的額外安全層。 可追責斷言：Babylon利用可追責斷言直接在比特幣區塊鏈上管理質押合約，允許系統在出現不當行為（如雙重簽名）時公開質押者的私鑰。該設計使用變色龍哈希函數和默克爾樹確保質押者的斷言與其質押密切相關，通過加密責任機制強制執行協議完整性。如果質押者偏離，如簽署衝突聲明，其私鑰會被確定性地公開，從而觸發自動處罰。 質押協議：Babylon的一個重要創新是其質押協議，允許根據市場條件和安全需求快速調整質押分配。該協議支持快速質押解除，使質押者能夠在沒有PoS鏈通常的長時間鎖定期情況下快速移動其資產。此外，該協議被構建為一個模塊化插件，與各種PoS共識機制兼容。這種模塊化方法允許Babylon在不需要顯著修改現有協議的情況下，為廣泛的PoS鏈提供質押服務。 支付通道和閃電網路 支付通道是設計用來在兩方之間進行多次交易而無需立即將所有交易提交到區塊鏈的工具。它們通過以下方式簡化交易： 初始：一個通道通過單個鏈上交易打開，創建一個由兩方共享的多重簽名錢包。 交易過程：在通道內，雙方私下交易，通過即時轉賬調整各自的餘額而不向區塊鏈廣播。 結束：通道通過另一個鏈上交易關閉，結算基於最近一次共同同意的交易的最終餘額。 探索閃電網路 在支付通道的基礎上，閃電網路將這些概念擴展到一個網路中，允許用戶通過連接的路徑跨區塊鏈發送支付。 路由：就像使用後路找到穿過城市的路徑一樣，即使你沒有與最終接收者直接開通通道，網路也能找到支付的路徑。 效率：這個互聯繫統顯著減少了交易費用和處理時間，使比特幣適合日常交易。 智能鎖（HTLCs）：網路使用稱為哈希時間鎖合約的高級合約，在不同通道之間保護支付。這就像確保你的交付通過幾個檢查點安全到達目的地。它還減少了中介違約風險，使網路可靠。 安全協議：如果出現任何爭議，區塊鏈充當法官，驗證最新的同意餘額，確保公平和安全。 Taproot和Segwit增強了比特幣網路，特別是閃電網路的隱私和效率： Taproot：像比特幣交易的聚合器——將多個簽名捆綁成一個。這不僅保持鏈外交易整潔，還使它們更隱私和便宜。 Segwit：改變了比特幣交易中數據的存儲方式，使一個區塊可以包含更多交易。對於閃電網路，這意味著開通和關閉通道更便宜和流暢，進一步減少費用並提高交易吞吐量。 基於銘文的Layer 2解決方案 銘文在比特幣的Layer 2生態系統中引發了創新浪潮。隨著兩個突破性更新（Segwit和Taproot）的推出，Ordinals協議被引入，使任何人都能將額外數據附加到UTXO的Taproot腳本中，最大可達4MB。這個發展使社區意識到比特幣現在可以作為數據可用性層。從安全形度看，銘文提供了一種新的視角。數據，如數字文物，現在直接存儲在比特幣網路上，使其不可更改，並保護它們不受外部伺服器問題的篡改或丟失。這不僅增強了數字資產的安全性，還將它們直接嵌入比特幣的區塊中，確保其永久性和可靠性。最重要的是，比特幣rollups成為現實，銘文提供了一種在交易中加入額外數據或功能的機制。這允許在主鏈之外進行更複雜的交互或狀態變化，同時仍然依賴於主鏈的安全模型。 基於銘文的Layer 2解決方案的實現 BitVM: BitVM利用樂觀rollup技術和加密證明的結合設計。通過將圖靈完備的智能合約移到鏈外，BitVM顯著提高了交易效率而不犧牲安全性。雖然比特幣仍然是基礎結算層，BitVM通過巧妙利用比特幣的腳本功能和鏈外加密驗證確保交易數據的完整性。目前，BitVM正在由社區積極開發。此外，它還成為幾個頂級項目的平台，如Bitlayer和Citrea。 類似銘文的存儲方法：BitVM利用比特幣的Taproot將數據嵌入Tapscript中，類似於銘文協議的概念。這些數據通常包括重要的計算細節，如虛擬機在不同檢查點的狀態、初始狀態的哈希值和最終計算結果的哈希。通過將此Tapscript錨定在存放於Taproot地址的未花費交易輸出（UTXO）中，BitVM有效地將交易數據直接集成到比特幣區塊鏈中。這種方法確保了數據的持久性和不可變性，同時利用比特幣的安全特性保護記錄計算的完整性。 欺詐證明：BitVM使用欺詐證明確保其交易的安全性。在這裡，證明者對特定輸入的計算結果進行承諾，並且此承諾不會在鏈上執行，而是間接驗證。如果驗證者懷疑承諾是錯誤的，他們可以通過提供一個簡潔的欺詐證明，利用比特幣的腳本功能證明承諾的錯誤性。這種系統顯著減少了區塊鏈的計算負擔，避免了完全鏈上計算，符合比特幣的設計理念，即最小化交易負擔和最大化效率。此機制的核心是哈希鎖和數字簽名，它們將聲明和挑戰鏈接到實際的鏈外計算工作。BitVM採用樂觀驗證方法——操作被假定為正確，除非被證明相反，這提高了效率和可擴展性。確保只有有效的計算被接受，網路中的任何人都可以使用可用的加密證明獨立驗證其正確性。 Optimistic rollups：BitVM採用樂觀rollup技術，通過…