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随着比特币的持续普及，其最初的设计(每秒仅支持七笔交易)常常面临可扩展性方面的挑战。这导致更高的交易手续费和更慢的交易速度。为了应对这些挑战，比特币二层(L2)解决方案应运而生。这些解决方案通过在主区块链之外处理交易来增强比特币网络，从而在保持安全性的同时提高交易吞吐量，并实现智能合约等新功能。
什么是比特币二层解决方案?
比特币二层解决方案(比特币 L2)是构建在比特币主区块链之上的辅助协议。它们旨在解决可扩展性问题、提升交易速度并降低手续费。一些 L2 还引入了智能合约功能，从而扩展了比特币的潜在应用场景。通过创建独立的执行层，这些解决方案在链下处理交易，仅在最终结算时才使用主区块链。
比特币和以太坊二层解决方案的主要区别
比特币和以太坊虽然都采用了二层解决方案，但由于其底层架构的不同，二者之间存在根本差异：
● 安全继承： 以太坊的 L2 安全解决方案通过活跃的验证节点直接从以太坊主网继承安全性。相比之下，比特币的 L2 安全解决方案依赖于自身的安全协议，因为它们没有比特币主网验证节点的直接参与。
● 交易验证： 以太坊的 L2 层采用了诸如欺诈证明和零知识证明等先进的验证方法，而比特币目前尚不具备这些功能。这限制了基于比特币构建的 L2 层解决方案的复杂性，使其无法像以太坊那样实现如此强大的功能。
● 智能合约功能： 以太坊的设计初衷就是原生支持智能合约，而比特币则不然。因此，比特币的二级支付系统通常旨在添加此功能，从而扩展其功能，使其超越简单的价值转移。
● 结算层： 比特币 L2 层在比特币区块链上结算交易，利用其工作量证明共识机制来保障安全。而以太坊 L2 层则在以太坊主网上结算交易，后者采用权益证明共识机制。
为什么需要比特币二层解决方案?
比特币二层解决方案的需求源于比特币底层技术的局限性：
● 可扩展性和吞吐量： 比特币底层每秒只能处理大约七笔交易，这会导致高峰时段出现拥堵和高额手续费。L2 解决方案提供了一种在不损害比特币安全性的前提下实现扩展的方法。
● 高额手续费： 高昂的交易手续费(在网络拥堵高峰期曾超过 120 美元)使得小额交易变得不切实际。L2 解决方案有助于降低这些手续费。
● 智能合约功能： 比特币的基础层缺乏高级智能合约功能，而这对于去中心化应用程序(dApp) 和去中心化金融(DeFi) 平台至关重要。
● 释放资本： 比特币的大量资本仍未得到充分利用，因为它主要是一种价值储存手段。L2 解决方案旨在通过实现更快捷的交易和创新应用来释放这些资本。
比特币二层解决方案的工作原理
区块链网络由两层组成：执行层，负责处理交易;共识层，负责验证和批准这些交易。比特币 L2 开发了一个独立的执行层来处理链下交易，这些交易随后提交给比特币共识层进行最终结算。
常见的比特币二层解决方案包括：
● 状态通道： 状态通道由闪电网络使用，允许双方在链下进行大量交易。区块链上仅记录最终状态，从而提高速度并降低成本。
● 侧链： 侧链(例如 Liquid Network)作为与比特币挂钩的独立区块链运行，能够实现更快的交易和附加功能，并定期结算到比特币主链上。
● Rollups： 它将多个链下交易捆绑成一个交易，生成一个加密的有效性证明，提交给比特币区块链进行结算。
国家频道
状态通道(例如闪电网络中使用的状态通道)允许双方在链下进行无限数量的比特币交易，而无需将每笔交易记录在比特币主区块链上。这种方法显著提高了交易速度并降低了成本。
要建立通道，双方需要将一定数量的比特币锁定到比特币区块链上的一个多重签名(multisig) 地址中。比特币上的多重签名地址是一种特殊的地址，它需要多人授权并签署交易，而不是仅由一人签署。双方会就此通道的初始比特币分配达成一致。通道建立后，双方可以进行无限数量的链下交易，交换已签名的交易数据，以更新各自在通道当前状态下的比特币余额。在此过程中，这些交易不会广播到比特币网络。
交易完成后，双方签署并将通道的最终状态广播到比特币区块链。该最终状态反映了双方之间最新商定的比特币分配方案。多重签名条件得到满足，资金可以根据最终余额重新分配。
侧链
比特币侧链，例如 Liquid Network，运行在与比特币挂钩的独立区块链上。这些侧链使用自身的共识机制，能够实现更快的交易速度和更多功能，同时定期将交易转发并最终确认到比特币主链。以下是比特币侧链的工作原理：
