深入探討比特幣Layer 2概念

上文提到了 Layer 2 技術(shù)的目的是在不犧牲去中心化或安全性的前提下為主網(wǎng)擴(kuò)容，因此在狹義上也并不是一個單一的技術(shù)概念，而是包含了多種不同的方案和實(shí)現(xiàn)。

目前，最常見的 Layer 2 技術(shù)有兩類：狀態(tài)通道（State Channel）和 Rollups。

狀態(tài)通道是指在主網(wǎng)上建立一個雙方或多方之間的通道，然后在通道內(nèi)進(jìn)行多次交易，只有在通道開啟或關(guān)閉時才需要在主網(wǎng)上廣播交易。

BTC 的閃電網(wǎng)絡(luò)正式采用的這種方案，通俗的講，閃電網(wǎng)絡(luò)的通道可以理解成一個多簽地址，Bob 和 Alice 在主網(wǎng)上分別向這個通道（地址）存入 BTC 后，雙方通過閃電網(wǎng)絡(luò)開展日常交易。

這些日常交易并不上主網(wǎng)，因此節(jié)省了昂貴的 Gas，待有一天，雙方認(rèn)為不再會進(jìn)行交易時，雙方可以向主網(wǎng)發(fā)起提款命令，這個命令的簽名可以向 BTC 主網(wǎng)證明雙方在主網(wǎng)之外一系列交易賬本的真實(shí)性。

在此刻主網(wǎng)的安全共識會介入為 Bob 和 Alice 結(jié)算并放款，因此發(fā)生在閃電網(wǎng)絡(luò)之上的交易也就具備了 BTC 主網(wǎng)的安全水平。目前，這種方案沒有實(shí)現(xiàn)智能合約的先例。

Rollup 大家可能更為熟悉，以太坊上的 Optimistic Rollups 和 Zero-Knowledge Rollups 都是以太坊的 Layer 2 擴(kuò)展解決方案，旨在將復(fù)雜的執(zhí)行和狀態(tài)存儲過程移至 Layer 2 來提高吞吐量。

通俗的講，主網(wǎng)會驗(yàn)證 Layer 2 定期提交到主網(wǎng)上的 Proof 以保證 Layer 2 賬本的真實(shí)性（這個驗(yàn)證過程尤其重要）。

如此，主網(wǎng)就可以「實(shí)時」掌控 L2 賬本，待 L2 資金跨回主網(wǎng)時，ETH 主網(wǎng)的安全共識將會介入，主網(wǎng)的 Layer 2 放款合約可以在不依靠第三方信息來源的情況下，僅憑經(jīng)過主網(wǎng)共識產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來核實(shí)是否可以放款。

讀到這里，相信不少讀者可以意識到傳統(tǒng)的Layer 2 的本質(zhì)是一個安全性與主網(wǎng)相同的跨鏈橋。有了這個意識，我們就能很好的鑒別側(cè)鏈了。

側(cè)鏈?zhǔn)侵冈谥骶W(wǎng)之外建立一個獨(dú)立的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)（比如 BSC），主網(wǎng)的共識無法鑒別側(cè)臉跨鏈行為的合法性。

通向側(cè)鏈的跨鏈橋把主網(wǎng)上資產(chǎn)鎖定并映射到側(cè)鏈上，隨后在側(cè)鏈映射出的資產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)交易轉(zhuǎn)賬等功能，而在側(cè)鏈回到主網(wǎng)時，主網(wǎng)的跨鏈橋合約只會核實(shí)側(cè)鏈跨鏈發(fā)出的放款的消息本身的真實(shí)性，而不會驗(yàn)證側(cè)鏈的賬本。

換句話說如果跨鏈橋項(xiàng)目方作惡，惡意簽名，或者側(cè)鏈直接制造假賬本，主網(wǎng)端的資金都會受到損失。

不難看出，如果按照傳統(tǒng)的 L2 定義，觀察主網(wǎng)是否可以驗(yàn)證主網(wǎng)之外的賬本就能判斷一條鏈?zhǔn)欠袷?Layer 2 的關(guān)鍵。

有了這個觀念，就不難解釋為什么 ETH 上線晚于 BTC，卻可以實(shí)現(xiàn)反超，搶先異步做出了 Layer 2 了。

02?BTC Layer 2 的技術(shù)難點(diǎn)——驗(yàn)證

想要弄清 BTC Layer 2 的技術(shù)難點(diǎn)，要先了解為 BTC Layer 2 創(chuàng)造可能性的 BTC Taproot 升級。

