一文带你全面了解 BTC 扩容技术
原用标题：深度研报：BTC 再次站上 4 万美元关口，BTC 扩容技术对 BTC 的价值影响几何？
封面：Photo by Jigar Panchal on Unsplash
12 月 4 日，比特币（BTC）在盘中突破了 41000 美元，创下自 2022 年 4 月以来的新高。与此同时，基于比特币的铭文生态项目 ORDI 也在盘中突破了 40 美元，继续刷新历史新高。
比特币作为全球最知名的加密货币，其价格的持续走高也反映了加密货币市场的活跃和不断增长的需求。随着比特币价格的上涨，人们对于数字资产的投资和探索再次变得热情起来。
根据 Beosin 旗下 EagleEye 的分析，发现 BTC 的日活跃地址数在今年 9 月份突破一百万，其链上活跃地址数从今年年初开始一直呈现上升趋势。在 10 月 23 日 BTC 价格突破 3 万美金后，BTC 链上地址的活跃程度明显增高。根据 Glassnode 的数据，当前 BTC 活跃地址数最高即将接近 2021 年时候的 DeFi Summer，BTC 生态在经历去年的震荡后开始表现出强大的生命力。
随着 BTC 突破 4 万美元，比特币市值目前超过 8000 亿美元，已超越伯克希尔·哈撒韦，位列全球资产市值第 10 位。而随着今年大火的 BRC20 总市值超过 10 亿美元，BTC 相关技术和生态成为市场关注的重点。
当然，价格只是一部分，Beosin 更专注于 Web3 技术方面的研究进展。今天 Beosin 将为大家解析 BTC 最硬核的扩容技术，帮助大家了解相关扩容方案的进展和挑战。
BTC 扩容诉求
目前，如何承载更多的应用，具有更快的交易速度和更大的网络承载量，都是 BTC 所面临的挑战。
BTC 的区块大小限制原本是为了保护网络免受垃圾交易和潜在的 DDoS 攻击。这个设计在早期阶段是合理的，但随着 BTC 的普及和交易量的增加，每个区块能够处理的交易数量不足以满足需求，导致网络拥堵和交易确认时间的延长，原始设计中的缺陷开始显露。
首先，在工作量证明（Proof of Work）共识机制，矿工需通过大量计算来争夺记账权。由于比特币网络的平均出块时间为 10 分钟，并且每个区块的容量有上限，当交易量增加时，网络的交易处理能力受限，导致交易确认时间变长，影响了用户的交易体验，也限制了比特币网络的处理能力。
其次，随着交易确认速度的减慢，矿工倾向于优先打包交易费较高的交易，进一步推高了交易费用。同时，由于比特币奖励的减半机制，矿工的收入主要依赖于交易费，这导致矿工的收入缺乏持续性和稳定性。一旦矿工的参与度降低，网络的总算力也会随之下降，可能会影响到网络的安全性。
最后，与以太坊等平台不同，比特币网络不支持通用智能合约，虽然这种设计可以保护网络的安全和简洁性，但也限制了其生态的拓展。
BTC 的社区对于如何解决交易处理能力问题有着不同的看法，一部分支持通过增加区块大小来提高交易处理能力，而另一些人则主张通过优化交易结构或引入二层网络解决方案来解决这个问题。为了解决基本层的交易处理能力问题，BTC 社区有一些解决方案尚在践行。
原链（On-chain）扩容
原链扩容主要是通过直接改变比特币区块链的某些参数或规则来实现的，比如下面的举例：
隔离见证 (SegWit)
隔离见证（Segregated Witness，简称 SegWit）是一种减轻区块负担的机制。它将交易的签名数据从交易主体中分离出来，将签名数据放在区块的扩展区域，从而减小了主区块中的交易大小。这样，每个区块可以容纳更多的交易，从而提高了网络的交易处理能力。
动态区块大小调整
动态区块大小调整是一种使区块大小能够根据网络需求自动调整的机制。通过某种算法或共识机制，网络可以自动地增加或减小每个区块的大小，以适应不同的交易量需求。代表项目有比特币现金 (BCH)，通过固定的区块大小增加来实现扩容。同时还有门罗币 (Monero, XMR)，实现了一个动态区块大小的机制，它允许区块大小根据网络需求自动调整。
减少区块间隔时间
