區塊鏈大規模應用的突破口:比特幣生態解析

在加密市場中,比特幣生態系統的討論熱度正在逐漸攀升。利用客戶端驗證方案在比特幣腳本上構建智能合約,同時兼容具備無限可擴展性的閃電網絡進行通道交易,可能成爲在同時保證"安全性、去中心化、可擴展性"三角上的區塊鏈大規模應用方案。

本文將針對比特幣生態的一些基礎概念進行科普講解,包括阻礙大規模應用的"區塊鏈不可能三角",克服這一難題的"閃電網絡",以及目前對比特幣腳本的解決方案及UTXO模型原理。

區塊鏈大規模應用的障礙

長期以來,區塊鏈網路無法同時實現安全性、去中心化和可擴展性,這一"不可能三角"難題阻礙了區塊鏈的大規模應用。

以太坊過去十年將重心放在發展去中心化,並在底層公鏈的基礎設施層不斷創新,以拓展公鏈的可擴展性。爲實現這一目標,以太坊迭代出各種空氣算法、分片、Rollup等技術。

然而,從以太坊及其Layer2的嘗試來看,只要解決方案局限在區塊鏈上,性能就會存在上限。即便是目前可見性能最強的區塊鏈,仍難突破TPS(每秒交易量)上限,離百萬級TPS的大規模商業應用要求和全球工業級實現數億級TPS的目標仍有巨大差距。

對於主流公鏈,不論是以太坊還是比特幣,都面臨一個瓶頸--"如何解決可擴展性?"

閃電網絡的運作機制

閃電網絡利用鏈下計算的方式,即"支付通道(Payment Channel)",徹底解決了"不可能三角"的可擴展性問題--只要建立足夠多的通道,就可以處理任意多的並發交易。

閃電網絡原理

閃電網絡模仿了銀行清算的方式:用戶A和B通過閃電網絡在兩者之間開通閃電通道。通道開啓時,A和B利用通道直接在閃電網絡進行清算,而不需要在比特幣區塊鏈上結算。只有當通道關閉時,A和B才需要跨越閃電網絡,在比特幣區塊鏈上結算。

閃電通道操作流程

1. 繳納準備金:開通閃電網絡通道需要繳納比特幣準備金。
2. 鏈下交易記帳:通過閃電網絡每筆交易逐筆記帳,每一筆記帳都要籤訂一個懲罰協議。
3. 鏈上結算記錄:關閉閃電通道後,把歷史交易數據一次性封裝打包結算,最終發送到比特幣區塊鏈上。

閃電網絡如何避免鏈上欺詐

如果在通道交易過程中,一方執行欺詐行爲--提前關閉通道結算比特幣。那麼通道關閉時,比特幣鏈上會立刻產生一筆欺詐交易。基於比特幣鏈的開放性,另一方就可以及時觀察到,並用提前籤訂的懲罰協議進行懲罰。懲罰內容是沒收所有準備金。

閃電網絡的大規模應用瓶頸

理論上閃電網絡實現了無窮大的可擴展性,克服了區塊鏈不可能三角。但阻礙閃電網絡實現大規模應用最關鍵的問題是:閃電網絡使用和比特幣相同的腳本,而比特幣鏈上沒有智能合約,只有簡單的腳本,無法承載復雜應用。

比特幣鏈是圖靈不完備的,這意味着無法在理論上解決任何計算性問題。使用圖靈完備的腳本語言,可以在邏輯上做到和其他編程語言兼容,並在理論上能夠實現任何其他語言所能實現的邏輯,以及最大限度地復制現實的商業邏輯。

因此,閃電網絡需要克服的最大問題就是"如何在比特幣上實現智能合約"。

現有提升比特幣區塊鏈"功能"的方案

1. 側鏈(Side Chain)

側鏈是指做一條具有智能合約功能的鏈,復制它與比特幣主鏈雙向掛鉤,從而使比特幣資產在主鏈與側鏈間無縫遷移,實現智能合約。但目前沒有足夠去中心化的雙向掛鉤技術。側鏈對於主鏈的復制和資產遷移需要第三方中心化服務商,目前只有泛中心化方案。側鏈方案因爲第三方發行的中心化問題始終未得到比特幣核心開發者社區支持。