Taproot 由 Bitcoin Core 貢獻(xiàn)者 Gregory Maxwell 于 2018 年首次提出。Taproot 是一項(xiàng)比特幣協(xié)議的改進(jìn)，初衷是提高比特幣交易的隱私性和效率。

Taproot 的核心思想是讓多種條件下的交易看起來像普通的單簽交易，從而減少鏈上數(shù)據(jù)的占用和泄露，讓復(fù)雜交易（多簽、時間鎖）像單個比特幣交易那樣執(zhí)行。

Taproot 可以 Taproot 升級引入了 2 個重要的技術(shù)，用來為未來的 BTC Layer 2 創(chuàng)造可能。

1）MAST（Merklized Abstract Syntax Tree 默克爾抽象語法樹）；

2）Schnorr 簽名；

MAST 是一種將復(fù)雜的腳本分解為多個子腳本，并將它們組織成一個默克爾樹的結(jié)構(gòu)，只有在滿足某個子腳本的條件時，才需要公開該子腳本的哈希值和內(nèi)容。這樣可以節(jié)省空間，提高靈活性，增加隱私。

Schnorr 簽名是一種數(shù)字簽名算法，可以實(shí)現(xiàn)多個簽名者合并成一個簽名者，并生成一個單一的簽名。這樣可以簡化多簽交易，降低費(fèi)用，提高安全性，增加隱私。

MAST（默克爾抽象語法樹）

MAST 的意義在于，在 Taproot 升級前，我們要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腳本條件，只能通過使用 P2SH 地址，并且必須生成具有相同哈希值的贖回腳本并將其包含到交易中。

而對于 P2SH 的復(fù)雜條件，交易體積會變得格外龐大。P2SH 地址里的 BTC，你必須生成具有相同哈希值的贖回腳本并將其包含到交易中。如果腳本中規(guī)定的花費(fèi)條件太多，交易體積會變得格外龐大。

MAST 可以很好的解決上述問題，也正因如此才有了 BTC Layer 2 發(fā)展的可能。

MAST 是將默克爾樹和抽象語法樹相結(jié)合的一種機(jī)制。它類似于 P2SH，也就是給指定哈希值的腳本付款，不同的是 MAST 是給指定默克爾根的哈希值付款。

MAST 將一個大的條件集合組裝成一棵哈希樹，也就是所謂的默克爾樹。在這棵樹中，每個節(jié)點(diǎn)都是由其子節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來的哈希值。

樹根是一個哈希值，代表了所有條件的集合。這樣在交易中就只需要包含這個根哈希，而不需要把所有條件都列出來，起到縮小交易大小的作用。

首先分別對所有腳本（條件）做哈希計(jì)算；然后將計(jì)算得到的哈希值與相鄰哈希值組合起來進(jìn)行哈希計(jì)算，生成一組新的哈希值。不斷重復(fù)這個兩兩哈希計(jì)算的過程，直到計(jì)算出最后一個哈希值為止。

這個哈希值就是默克爾根。

MAST 可以將比特幣交易與一棵默克爾樹相關(guān)聯(lián)，這棵樹上的每個葉子節(jié)點(diǎn)代表一個解鎖比特幣的條件。

要花費(fèi)這些被鎖定的比特幣，需要構(gòu)造一個符合默克爾樹上某條路徑所對應(yīng)的條件的解鎖腳本。

網(wǎng)絡(luò)只需要驗(yàn)證這個腳本所對應(yīng)的條件是否屬于默克爾樹的原始條件集合，也就是驗(yàn)證這個條件是否存在于默克爾樹之上。

一旦網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)這個腳本 (以及對應(yīng)的條件) 屬于默克爾根，就知道這個腳本符合鎖定比特幣的要求，然后繼續(xù)驗(yàn)證這個解鎖腳本。這樣我們就不需要把完整的腳本包含在交易中，從而減小了比特幣交易的大小。

需要說的是，雖然 MAST 極大減小交易腳本占用的空間，也提供了復(fù)雜的鏈上操作提供可能性，但語法樹這種結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的邏輯相對來說還是比較有局限性的，因此有些聲稱「MAST 可在比特幣上實(shí)現(xiàn)類似智能合約的功能?！故遣粶?zhǔn)確的的。

目前 BTC 主網(wǎng)還不支持實(shí)現(xiàn)像以太坊 Layer 2 那樣的賬本驗(yàn)證功能，也就意味著，BTC Layer 2 無法完全照搬 ETH Layer 2 的技術(shù)架構(gòu)，要想要保證跨鏈橋安全，需要另辟蹊徑。

如果 Schnorr 簽名與 MAST 二者結(jié)合，可以為 BTC 主網(wǎng)到 Layer 2 的跨鏈橋提供一種新思路，這種技術(shù)也是目前市面上 BTC Layer 2 項(xiàng)目的主流技術(shù)方案。