减少区块的产生间隔时间可以使网络更快地处理交易。但这也可能会增加区块链的碎片化，并可能降低网络的安全性。莱特币 (LTC): 莱特币的区块产生时间是 2.5 分钟，比比特币的 10 分钟要短，从而实现了更快的交易确认。
优化交易结构
这个方案旨在在每个区块中容纳更多的交易。例如，通过使用 Schnorr 签名替换现有的 ECDSA 签名，可以减少签名数据的大小，从而节省区块空间。
然而，原链扩容还没有大规模普及的原因是其存在一些争议和挑战，目前比特币核心社区的意见也是时常出现分歧。
1. 对区块链的核心协议进行修改，在技术上困难且风险较高的，任何错误都可能导致安全问题或网络分叉。
2. 某些原链扩容方案，如增加区块大小，可能会增加节点运行的成本，导致更多的中心化。当运行节点的成本增加时，资源多的参与者才能继续运行节点，而导致去中心化程度降低。
3. 最近由于通过 Ordinals 协议铸造 BRC-20 代币而导致的网络拥堵，严重阻塞了比特币网络，这也在社区中引发了关于扩容解决方案必要性的讨论。
这些问题引出了链外扩容的尝试。
链外（Off-chain）扩容:
首先，链外扩容是一种旨在提高区块链交易处理能力而不直接修改区块链本身参数或规则的方法。通过创建区块链之外的结构和协议，链外扩容可以帮助减轻区块链网络的负担，并实现更快速、更低成本的交易处理。
链外扩容方式包括但不限于下面的几种：
1. 侧链 (Sidechains)
侧链是与主链（如比特币）并行运行的独立区块链，允许资产和数据在主链和侧链之间自由转移。侧链可以有自己的共识机制和规则，提供额外的交易处理能力。比特币网络已经诞生了数条侧链方案，包括 Rootstock、Liquid 和 Stacks 等等，生态项目主要集中在以下几个领域：
● 交易处理：Rootstock 侧链采用了侧链-主链双向挂钩机制，允许比特币资产在主链和侧链之间自由转移。Stacks 即将推出的 sBTC 与 Rootstock 的机制类似。关于 Stacks 的详细解析可以阅读 Beosin 此前发表的《什么是 Stacks？BTC 二层网络 Stacks 可能面临哪些挑战？》
● 隐私保护：Mimblewimble 侧链采用了 Mimblewimble 协议，可以隐藏交易的输入和输出地址。
● 智能合约：Liquid 侧链采用了 Liquid 协议，可以支持比特币智能合约。
关于侧链生态的详细情况，这里不再展开过多。
2. 状态通道 (State Channels)
状态通道允许参与者在区块链之外创建一个通道，然后在该通道内进行无限量的交易，只有在打开和关闭通道时才需要与区块链交互。
闪电网络
闪电网络（Lightning Network）是一种基于比特币的二层扩容解决方案，与比特币的主区块链分开，它通过在链下建立点对点的支付通道来实现快速、低成本的交易。通过支付通道进行交易，并最终在主区块链上结算。比特币的主区块链每秒只能处理大约七笔交易，而一些主流信用卡经常处理超过 1,000 笔每秒的交易。与主链上的交易相比，闪电网络上的比特币交易往往成本更低。
工作原理
通过建立支付通道来实现快速和廉价的交易。用户可以在闪电网络中建立支付通道，在通道内进行多次交易，然后在完成后将聚合的交易记录在比特币区块链上。闪电网络由一组处理支付的节点组成，交易通常使用 QR 码进行，而不是复杂的公钥。闪电网络可以实现数千甚至数十万笔交易的即时完成，从而使小额交易成为可能。
闪电网络的概念最初由比特币的匿名创造者中本聪（Satoshi Nakamoto）提出，但由研究人员 Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 在 2016 年的一篇白皮书中正式提出。自 2018 年以来，闪电网络已经得到了多个团队的开发和推广，包括 Lightning Labs、ACINQ 和 Blockstream 等。
闪电网络的工作流程可以被简单地梳理成如下步骤：
1. Alice 和 Bob 都将一定数量的比特币存入渠道。
2. Alice 将一个哈希时间锁合约（HTLC）发送给 Bob。
3. Bob 在 HTLC 中指定一个时间戳和一个赎回地址。
