比特币Layer 2协议研究

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2024年5月，比特币（BTC）减半将成为市场上最热门的事件之一。 随着减半的临近，更多资金将聚焦比特币，吸引投资者关注比特币衍生的生态系统。 Layer 2 以其引人入胜的故事，很可能成为寻求资本的首选目标。 本文概述了当前 BTC Layer 2 概念竞赛，并介绍了代表性项目，包括 Stacks、RSK 和闪电网络。

1、BTC升级历史

长期以来，BTC因其高安全性而被人们觊觎。 然而，随着加密货币用户数量的增长，图灵不完备的BTC网络已经无法满足用户对加密货币系统的低费用、便捷性、即时性、隐私保护和资产多元化的需求。 尽管BTC目前拥有最大的加密货币市值，但基于BTC衍生的生态系统在市场上的竞争力并不强。

BTC经历了多次升级，包括：

• 2012年，Pegged Sidechains的概念被提出，源自Two-way Peg，允许两条链之间的无缝资产转移。 该提案为后续侧链技术奠定了基础。
• 2014年，Blockstream成立，致力于开发侧链技术以增强比特币的可扩展性。
• 2015年，闪电网络白皮书发布，提供了小额交易与主链解耦的解决方案。 通过创建双向支付通道，中间交易不需要记录在区块链上，只需将最终状态记录在BTC上。
• 2017年，SegWit（隔离见证）升级启动，解决了比特币区块链中的交易延展性问题，并促进了Layer 2技术的发展。
• 自2018年以来，开发者一直在部署闪电网络节点，获得了一定的用户基础和支持。 截至2023年10月，闪电网络拥有超过16,000个节点，容纳超过60,000个支付通道，网络容量超过5,000 BTC，价值超过1亿美元。

最近BRC-20代币标准的出现进一步丰富了比特币生态系统，使BTC Layer 2重新回到公众视野。 Layer 2 并不是对原链扩容计划的直接修改。 从升级历史来看，直接改进BTC底层协议比较复杂，面临强大的社区阻力，增加了BTC系统的风险，甚至导致多次硬分叉和社区分裂（如BSV、BCH）。

因此，对比特币进行突然的实质性改变可能会损害协议的核心规则。 虽然比特币的升级肯定会继续，但任何变革性的解决方案都不会在一夜之间发生。 目前，由于以太坊已经成功实现了 Layer 2 扩容解决方案，比特币网络也可能会考虑采用类似的架构，以帮助提高网络性能并容纳数十亿用户。

2、Layer 2概念

Layer 2 概念源自以太坊的可扩展性设计，其中交易以 Rollup 方式捆绑，网络安全依赖于以太坊（L1）网络共识。 Layer 2可以专注于性能增强和费用优化，为用户提供高效的体验，同时核心数据迅速传输到以太坊并存储在区块中。 当出现网络攻击或节点不当行为时，可以利用以太坊数据进行回滚，保证网络安全。

Layer 2 是相对于 Layer 1 存在的。最初，可扩展性涉及 Layer 1，例如调整比特币的区块大小、引入 SegWit、实现以太坊 2.0 的 PoS 和分片机制。

然而，由于“区块链三难困境”，Layer 1 无法同时提高性能、安全性和去中心化性。 Layer 2 是一种折衷的解决方案，依赖于底层 Layer 1 的安全性，而其网络则最大限度地提高效率并降低 GAS 费用，以容纳更大的用户群并满足不断增长的加密货币用户的多样化功能需求。

第 2 层不会改变区块链协议本身。 它不会篡改 Layer 1 的任何去中心化或安全特性。通过链上智能合约和链下数据的交互，它提供了新的功能和性能，使其成为 BTC 网络合适的扩展方法。

它使比特币（和其他资产）能够在不直接使用区块链的情况下进行转移。 虽然每个比特币层都有其独特的共识机制来连接比特币，但目标是相同的：将交易转移到链下，使它们更快、更便宜、更可编程和可扩展。

假设比特币作为交易的最终结算层，基于Layer 2的升级和发展不会影响BTC的安全性。 同时，Layer 2 提供了多重优势：更快的交易速度、更低的费用、更适合需要更快确认的比特币用户。 它还增加了智能合约功能，允许开发具有完整执行环境的去中心化应用程序。 这极大地扩展了比特币的用例，包括去中心化金融（DeFi）、不可替代代币（NFT）和去中心化自治组织（DAO）。

因此，BTC Layer 2可能是更合适的扩容解决方案。 它涉及在 BTC 之上构建一个新层，而不改变 BTC 本身，同时满足用户对可扩展性的需求。 本文主要介绍当前主流的BTC Layer 2协议并提供未来展望。