2. 彩色幣(Colored Coins)

彩色幣是一種利用比特幣"可替代性"的機制,通過爲某些硬幣"着色",將特定的代幣與其他代幣分開,從而創建適合這些硬幣的應用程序。具體方式是利用比特幣腳本裏OP_RETURN指令,在後面增加80個字節的任意字符,按照指定格式設計字符串,通過人爲指定字符串含義標記"彩色幣",並做更復雜的智能合約。但80個字節的空間太小,無法實現復雜功能。

後續"彩色幣"方案也推出了新技術,如"Ordinals"銘刻技術和BRC-20。但這些彩色幣會產生額外的嚴重問題--佔用了"隔離見證"空間,導致比特幣上可執行的交易數量減少,使比特幣性能下降。彩色幣方案同樣遭到比特幣核心開發者強烈抵制,原因是彩色幣污染了原生比特幣,另外人爲指定的形式仍然需要中心化的第三方進行服務器解析。

3. 客戶端驗證(Client-Validation)

2016年比特幣核心開發者Peter Todd提出了客戶端驗證範式,通過模擬傳統的合同籤約方式保證只有雙方知道合約內容的隱私性前提,無需任何第三方參與,實現完全去中心化。同時,在交易執行時,採用由交易發起方提供必要的完整交易歷史數據,另一方自行驗證的方式,來防止欺詐問題的產生。

客戶端驗證既不存在中心化困擾,又是鏈下驗證不受性能限制的特徵,使其目前被多數人認爲是解決比特幣區塊鏈圖靈完備性不足的"最優"方案。

客戶端驗證是否無懈可擊?

爲了解決客戶端驗證本身不包含雙花防止機制的問題,引入了"一次性密封"概念。具體做法是將客戶端驗證中需要驗證的每個合約的每個狀態,與特定比特幣的未使用交易輸出(UTXO)綁定。一旦要變更驗證合約的狀態,就必須花費綁定的UTXO,讓花費它的交易得到區塊鏈的確認。此外,花費它的比特幣交易還必須提供狀態轉換的內容的證明。

UTXO模型補充說明

區別於以太坊的帳戶模型,未花費的交易輸出(UTXO)是從一個地址發送到另一個地址但尚未被接收方贖回的加密貨幣總和,以便在後續交易中將資金發送給其他人。

UTXO模型能有效防止雙花問題。例如,如果一個用戶的錢包只參與過一筆交易,收到了1 BTC,交易驗證者就知道該用戶的UTXO餘額是1 BTC。如果該用戶將1 BTC發送給他人,他的UTXO立即變爲0 BTC。如果該用戶然後嘗試在第二筆傳出交易中雙花他的幣,驗證者將發現他的UTXO餘額不足以用作第二筆交易的輸入,誠實的驗證者將不會傳播或確認他的雙花交易。

下一個指數增長:比特幣生態全面爆發

在比特幣的演進過程中,客戶端驗證的設計精妙地規避了側鏈和彩色幣方案的中心化問題,並引入了一次性密封機制,進一步提升了安全性。目前,比特幣生態正在迎來一系列全新協議的誕生,其中,RGB協議不僅沿用了上述理念,還提出與閃電網絡兼容,爲無限可擴展性打下基石。

盡管RGB協議與閃電網絡的兼容性尚未完美,但業界對未來充滿信心,相信幫助協議不斷優化的基礎設施將突破長期以來的"區塊鏈不可能三角"局限。

我們有理由期待下一個週期區塊鏈指數型增長來源於比特幣生態的爆發所帶動的區塊鏈大規模採用。相信比特幣將突破原有的單一價值存儲,彰顯其貨幣屬性的同時,不斷通過多樣化的解決方案爲比特幣生態嫁接更多應用,促進生態可擴展和可持續發展,繼續爲區塊鏈世界帶來無限可能。