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たな活力をもたらし、より多くの人々がビットコインに再び注目するようになりました。ある意見では、これはビットコイン生态のパンドラの箱を開けたと考えられています。ビットコイン生态における多くの技術発展の中で、二层建设は特に重要です。本稿では、ネット上のいくつかの有名な記事、業界の多くの人との交流、および私たちのチームのWeb3产品设计と开发における探索の経験に基づいて、ビットコインの二层に関する基礎知識をまとめました。関連する思考を完善し、この分野の発展を促進することを期待しています。

ある見解では、ブロックチェーンの世界はビットコインを起点とし、ビットコインエコシステムを終点としています。イーサリアムは実際にはビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求でもあります。

本文中「二層建設」と「二層ネットワーク建設」は基本的に同義であり、二層建設はより広範な概念です。業界で一般的に使われる表現と一致させるために、文中でも「二層ネットワーク建設」という表現を使用します。

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1. レイヤー2ネットワークの使命

ビットコインの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について話しましょう。

1.1 ブロックチェーンの基礎的特性と需要

私たちはVitalikが提唱した概念を採用しています: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」です。この観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がより明確になります。後の文では、コンピュータのフォン・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。

ブロックチェーンのいくつかの基本的な特徴:

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"のデータストレージ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内部の要求特性でもあります。この特徴は、ちょうどユーザーのデータに対する知る権利を満たし、"世界のコンピュータ"自体の内部協力の要求とユーザーの外部の要求の共通の結果です。

非中央集権: 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、非中央集権の程度とフォールトトレランスは理論的にはビザンチン将軍問題に基づいています。非ビザンチン将軍システムは理論的にはブロックチェーンシステムではありません。非中央集権の程度はブロックチェーンのセキュリティ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が共同で構成されています。微観的なレベルでは安全性は暗号学関連の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非中央集権化によって保証されるため、微観データの偽造や巨視的アーキテクチャの破壊によってこの"世界コンピュータ"の安全性に影響を与えることはありません。

計算能力: ブロックチェーンという世界的なコンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。この指標を測るために、一般的にチューリング完全かどうかを調査します。一部のチェーンは自らの主要な特性を維持するために、意図的にチューリング不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不完全にしただけでなく、発展の過程で意図的にいくつかの命令セットを削減し、その安定性と安全性を維持しました。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。階層設計の考え方から見ると、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世界におけるコンピュータのもう一つの主要な能力です。一般的にはTPS、すなわち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」として説明されていますが、必ずストレージ機能、つまりデータを記録する能力があります。現在は基本的にブロック内に保存されており、より専門的なブロック外のオンチェーンストレージ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"における一つの細分化されたニーズであり、計算とストレージの過程でデータの生産者と使用者の権限範囲を保持することを要求します。これは基本的に使用者の外部ニーズによって駆動されています。

さらに、包括的な指標としてのスケーラビリティがあります。これは一般的に、全体のアーキテクチャのスケーラビリティを指し、この特性は多くの基本特性に影響を与えます。アーキテクチャの観点から見ると、システムのスケーラビリティは非常に重要な指標です。他にも接続能力や特定のシナリオにおける能力がいくつかありますが、ここでは詳しくは論じません。これらの特殊なシナリオに直面したときに、さらに詳細に分析します。

これらのブロックチェーンの基本的な特性の中で、大部分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仮説は去中心化(Decentralization、D)、安全性(Security、S)およびスケーラビリティ(Scalability、S)です。

分散システムにおける類似の不可能な三角形はCAP原理です。CAPは、分散システムにおけるConsistency(一貫性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(パーティション耐障害性)の3つが同時に満たされないことを指します。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システムであるため、CAP原理にも当てはまります。

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1.2 2階建て建築の役割

二層の構築に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のでしょうか？二層の構築は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ことになります。

