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エコシステムに新しい生机をもたらし、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。有人はこれがビットコインエコシステムのパンドラの箱を開けたと考えています。ビットコインエコシステムの数多くの技術的発展の中で、二层建设は最も重要です。本稿では、オンラインのいくつかの著名な記事や多くの友人との交流を参考にし、ビットコインの二层に関する基礎知識をまとめました。より多くの人々が関連する考えを洗練させ、この分野の発展を促進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で終わることになります。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もあります。

本文中"二層建設"と"二層ネットワーク建設"の概念は共通です。二層建設はより広い概念ですが、業界でよく使われる表現に適応するために、"二層ネットワーク建設"も使用されます。

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1. レイヤー2のミッション

ビットコイン二層建設に必要な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的な特性について話しましょう。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と需要

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で、より明確になります。後で、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性:

公開透明: これはブロックチェーンという"世界コンピュータ"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必要性の内部特性でもあります。この特徴は、ユーザーのデータに対する知る権利を満たし、"世界コンピュータ"自体の内部協力の要求とユーザーの外部ニーズの共通の結果です。

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す。非中央集権の程度と耐障害性は理論的にビザンティン将軍問題によって支持されています。非ビザンティン将軍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。非中央集権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、特定の特性の基盤でもあります。

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によって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構成されています。ミクロなレベルでは安全性は暗号学関連技術によって保証され、マクロなレベルではアーキテクチャの非中央集権によって保証されるため、ミクロなデータの偽造やマクロなアーキテクチャの破壊によって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の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は、一般にチューリング完全かどうかで評価されます。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するだけでなく、発展の過程でいくつかの命令セットを意図的に削減し、その安定性と安全性を保っています。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に存在しています。

性能: 同じ計算能力の条件下で、性能はブロックチェーンのこの世界のコンピュータを評価するもう一つの主要な能力です。一般的にはTPSで測定されます。

ストレージ: ブロックチェーンは「世界コンピュータ」として説明されているので、データを記録する能力、つまりストレージ機能を持っている必要があります。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チェーン上ストレージはまだ発展中です。

プライバシー: プライバシーは"世界コンピュータ"におけるサブニーズであり、計算およびストレージの過程において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のニーズによって駆動されています。

もう一つの包括的指標であるスケーラビリティは、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及ぼします。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。

これらのブロックチェーンの基本特性は、ほとんどが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の仮説は去中心化(Decentralization)、安全性(Security)、そして可変性(Scalability)です。

分散システムにおいて、類似の不可能な三角形はCAP原則であり、CAPは分散システムにおける整合性(Consistency)、可用性(Availability)、分partition耐障害性(Partition tolerance)の3つが同時に満たすことができ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原則にも適用されます。

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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しますか？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適さないことを二層の構築で行います。

上記のブロックチェーンの特性から、次のような初歩的な結論を導くことができます。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:公開透明、去中心化、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本的な能力に加えて、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、1層ネットワークのトランザクションの総コストは高く、2層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。

まとめると、容量の増加、コストの削減、カスタマイズ特性の3つの次元におけるソリューションはすべて二層の構築である。カスタマイズ特性については、現在はまだ明確ではなく、しばしば前の2つの特性に隠れているため、いくつかは理解しにくい。私たちはこう理解できる。一層のネットワーク特性は多くのアプリケーションに対して必要な程度が異なり、二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できる。

レイヤー2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取捨選択され、一部の特性が低下したり、さらにはいくつかの特性が失われたりしながら、特定の特性の顕著な向上が図られます。例えば、一部のレイヤー2は性能を向上させるために、非中央集権性の程度を下げたり、安全性を低下させたりします。別のレイヤー2はスループット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します。また、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、明らかにプライバシーと検閲耐性を向上させますが、技術的な実現の難易度が増します。

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要件であるべきです。

1.3 なぜ階層設計を行うのか?

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、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。

広範囲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、人々は理解しやすく、作業の分担やモジュールの改善が容易になります。コンピュータネットワークの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がなく、ただ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良いのです。こうすることで、全体の問題の複雑さが軽減されます。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、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限り、層内の作業方法を自由に調整できます。

2.柔軟性が良い。 どの層に変化があっても、層間のインターフェース関係が変わらない限り、その層の上または下の層には影響を与えない。特定の層に技術革新が起こったり、その層の作業中に問題が発生したりしても、他の層の作業に連鎖的に影響を及ぼすことはない。問題を排除する際も、単独でその層の問題だけを考慮すれば良い。

3.**構造上は分割可能です。**各層は最も適切な技術を用いて実現できます。技術の発展は往々にして非対称であり、階層化された分割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ません。

4.**実装と保守が容易。**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、システム全体がいくつかの比較的独立したサブシステムに分解されているからです。デバッグや保守を行う際には、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。**各層の機能およびその提供するサービスがすでに正確に説明されているため。標準化の利点は、特定の層を自由に交換できることであり、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、大規模な機能に対処し、複数の人が協力し、継続的に改善す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、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)の1つは、チェーンに基づいた拡張ルートで、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)の一つは、分散型のルートに基づいており、ライトニングネットワークを代表し、分散型の構造です。

(3)もう一つは、中央集権型システムに基づくルートで、中央集権型インデックスを代表とし、中央集権型の構造です。

前の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も存在します。第一の方法については、イーサリアムの活発な発展と他のビットコイン模倣チェーンの探索が進んでいるため、ブロックチェーンに基づく第二層の拡張は比較的容易で、参考ケースも多く存在します。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅いことが多く、ライトニングネットワークがその代表例です。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ませんが、二層の構築機能は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ます。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、それが最適なプランです。時間と技術の進化に伴い、この最適なプランは変化するプロセスです。

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築き、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優れているシステム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構築と見なされます。この判断に基づいて、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、レイヤー1とレイヤー2を接続する目的で設計されるべきであり、これらの技術を使って機能を過度に開発すべきではありません。なぜなら、レイヤー1ネットワークがいくら拡張されても質的な突破はないからです。必ずレイヤー2の構築が必要です。しかし、より使いやすいビットコインのレイヤー2製品がない場合、これらのレイヤー1とレイヤー2を接続する技術能力は、しばらくの間過度に使用されるでしょう。

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2.1 チェーンに基づく第2層の構築

初期のビットコインの模倣チェーンはいくつかの探求を行いました。"Colorcoin"(カラーニュース)、"CovertCoins"や"MasterCoin";さまざまな拡張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構築事例に基づいており、広義の二層の一種と言えます。

イーサリアムを含む、ビットコインを基にした改良の探索でもあります。ビタリックは他のプロジェクトチームを説得することができなかった場合に、ビットコインの不完全性：UTXOの無アカウントシステム、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索は、ビットコイン上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索です。

イーサリアムはビットコインに対して