区块链大规模应用的突破口:比特币生态解析

在加密市场中,比特币生态系统的讨论热度正在逐渐攀升。利用客户端验证方案在比特币脚本上构建智能合约,同时兼容具备无限可扩展性的闪电网络进行通道交易,可能成为在同时保证"安全性、去中心化、可扩展性"三角上的区块链大规模应用方案。

本文将针对比特币生态的一些基础概念进行科普讲解,包括阻碍大规模应用的"区块链不可能三角",克服这一难题的"闪电网络",以及目前对比特币脚本的解决方案及UTXO模型原理。

区块链大规模应用的障碍

长期以来,区块链网络无法同时实现安全性、去中心化和可扩展性,这一"不可能三角"难题阻碍了区块链的大规模应用。

以太坊过去十年将重心放在发展去中心化,并在底层公链的基础设施层不断创新,以拓展公链的可扩展性。为实现这一目标,以太坊迭代出各种空气算法、分片、Rollup等技术。

然而,从以太坊及其Layer2的尝试来看,只要解决方案局限在区块链上,性能就会存在上限。即便是目前可见性能最强的区块链,仍难突破TPS(每秒交易量)上限,离百万级TPS的大规模商业应用要求和全球工业级实现数亿级TPS的目标仍有巨大差距。

对于主流公链,不论是以太坊还是比特币,都面临一个瓶颈--"如何解决可扩展性?"

闪电网络的运作机制

闪电网络利用链下计算的方式,即"支付通道(Payment Channel)",彻底解决了"不可能三角"的可扩展性问题--只要建立足够多的通道,就可以处理任意多的并发交易。

闪电网络原理

闪电网络模仿了银行清算的方式:用户A和B通过闪电网络在两者之间开通闪电通道。通道开启时,A和B利用通道直接在闪电网络进行清算,而不需要在比特币区块链上结算。只有当通道关闭时,A和B才需要跨越闪电网络,在比特币区块链上结算。

闪电通道操作流程

1. 缴纳准备金:开通闪电网络通道需要缴纳比特币准备金。
2. 链下交易记账:通过闪电网络每笔交易逐笔记账,每一笔记账都要签订一个惩罚协议。
3. 链上结算记录:关闭闪电通道后,把历史交易数据一次性封装打包结算,最终发送到比特币区块链上。

闪电网络如何避免链上欺诈

如果在通道交易过程中,一方执行欺诈行为--提前关闭通道结算比特币。那么通道关闭时,比特币链上会立刻产生一笔欺诈交易。基于比特币链的开放性,另一方就可以及时观察到,并用提前签订的惩罚协议进行惩罚。惩罚内容是没收所有准备金。

闪电网络的大规模应用瓶颈

理论上闪电网络实现了无穷大的可扩展性,克服了区块链不可能三角。但阻碍闪电网络实现大规模应用最关键的问题是:闪电网络使用和比特币相同的脚本,而比特币链上没有智能合约,只有简单的脚本,无法承载复杂应用。

比特币链是图灵不完备的,这意味着无法在理论上解决任何计算性问题。使用图灵完备的脚本语言,可以在逻辑上做到和其他编程语言兼容,并在理论上能够实现任何其他语言所能实现的逻辑,以及最大限度地复制现实的商业逻辑。

因此,闪电网络需要克服的最大问题就是"如何在比特币上实现智能合约"。

现有提升比特币区块链"功能"的方案

1. 侧链(Side Chain)

侧链是指做一条具有智能合约功能的链,复制它与比特币主链双向挂钩,从而使比特币资产在主链与侧链间无缝迁移,实现智能合约。但目前没有足够去中心化的双向挂钩技术。侧链对于主链的复制和资产迁移需要第三方中心化服务商,目前只有泛中心化方案。侧链方案因为第三方发行的中心化问题始终未得到比特币核心开发者社区支持。

2. 彩色币(Colored Coins)

彩色币是一种利用比特币"可替代性"的机制,通过为某些硬币"着色",将特定的代币与其他代币分开,从而创建适合这些硬币的应用程序。具体方式是利用比特币脚本里OP_RETURN指令,在后面增加80个字节的任意字符,按照指定格式设计字符串,通过人为指定字符串含义标记"彩色币",并做更复杂的智能合约。但80个字节的空间太小,无法实现复杂功能。

后续"彩色币"方案也推出了新技术,如"Ordinals"铭刻技术和BRC-20。但这些彩色币会产生额外的严重问题--占用了"隔离见证"空间,导致比特币上可执行的交易数量减少,使比特币性能下降。彩色币方案同样遭到比特币核心开发者强烈抵制,原因是彩色币污染了原生比特币,另外人为指定的形式仍然需要中心化的第三方进行服务器解析。

3. 客户端验证(Client-Validation)

2016年比特币核心开发者Peter Todd提出了客户端验证范式,通过模拟传统的合同签约方式保证只有双方知道合约内容的隐私性前提,无需任何第三方参与,实现完全去中心化。同时,在交易执行时,采用由交易发起方提供必要的完整交易历史数据,另一方自行验证的方式,来防止欺诈问题的产生。

客户端验证既不存在中心化困扰,又是链下验证不受性能限制的特征,使其目前被多数人认为是解决比特币区块链图灵完备性不足的"最优"方案。

客户端验证是否无懈可击?

为了解决客户端验证本身不包含双花防止机制的问题,引入了"一次性密封"概念。具体做法是将客户端验证中需要验证的每个合约的每个状态,与特定比特币的未使用交易输出(UTXO)绑定。一旦要变更验证合约的状态,就必须花费绑定的UTXO,让花费它的交易得到区块链的确认。此外,花费它的比特币交易还必须提供状态转换的内容的证明。

UTXO模型补充说明

区别于以太坊的账户模型,未花费的交易输出(UTXO)是从一个地址发送到另一个地址但尚未被接收方赎回的加密货币总和,以便在后续交易中将资金发送给其他人。

UTXO模型能有效防止双花问题。例如,如果一个用户的钱包只参与过一笔交易,收到了1 BTC,交易验证者就知道该用户的UTXO余额是1 BTC。如果该用户将1 BTC发送给他人,他的UTXO立即变为0 BTC。如果该用户然后尝试在第二笔传出交易中双花他的币,验证者将发现他的UTXO余额不足以用作第二笔交易的输入,诚实的验证者将不会传播或确认他的双花交易。

下一个指数增长:比特币生态全面爆发

在比特币的演进过程中,客户端验证的设计精妙地规避了侧链和彩色币方案的中心化问题,并引入了一次性密封机制,进一步提升了安全性。目前,比特币生态正在迎来一系列全新协议的诞生,其中,RGB协议不仅沿用了上述理念,还提出与闪电网络兼容,为无限可扩展性打下基石。

尽管RGB协议与闪电网络的兼容性尚未完美,但业界对未来充满信心,相信帮助协议不断优化的基础设施将突破长期以来的"区块链不可能三角"局限。

我们有理由期待下一个周期区块链指数型增长来源于比特币生态的爆发所带动的区块链大规模采用。相信比特币将突破原有的单一价值存储,彰显其货币属性的同时,不断通过多样化的解决方案为比特币生态嫁接更多应用,促进生态可扩展和可持续发展,继续为区块链世界带来无限可能。