2、比特币Layer 2

目前基于BTC网络的Layer 2解决方案有很多，但由于BTC本身的局限性，每种解决方案都有自己的技术架构和设计，不像以太坊的Layer 2直接采用Rollup进行部署。 其中包括侧链、状态通道等。

从技术角度来看，不同形式的架构实现有不同的特点：

• Rollup：目前以太坊主流的第2层扩容解决方案，本质上是将主链交易的计算过程转移到“Rollup链”上。 交易在Rollup链上执行后，数据被聚合汇总，传输到主链进行验证，并存储以获得主链提供的共识安全性。
• 状态通道（state channel）：典型的例子是闪电网络，它在比特币网络之外创建了一条“绿色通道”，用于链下处理大量高频小额交易。 最终结算数据记录在链上。 使用RSMC、HTLC等技术解决链下交易确认和支付通道等问题。 与 Rollup 等解决方案不同，状态通道没有独立的链，而只有单个通道。
• 侧链（side chain）：基于比特币网络创建的独立链。 更多的智能合约或其他计算都在这条链上执行。 侧链与比特币的交互主要涉及侧链验证比特币主链上的信息并进行后续执行。 侧链一般采用联盟侧链的形式进行管理，中心化程度较高。
• 客户端验证：与状态通道类似，但客户端验证不需要所有状态转换都由主链上的所有节点/矿工通过重复计算来验证。 只需要主链来保证承诺的安全。 主要项目有RGB、Taro等。

3、主流代表项目

一些著名的 BTC Layer 2 概念项目包括 Liquid Network、Lightning Network、Rootstock 和 Stacks。

3.1 Liquid Network

Liquid Network 由 Blockstream 团队开发，是一条比特币侧链，旨在促进比特币交易的快速结算。 该网络具有类似于比特币的共识机制，但其治理结构更加中心化。

从团队来看，Blockstream是一家旨在通过主导侧链扩展机制的开发来增强比特币协议功能的公司。 他们的团队包括比特币核心开发人员 Gregory Maxwell 和 Jonathan Wilkins 等。 2014 年 11 月，该公司筹集了 2100 万美元的种子资金，主要投资者包括 LinkedIn 联合创始人、Airbnb 董事会成员 Reid Hoffman 和风险投资公司 Khosla Ventures。

Liquid 网络的特点包括：

• 快速结算：与比特币的10分钟相比，Liquid Network上的出块时间仅为60秒，交易的确认和结算速度要快得多。
• 交易费用低：平均费用约为比特币的十分之一，这使得小额支付和日常交易更具成本效益。
• 中心化结构：与比特币的去中心化结构不同，Liquid Network 更加中心化以增强性能，允许更快的交易确认和更高的吞吐量。

Liquid Network的主要目的是提供更适合比特币快速、高频交易需求的解决方案。 它可以广泛应用于加密货币交易所、支付服务和其他金融应用，使这些交易更加高效和便捷。

3.2 Lightening Network

闪电网络于 2015 年 2 月在 Thaddeus Dryja 和 Joseph Poon 的白皮书中首次引入。

2016 年，Dryja 和 Poon 成立了 Lightning Labs 来开发这项技术。 2018年，闪电实验室在比特币主网上推出了闪电网络的测试版本，通过链上确认最终结果来提高比特币的交易效率，让用户更快、更低成本地完成支付。

闪电网络自诞生以来不断发展和迭代。 2021年萨尔瓦多采用比特币作为法定货币后，闪电网络上的支付数量和价值迅速增加。 截至2023年10月8日，闪电网络上共有16,000个节点和近77,000个支付通道。 渠道资金总计约 5,356 个比特币（相当于约 1.24 亿美元）。

闪电网络的基本原理是在用户之间构建点对点的交易通道。 它通过智能合约打通支付通道网络，本质上是双方之间的一个账本，存储双方的交易记录。

交易双方首先将一定数量的比特币存入闪电网络。 闪电网络的作用是完成交易记录并将最终的交易结果广播到BTC网络。 也就是说，交易是在链下完成的，而交易结果则保存在链上，闪电网络负责更新双方的账户余额。

当然，闪电网络不仅仅是两个交易方之间的简单连接，而是一个可以容纳多个用户和多个通道的支付网络，所有这些都相互连接。 对于闪电网络来说，除了交易速度和费用之外，确保交易者之间不存在作弊行为也至关重要。 为了防止交易者试图通过虚假结算索赔窃取比特币，闪电网络有一个惩罚协议。 如果Alice发送了错误的信息并且Bob证明该信息是假的，那么通道中的所有资金将被转移给Bob。

这背后的关键技术是哈希时间锁定合约（HTLC），它允许交易通过支付通道路径发送，同时消除拦截和扣留付款的可能性。 简单来说，在最终结算过程中，HTLC 要求收款人确认已收到付款。 如果收件人未能在一定时间内确认收货，款项将被退回给发件人。