Schnorr 簽名

Schnorr 簽名是 Claus Schnorr 提出的一種數(shù)字簽名方案，以其簡潔高效而聞名。它的優(yōu)勢在于可以將多個簽名聚合成一個單一簽名，從而優(yōu)化多簽場景下的驗(yàn)證和認(rèn)證流程。

舉例來說，在一個需要 12 個簽名的多簽交易中，每個簽名可能需要占用 20 字節(jié)的存儲空間，那么總共需要 240 字節(jié)來存儲這 12 個簽名。

而 Schnorr 簽名可以將這 12 個簽名合并成一個統(tǒng)一的 Schnorr 簽名，該簽名只需要大約 60 字節(jié)的空間。這樣就節(jié)省了很多存儲空間，可以用來容納更多的交易腳本信息。

Schnorr 簽名可為所有 n-n 多簽名合約提供隱私保護(hù)。其中，最典型的應(yīng)用就是閃電網(wǎng)絡(luò)支付通道，因?yàn)樗举|(zhì)上是一個 2-2 的多簽合約。

而對于通用的 m-n (m<n) 多簽合約，可以在 n-n 的情形上拓展，我們可以利用 MAST 將所有可能的解鎖條件折疊成分支結(jié)構(gòu)。

以 2-3 多簽為例，等效于 A、B 解鎖或 B、C 解鎖或 A、C 解鎖三種情況。這可視為一個多條件腳本，每個條件是一個 2-2 多簽，所以也可以用聚合公鑰而不是明確多簽來定義。

這點(diǎn)便是目前 STX，BEVM 等項(xiàng)目所采用的跨鏈技術(shù)基礎(chǔ)：通過創(chuàng)建由幾百個二層節(jié)點(diǎn)控制 BTC 地址來實(shí)現(xiàn)跨鏈。

03?總結(jié)：BTC Layer 2 可行發(fā)展道路

基于前面的比較，BTC Layer 2 解決方案顯然不能簡單地復(fù)制以太坊第二層的設(shè)計(jì)，因?yàn)閮烧咧g存在固有的差異。

為了規(guī)劃正確的前進(jìn)道路，BTC Layer 2 解決方案應(yīng)專注于安全的核心本質(zhì)，同時考慮到比特幣的獨(dú)特屬性。

比特幣基礎(chǔ)層采用了簡單的 UTXO 模型與有限的區(qū)塊空間。

上文提到了即使有 MAST 的存在，BTC 主網(wǎng)依然無法實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜的 OP/ZKP 驗(yàn)證邏輯。

這就注定了，BTC 與以太坊 Rollup 不同，比特幣第二層解決方案不能定期提交鏈上的責(zé)任記錄進(jìn)行驗(yàn)證。在比特幣區(qū)塊鏈上存儲數(shù)據(jù)只能作為可用性檢查點(diǎn)，而不能進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

這一點(diǎn)是目前比較令市場擔(dān)憂的，對 BTC 信仰者來講，沒有 BTC 共識參與的驗(yàn)證，就失去了 BTC Layer 2 的敘事；對 ETH 老用戶來講，安全性弱于 ETH Rollup 的技術(shù)方案也并不會有太大吸引力。

去中心化跨鏈能力問題。

這是至關(guān)重要 Layer 2 的定義，要實(shí)現(xiàn)安全等同于主網(wǎng)共識的跨鏈橋在 BTC 主網(wǎng)上難度很高。目前傳統(tǒng)的比特幣跨鏈技術(shù)，如哈希/時間鎖、鉤子、交換和多重簽名，無法提供足夠的信任保證。

在比特幣 2021 年的 Taproot 升級中引入的 MAST 合約和 Schnorr 簽名的組合為去中心化的比特幣跨鏈帶來希望，是實(shí)現(xiàn)的 BTC Layer 2 的主要突破點(diǎn)。

相較于 Rollups 的鏈上驗(yàn)證，目前在開發(fā)中 BTC Layer 2 團(tuán)隊(duì)需要主要深耕的方向是盡最大可能地提升跨鏈橋簽名的安全性。

至于實(shí)現(xiàn)完美的 Layer 2，只有比特幣能升級 BIP 層，礦工更新底層代碼，支持 OP/ZKP 驗(yàn)證和比特幣礦工的計(jì)算執(zhí)行，才能實(shí)現(xiàn)類似 ETH Rollup 的二層解決方案。要知道的是，這需要非常漫長的時間，也或者永遠(yuǎn)不會被礦工采納。