ビットコイン二層ネットワークの基礎知識体系の整理

ビットコイン铭文の興起はビットコインエコシステム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注目するきっかけとなりました。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多くの技術的発展の中で、二層の構築は最も重要です。本稿では、一部の著名な記事や多くの友人との交流、そしてチームのWeb3製品の設計と開発における探求経験を参考にし、ビットコイン二層の基礎知識をまとめました。これがさらなる議論を促し、関連する思考を洗練させ、この分野の発展を進め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を起点とし、ビットコインのエコシステムを終点としています。イーサリアムもビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求と見ることができます。

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、業界で一般的に使用される言い回しに合わせるために"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

ビットコイン二層構築に必要な基本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礎特性から始めます。

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:ブロックチェーンは"世界コンピュータ"であると考えます。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。また、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。

いくつかの基本的な特性をまとめる:

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、同時に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、ユーザーのデータに対する知る権利を満たしており、"世界のコンピュータ"自体の内部協力要求とユーザーの外部要求の共同結果です。

非中央集権:この特性はこの"世界のコンピュータ"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ビザンチン将軍問題によってサポートされています。非ビザンチ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なく、後でレイヤー2構築における非ブロックチェーンシステムの2つのケースを見ることになります。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要求とユーザーが必要とする外部要求の共同構成です。微視的なレベルでは、セキュリティは暗号学に関連する技術によって保証され、宏観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ます。これにより、微視的データの偽造や宏観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"のセキュリティが影響を受け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。この指標を測る際、一般的にはチューリング完全性を考察します。一部のチェーンはそ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なるよう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するだけでなく、開発の過程で一部の命令セットを意図的に削減し、安定性と安全性を維持しています。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としてより適しています。

性能:計算能力が同じ場合、性能はブロックチェーンのこの世界のコンピュータを評価するもう一つの主要な能力です。一般的にはTPS、すなわち1秒あたりの処理件数で測定されます。

ストレージ：ブロックチェーンは「世界のコンピュータ」と表現されるため、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、基本的には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オンチェーン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の範囲を維持することを要求します(私たちは検閲耐性もプライバシーの部分に置いています)。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。

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が、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的な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関連する能力が存在しますが、ここでは詳しく議論しません。これらの特殊なシナリオに遭遇した際に、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。

分散システムにおいて、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(分割耐障害性)の3つを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

二層建設にはどのような役割を完了する必要がありますか？どのような機能を提供しますか？二層建設は必ず一層システムの不足を補うものであり、一層システムでは完了できないことを二層建設で完了する必要があります。

上記のブロックチェーンの特性から、いくつかの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。これらの技術的な側面の基本的な能力に加えて、もう一つ重要な経済学的な問題を解決する必要があります。それはコストを削減することです。通常、第一層ネットワークの取引実行の総コストは高く、第二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。

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、現在のところあまり明確ではなく、しばしば前の2つの特性の中に隠れているため、いくつかの理解にくい点があります。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必要な程度が異なり、第2層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取捨され、いくつかの特性を低下させることや、特性を放棄することによって、特定の特性を顕著に向上させることがあります。例えば、いくつかの二層はパフォーマンスを向上させるために、分散化の程度を低下させたり、セキュリティを低下させたりすることがあります。また、スケーラビリティを向上させるために、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の方法を変更することがあります。他にも、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を増加させます。後の事例では、同時にいくつかの特性を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、人間が複雑なシステムを処理する手段および方法論であり、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、分業して実現しやすく、モジュールごとの改善が容易に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。例えば、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は:

1.各層は独立しています。ある層は、その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介し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、層内の作業方式を自由に調整できます。

2.柔軟性が良い。どの層でも変化があった場合、層間インターフェースの関係が変わらなければ、その層の上または下の層には影響がない。ある層に技術革新が起こったり、ある層で作業中に問題が発生した場合でも、他の層の作業に影響を与えることはなく、問題を排除する際にはその層単独の問題を考慮すればよい。

3. 構造的に分割可能です。各層は最も適切な技術を採用して実現できます。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製の樽効果を有効に回避し、特定の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.実装および保守が容易です。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。デバッグおよび保守を行う際には、各レイヤーを個別にデバッグできるため、問題を特定できず、誤った問題を解決する状況を避けることができます。

5.標準化作業を促進することができる。各層の機能と提供されるサービスが正確に説明されているからだ。標準化の利点は、任意の層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。

層別モジュール設計思想は、技術分野において、機能が大規模で、多くの人が協力し、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、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

私たちはビットコインの二層構築をケーススタディとして関連分析を行います。ビットコインの二層には三つの顕著な二層構築ルートがあります:

(1)の一つは、チェーンに基づく拡張ルートであり、EVMの第2層に非常に似ています。これはブロックチェーンの構造です。

(2)の1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とし、分散型構造です。

(3)もう一つは、中央集権システムに基づくルートで、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長があり、すでにいくつかの使用されている製品や探求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や他のビットコイン模倣チェーンの探求があるため、チェーンに基づく二層拡張は比較的容易で、参考となる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、発展も遅い傾向があります。代表的なものがライトニングネットワークです。第三の方法は非常に議論があります。なぜなら、それは二層の構築のようには見えないが、二層の機能を果たしているように見えるからです。

どの二層構築案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)が高いかを判断します。その方案が最適な方案です。時間と技術の進展に伴い、この最適な方案は変化するプロセスになるでしょう。

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関係を築き、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も優れていれば、それは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するシステムはすべて二層構築に該当します。この判断に基づけば、私たちは第三の二層ネットワーク構築、すなわち中央集権的構造の二層構築を認識するべきです。

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で設計されるべきであり、これらの技術を過度に機能拡張に使用するべきではありません。なぜなら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からで、第二層の構築が必要です。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でしょう。

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