LN 的用例包括社交平台奖励、跨境汇款、商户支付和转账交易。 2022 年，闪电网络行业获得了大量资金，包括 a16z 和 Paradigm 等顶级机构的投资。

目前，闪电实验室将闪电服务提供商（LSP）定义为“代表他人在闪电网络上提供流动性服务的实体”。 LSP 分为三类：流动性提供者、基础设施提供者以及流动性和基础设施联合提供者。

目前具有代表性的LSP项目如下：

• Voltage：为企业提供闪电网络服务，无需闪电工程师部署闪电网络。
• Lightspark：闪电网络支付解决方案提供商，通过闪电网络实现互联网的开放支付协议。
• LightningLoop：闪电实验室提供的非托管服务，允许比特币轻松进出闪电网络。
• Boltz：专注于隐私和无账户的比特币交易和闪电网络服务提供商，致力于闪电网络集成和Lapp开发。
• AMBOSS：闪电网络数据分析平台，提供数据、洞察和协调工具。
• BTCPay Server：自托管开源加密货币支付处理器。

今年7月6日，闪电实验室推出了一款新的开发者工具，使闪电网络和人工智能开发者社区能够构建包容性、即插即用且经济高效的LLM（大型语言模型）工具。 这些工具有利于比特币生态系统与人工智能更好的融合，拓展了比特币网络算力应用的前景。

3.3 Rootstock

Rootstock 成立于 2016 年，是一个受比特币网络保护的智能合约平台。 它运行双向挂钩的侧链，允许比特币矿工通过合并挖矿获得奖励，并支持具有更高性能的智能合约。

RSK 团队在区块链和软件开发方面拥有丰富的经验。 他们的首席科学家 Sergio 此前创立了专注于密码计算安全的 Coinspect 公司和加密货币软件开发工厂 CoinFabrik。 随后，在开发金融科技产品方面拥有丰富经验的迭戈创立了一家名为 Koibanx 的金融借贷公司。 RSK 已成功从 Bitmain 等投资者那里筹集了两轮融资，总额达 450 万美元。

RSK Network 具有 RVM 虚拟机，允许开发人员使用以太坊语言构建智能合约，包括与以太坊生态系统工具包的兼容性。 此外，RSK Network 使用 RBTC 作为处理交易和合约费用的货币，通过跨链桥从主网与 BTC 1:1 发行，并可以随时转换回比特币。 开发人员在 RSK 网络上部署智能合约时产生的成本使用 RBTC 代币结算。 RBTC主要用于支付智能合约的执行费用，类似于ETH用于支付以太坊gas费用。 网络消耗的 RBTC 作为奖励分配给为运行智能合约提供计算能力的矿工。

与其他比特币层解决方案相比，RSK Network 的显着特点是合并挖矿。 RSK 使用与比特币相同的工作量证明 (PoW) 共识算法，但允许矿工比比特币基础层更快地生成区块。 这些 RSK 区块是通过称为合并挖矿的过程来开采的。 由于两个区块链使用相同的共识，矿工可以同时开采比特币和 RSK 区块，为比特币和 RSK 分配相同的采矿能力。 这可以通过合并挖矿显着提高矿工的盈利能力，而无需额外的资源。

RSK的网络架构，如上图所示。 RSK 的核心是允许验证交易、生成区块并通过合并挖矿将其发送到比特币。 这一挖矿过程使 RSK 的智能合约能够从比特币区块链的安全性中受益。

基于比特币的共识保护，RSK 开发了自己的智能合约层。 在这一层之下，网络兼容EVM，允许开发者快速部署应用程序并满足用户的各种交易需求。 RSK 大约每 33 秒创建一个新区块，每秒处理大约 10-20 笔交易，这比比特币每秒大约 5 笔交易的效率更高。

目前，RSK 已实现一定水平的生态系统发展，网络中有 47 个协议，每月网络交易量约为 70,000 笔。 生态系统的发展被认为高于 BTC Layer 2 领域的平均水平。

3.4 Stacks

Stacks是一个具有原生开发语言的智能合约网络，其网络安全也受到比特币的保护。 Stacks的初始版本于2021年初推出，引入比特币交易结算，使用Clarity语言进行智能合约设计，并支持资产与BTC的原子交换。

Stacks通过在比特币主链上提交锚定交易来与比特币主链集成。 这些锚定交易包含 Stacks 链的区块头信息和一些附加数据的摘要，并广播到比特币网络以确保其不变性。 此外，Stacks 有自己的共识算法，称为转移证明（PoX）：在 Stacks 中，矿工和交易验证者有两个独立的角色，交易验证者在比特币主链上抵押 STX 代币（挖掘 BTC），矿工在比特币主链上抵押 BTC（挖掘 STX）。 ）。 因此，虽然Stacks依赖于比特币网络的安全性，但它本质上是一条侧链，拥有自己独立的共识验证网络。