私たちは上記のブロックチェーンの特性から初歩的な結論を導き出すことができます。それは、これらの基本的な能力を拡張する必要があるということです: 公開性と透明性、非中央集権、安全性、計算能力、性能(スループット)、ストレージ、プライバシーなどです。これらの技術的な観点からの基本的な能力に加えて、解決すべき非常に重要な経済学的な問題があります。それはコストを削減することです。通常、一層のネットワークでのトランザクションの総コストは比較的高いため、二層のネットワークを利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、容量の増加、コストの削減、カスタマイズ機能の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。カスタマイズ機能については、現在はあまり明確ではなく、しばしば前の2つの特性に隠れていて、いくつかの点で理解しにくいです。このように理解できます。第1層ネットワークの特性は、多くのアプリケーションに対して異なる程度で必要とされ、第2層の上で特定のアプリケーションに対してさまざまな特性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的な能力はそれぞれ選択があり、いくつかの特性が低下したり、さらにはいくつかの特性が放棄されたりすることで、特定の特性が著しく向上します。例えば、一部の二層は性能を向上させるために、非中央集権の程度や安全性を低下させることがあります。また、スケーラビリティを増加させるために、例えばライトニングネットワークのように、システムの構造や決済方法を変更することもあります。さらに、基本的な特性を低下させることなく、特定の特性を強化するものもあります。例えば、RGBの処理方法は、プライバシー性と検閲耐性を明らかに増加させますが、技術的実現の難易度も増します。後の事例では、いくつかの特性を同時に低下させたり変更したり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第2層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必要があるのか?

階層設計は、人間が複雑なシステムを処理する手段と方法論の一つです。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、メンテナンス性、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ます。

広範で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。これにより、人々が理解しやすく、分業実現が容易で、モジュールの改良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の七層モデル設計のように、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、プロトコルの層化の利点は:

1.各層は独立しています。ある層は次の層がどのように実装されているかを知る必要はなく、単にその層が層間のインターフェースを通じ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、前の層の作業がどのように行われるかは次の層の作業に影響を与えず、したがって各層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るだけで、層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、そのレイヤーの上または下のレイヤーには影響しません。特定のレイヤーに技術革新があったり、作業中に問題が発生した場合でも、他のレイヤーの作業に影響を与えず、問題を排除する際もそのレイヤーの問題だけを考慮すればよいです。

3.**構造的に分割可能。**各層は最も適した技術を用いて実現できます。技術の発展はしばしば非対称であり、階層化の分割は木桶効果を効果的に回避し、ある側面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.**実装とメンテナンスが容易。**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扱いやすくなります。なぜなら、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からです。デバッグとメンテナンスを行う際は、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という状況を回避できます。

5.**標準化作業を促進することができる。**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ることができ、使用や研究にとって非常に便利であることだ。

階層的モジュール設計思想は、技術分野において大規模な機能を持ち、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効果的な方法です。

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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のレイヤー2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型構造です。

(3)中央集権システムに基づくルート、中央集権インデックスを代表として、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、すでに使用されている製品や探索中の製品があります。第一の方法については、イーサリアムの盛況な発展と他のビットコイン模倣チェーンの探求があるため、チェーンベースの二層拡張は比較的容易で、参考となるケースが多くあります。第二の分散型の方法は通常より難易度が高く、発展もやや遅いですが、ライトニングネットワークがその代表です。第三の方法は非常に議論の余地があり、二層の構築には見えないが、二層の構築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良いのでしょうか？私たちは市場の検証結果を基準として使用し、どの二層ネットワークの総ロック価値TVL(Total Value Locked)が高いかを見て、そのプランが最適なプランとなります。時間と技術の進展に伴い、この最適なプランは変化するプロセスになるでしょう。

ビットコインの第2層ネットワークの定義については、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持ち、いくつかの特性がビットコインの第1層ネットワークよりも優れていれば、それはビットコインの第2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第2層の構築と見なされます。この判断に基づいて、私たちは第3の第2層ネットワークの構築、すなわち中央集権的な構造の第2層の構築を認めるべきです。

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、第一層と第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機能開発に使用すべきではない。第一層ネットワークがどれだけ拡張されても、質的な突破はないため、第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の第二層製品がない状況では、これらの第一層と第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だろう。

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2.1 チェーンに基づく第二層の構築

初期のビットコイン模倣チェーンは「Colorcoin」(のようなさまざまな探求を行いました。