● 双向锚定： 比特币主链和侧链之间资产转移的基础技术称为“双向锚定”。要将资产从比特币主链转移到侧链，用户首先通过发送交易将比特币锁定到比特币区块链上的一个特殊输出地址。此操作实际上会将主链上的比特币锁定。侧链随后检测到此锁定事件，并在侧链上铸造并释放等量的代币，通常称为 sBTC(侧链 BTC)，代表从主链锁定的比特币。一旦进入侧链，用户就可以自由转移和使用这些代币进行各种操作，例如交易和智能合约，并受益于侧链更快、更高效的共识机制。要将资产返回比特币主链，用户需要销毁侧链代币。主链会检测到此销毁事件，然后将最初锁定的比特币释放回用户在主链上的地址。
● 联盟/验证者： 为了安全地管理和验证双向锚定过程，侧链采用联盟或验证者组。该联盟执行多项关键功能。验证者联盟或验证者组在管理和保障主链与侧链之间的双向锚定过程中发挥着至关重要的作用。它们监控两条链上资产的锁定和解锁，确保交易被准确记录。它们还验证双向转移的资产数量是否一致，从而防止双重支付等问题。该联盟可以由受信任方、多重签名脚本或智能合约运行，所有这些机制共同维护资产转移过程的完整性和安全性。
● 独立共识： 侧链的一个显著特征是其独立的共识机制，该机制独立于比特币主链运行。这种独立性使得侧链能够实现自定义区块参数，包括针对特定应用场景优化的不同区块时间、区块大小和交易吞吐量。它们采用独特的共识算法，例如权威证明(PoA)或委托权益证明(DPoS)，这些算法可能更高效或更适合侧链的用途。此外，侧链还引入了智能合约、隐私增强和其他可扩展性解决方案等比特币主链原生不具备的高级功能。
汇总
比特币二层汇总的工作原理是将交易执行和数据从主比特币区块链转移到单独的汇总链或层，同时仍然锚定到比特币以实现数据可用性和共识。
Rollup 技术的关键机制包括在 Rollup 链上执行交易、数据压缩以及与比特币 Layer 1 的锚定。用户提交的交易将在 Rollup 链上执行，而不是直接在比特币区块链上执行。Rollup 链处理这些交易，并相应地更新账户余额。在链下处理大量交易后，Rollup 会将交易数据压缩或“卷起”成一个紧凑的加密证明或承诺，该证明或承诺代表了所有这些交易对状态的净影响。然后，这个压缩后的证明会定期作为单个交易提交到比特币区块链。比特币 Layer 1 上的智能合约或验证机制可以高效地验证并应用 Rollup 证明所代表的状态转换。
然而，比特币上的 Rollup 面临一个关键挑战，因为比特币底层本身缺乏验证 Rollup 系统生成的加密证明或承诺的能力。目前正在探索几种在比特币上实现 Rollup 的方法，包括主权 Rollup 和扩展比特币脚本。
主权汇总(Sovereign Rollup)使用比特币作为数据可用性层，但并不依赖比特币进行有效性证明。这些汇总独立运行，在链下处理交易，并且仅在比特币上发布压缩后的交易数据。它们在链下管理自身的共识机制和交易执行环境，并使用比特币来锚定和存储压缩后的汇总数据。为了在汇总中转移比特币等资产，它们使用去中心化的锚定系统，例如 sBTC，该系统依赖于去中心化的签名者群体，而不是比特币的基础层。
扩展比特币的脚本语言和操作码以支持有效性汇总，可以让比特币底层验证并强制执行汇总的状态转换。这很可能需要对比特币进行一次软分叉升级，以添加诸如 OP_CAT 或 WTC 之类的新操作码，从而提高可编程性。
比特币二层解决方案的优势
比特币的第一层网络虽然以其安全性和去中心化而闻名，但也存在一些性能方面的局限性。比特币主链上的交易确认时间约为 10 分钟，缺乏智能合约功能，并且由于网络拥堵，交易费用通常很高。为了应对这些挑战，比特币的第二层网络应运而生，提供了一系列增强功能，显著提升了比特币网络的可用性和功能性。
● 可扩展性： 比特币二层解决方案最显著的优势之一在于其能够大幅提升网络的交易容量。通过在主链之外处理交易，二层项目每秒可处理的交易量远高于比特币底层。这种交易卸载能够缓解主链的拥塞，从而实现更流畅、更高效的网络运行。这种增强的可扩展性对于比特币在日常交易和高频交易中的广泛应用至关重要。
● 更低的交易费用： 由于二层交易无需将所有交易数据都记录在比特币区块链上，因此显著减少了需要存储的数据量。这降低了交易费用，使微交易和其他小额转账在经济上可行。用户受益于成本的降低，这对于汇款和小额支付等应用尤为重要，因为高额费用可能会造成用户负担。