在网络设计方面，Stacks在底层有比特币基础结算层，在其上添加智能合约和可编程层（Stacks），然后在更高层（Hiro子网）上实现可扩展性和速度。

Stacks的核心层基于传输证明（PoX）机制与比特币层交互。 PoX 是一种类似于权益证明（PoS）的基于权益的机制，矿工通过在比特币区块链上发送交易来参与领导者选举。 可验证随机函数（VRF）用于随机选择每轮的领导者。 然后当选的领导者在 Stacks 链上写入新的区块。

具体流程：

• PoX矿工在比特币层花费比特币参与竞价，成为下一个区块的领导者，赚取STX代币作为奖励。
• 当 PoX 矿工赢得领导竞价时，他们将开始创建一个新区块并将其添加到 Stacks 层。 这个过程是通过链锚定来实现的，它将 Stacks 区块链中的信息与比特币区块链上的信息绑定起来。
• 在Stacks层中，新区块包含所有最新的交易和状态变化。 这些交易和状态变化被广播到整个网络并被其他节点验证和确认。
• 一旦新的区块被确认，它就会被添加到Stacks区块链中，所有相关方都可以看到最新的状态。

STX 持有者可以通过参与称为“Stacking”的过程来参与共识并赚取 BTC 奖励。 在此过程中，用户将其STX锁定一个奖励周期（大约两周），运行或支持全节点，并通过STX交易在网络上发送有用的信息。 积极参与 Stacking 的 STX 持有者将在该周期内获得比特币奖励。

目前，Stacks网络拥有约2000万个TVL和50多个生态系统协议。 尽管与以太坊的 Layer 2 相比规模还较小，但 Stacks 目前是 BTC 生态内 Layer 2 领域的领先平台。

Stacks网络为开发人员构建各种去中心化应用程序并在当前可用的最安全的区块链网络上部署DApp环境打开了大门。 这使得开发人员能够自信地设计能够安全处理敏感数据和有价值资产的应用程序。

4、结束语

随着比特币网络上的交易量不断增长，一个主要的发展方向是如何让比特币能够处理更多的交易和更广泛的生态系统。 无论是闪电网络、侧链还是RGB协议，比特币第二层（Layer 2）的开发都在持续进行，最终目标是实现比特币网络安全性和可扩展性的兼容。

目前比特币生态系统的规模仍远远落后于以太坊。 首先，与以太坊相比，知名项目较少，其次，用户基数也比以太坊小。 然而，作为市值最高的区块链网络，其衍生生态系统的增长潜力巨大。

目前比特币Layer 2发展的挑战在于三类网络特性的限制：开放网络和联盟网络； 是否发行代币； 与以太坊虚拟机（EVM）兼容或使用本机开发语言。

开发者只能选择三个理想属性中的两个：（a）开放网络，（b）没有新代币，以及（c）完整/全局虚拟机。 选择是：（a）开放网络（理想）或联盟，（b）不引入代币（理想）或引入代币，以及（c）拥有完整/全局虚拟机或有限的链下合约 。

Liquid 作为联盟链运作，不能发行代币。 闪电选择成为一个开放网络，但缺乏全局状态或完整的虚拟机。 Stacks 和 RSK 拥有开放网络，并分别发行了自己的网络代币 STX 和 RSK。 两者都旨在扩展比特币的功能和应用场景，不同之处在于网络兼容性实现和网络安全设计。

Stacks 网络的构建与比特币的联系更加紧密，而 RSK 具有 EVM 兼容性，使开发者更容易进入 RSK 生态系统。 STX 代币与网络发展紧密相关，可以获取更多生态系统的价值。 在治理方面，Stacks 允许任何社区成员参与，而 RSK 的治理模式是由 5 个席位组成的治理委员会代表。

从项目价值角度来看，BTC Layer 2 项目可供投资者选择的余地并不多。 Stacks发展良好，目前市值约10亿美元。 然而，相比其仅2000万美元的TVL，生态系统数据还需要进一步完善。 市值约 1 亿美元的 RSK 仍具有良好的增长潜力，但其网络每月仅有约 7 万笔活跃交易。

总体而言，与以太坊 Layer 2 的成熟度相比，BTC Layer 2 仍有明显差距。 不过，随着比特币生态系统基础设施的不断完善，预计将吸引更多项目和投资者的关注。

近期，基于闪电网络的项目，如OmniBOLT、RGB协议等都在不断发力。 Ordinals 和 Nostr Assets Protocol Atomiclas 等铭文 NFT 市场也值得关注。 未来，比特币生态有望在支付、DeFi、NFT等领域加速发展，覆盖更多赛道和用户。

原文链接：BTC Layer 2 Protocol Research

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