● 更快的确认速度： 二层网络解决方案可提供近乎即时的交易确认，这与比特币主链平均 10 分钟的出块时间形成鲜明对比。这种快速确认对于需要快速结算的应用场景至关重要，例如 POS 机交易和在线商务。更快的确认速度不仅提升了用户体验，也拓宽了比特币的实际应用范围。
● 增强隐私保护： 一些二层协议提供了增强的隐私保护功能。诸如洋葱路由和支付通道匿名化等技术使得交易更难追踪，从而为用户提供更高水平的隐私保护。
● 智能合约功能： 某些比特币二层项目在比特币之上实现了智能合约功能。这一新增功能解锁了新的应用场景，包括去中心化应用(dApp)和去中心化金融(DeFi)协议。
● 继承的安全性： 二层解决方案的部分安全性源自底层比特币区块链。通过将交易锚定到比特币强大且去中心化的工作量证明共识机制，二层网络可以受益于比特币网络强大的计算能力。
比特币二层解决方案的挑战
尽管比特币 L2 网络具有诸多优势，但也面临挑战，尤其是在比特币网络与 L2 网络之间安全桥接以及比特币网络上结算证明的速度和能力方面。桥接可能存在安全风险，而结算速度和成本的改进对于未来的可扩展性至关重要。
比特币 L2 解决方案面临的一些最大挑战包括：
● 比特币与 L2 网络之间的安全桥接： 比特币 L2 网络(例如侧链)使用桥接器与比特币主链连接。这些桥接器的工作原理是将资产锁定在比特币上，并在 L2 链上铸造等值的代币。然而，这种桥接设计存在安全风险和用户体验问题。许多加密货币黑客攻击和损失都是由于跨链桥接器的漏洞造成的。
● 比特币网络结算速度与成本： 尽管 L2 解决方案在链下处理交易，但最终仍需在比特币主链上完成结算。比特币底层结算过程的速度和成本是影响 L2 网络效率的重要因素。
● 如何在不直接依赖比特币验证的情况下维护安全性： 与以太坊 L2 层验证器验证 L2 层交易不同，比特币 L2 层并不能完全继承比特币节点(负责验证交易)的安全性。比特币 L2 层必须依赖自身独立的安全性协议，这使得它们难以达到与比特币底层相同的安全级别。
● 中心化风险增加： 一些二层支付解决方案需要建立支付通道和中继节点，或运行自身的共识机制。这可能导致控制权集中在少数实体手中，从而可能破坏比特币的去中心化原则。
● 技术复杂性和集成挑战： 将 L2 解决方案与比特币的现有基础设施集成涉及重大的技术复杂性，例如确保兼容性、维护安全标准以及在社区内就拟议的更新达成共识。
关键比特币二层项目
随着比特币的不断发展，一些二层网络项目应运而生，旨在解决其可扩展性、效率和功能性问题。以下是一些目前正在塑造比特币二层网络格局的杰出项目：
1、闪电网络：闪电网络可以说是最知名的比特币二层解决方案。它利用状态通道来实现双方之间的链下交易。这使得交易几乎可以即时完成且成本低廉，显著提升了比特币在日常支付中的实用性。主要特点：
● 链下交易
● 低费用
● 即时支付结算
● 通过洋葱路由增强隐私保护
2、液态网络：Liquid Network 是由 Blockstream 开发的比特币侧链，旨在实现快速且保密的交易。与比特币主链相比，它能够以更低的费用和更快的结算速度发行和转移包括比特币和稳定币在内的资产。主要特点：
● 比特币双向转账机制
● 保密交易
● 资产发行与管理
● 快速结算时间
3、砧木：Rootstock 是一个与以太坊虚拟机 (EVM) 兼容的比特币侧链，采用工作量证明共识机制和合并挖矿技术。它允许比特币用户锁定 BTC 并铸造 RBTC，从而利用高级智能合约功能增强比特币的功能。主要特点：
● 智能合约功能
● 与比特币双向挂钩
● 与以太坊的 Solidity 语言兼容
● 通过比特币的哈希率增强安全性
4、堆栈：Stacks 是一种独特的二层解决方案，它与比特币区块链集成，支持智能合约、去中心化应用和数字资产。它采用一种名为转移证明(PoX)的新型共识机制，并以比特币为锚点以确保安全性。Stacks 网络还集成了一种原生代币 Stacks (STX)。主要特点：
● 智能合约
● 转移证明(PoX)共识
● 去中心化应用程序
● 与比特币安全模型的整合
5、以太坊上的封装比特币 (WBTC)：Wrapped Bitcoin (WBTC) 是一种连接比特币和以太坊的二层解决方案。它允许用户将他们的比特币封装成 ERC-20 代币，从而使比特币能够在以太坊的 DeFi 生态系统中使用。 主要特点：
● 将比特币与以太坊连接起来
● 使比特币能够在 DeFi 应用中使用
● ERC-20 代币兼容性