4. Alice 可以随时向 Bob 发送交易，交易金额将从 Alice 存入的渠道中扣除。
5. Bob 可以将 HTLC 赎回，将交易金额从渠道中转移到自己的账户。
其中时间锁 CheckSequenceVerify（CSV）是单向支付渠道中使用的一种防欺诈机制。它允许 Alice 和 Bob 在 HTLC 中指定一个时间戳，如果 Bob 在时间戳之前没有赎回 HTLC，Alice 可以将交易金额从渠道中转移到自己的账户。
而双向支付渠道（Bi-Directional Payment Channel）是单向支付渠道的扩展。它允许 Alice 和 Bob 在同一渠道中进行双向交易。这个工作原理与单向支付渠道类似，只是 Alice 和 Bob 都将一定数量的比特币存入渠道，并且每个人都可以向对方发送交易。
RSMC 可撤销顺序成熟度合约（Revocable Sequenced Maturity Contract）是双向支付渠道中使用的一种防欺诈机制。它允许 Alice 和 Bob 在渠道中指定一个赎回序列，如果一方违反了赎回序列，另一方可以将交易金额从渠道中转移到自己的账户。
闪电网络由众多支付通道组成，支付通道之间可以相互连接，形成一个支付网络。用户可以通过支付网络进行快速、低成本的交易。但是闪电网络的技术相对复杂，有一定的学习和配置门槛。在安全性方面，闪电网络依赖于用户的操作，如果用户操作不当，则可能遭受资金损失，这些都是闪电网络生态发展面临的挑战。
目前在 mempool 的记录上，有 13,746 个节点，通道数量为 60,790 个。
闪电网络的通道数在过去的一两年并没有特别数量上的起伏，但 BTC 的 Capacity 相较于去年的三千多，增长到突破了 5,000 BTC。
3. 客户端验证 (Client Verification)
客户端验证是一种轻量级的验证方法，它属于 Layer 2 扩容解决方案的一种，允许用户在不下载整个区块链的情况下验证交易，这样用户可以链下进行交易，并由用户自己验证交易结果。
目前，大部份的公链采用全局共识模型（Global Consensus），所有节点都需要验证所有交易，并且节点之间需要传输所有交易信息，从而共享全网统一的全局状态。这带来了几个问题。首先，它限制了系统的可扩展性，因为验证所有合约互动变得非常昂贵，特别是当网络规模增大和交易量增加时。其次，由于需要较高的计算和存储资源来处理和验证交易，会有相当高成本，从而阻止了更多的用户参与运行节点。随着时间的推移，节点集中化，降低了网络的去中心化程度和抵抗攻击力都有可能。同时，全局共识模型缺乏隐私保护，一位用户的交易信息都是公开的，所有参与节点都可以看到交易的详情，用户财务信息泄露或身份被暴露都有可能。
因此，RGB 协议的设计初衷是为了解决传统全局共识模型所带来的一系列问题，特别是在可扩展性、节点集中化和隐私保护方面。
下图我们列举了客户端验证，和全局验证的全方面对比，可供读者参考：
a. RGB 协议
RGB 协议的作用是在闪电网络上为比特币增加了智能合约功能，基于零知识证明的状态通道协议，允许用户在链下进行隐私保护的交易。
RGB 协议的核心思想是围绕着共识和链下数据存储构建的。首先，分布式系统最重要的价值是共识的维护，利用比特共识层只需要保留对账本事件的简短的加密提交（cryptographic commitments），证明特定数据存在但不透露实际数据内容的技术，通常通过哈希函数实现，仅在链上存储这些提交去保证数据的真实性和完整性，进而减少了链上数据的负担。
RGB 设计的账本数据存储在链下。这意味着所有的合约数据和状态转换都保留在链下，而不是存储在区块链上。利用单次使用密封和状态转换来追踪和验证智能合约的状态，在不将全部数据存储在链上的情况下，有效地处理和验证智能合约的状态和交易。
RGB 智能合约在客户端验证模式下，意味着所有数据都保留在比特币交易之外，例如比特币区块链或闪电网络通道状态。使该系统能够在闪电网络之上运作，也为高级别的协议可扩展性和隐私提供了基础。
有关 RGB 协议的详细解析可以阅读 Beosin 此前发表的《深度研报｜解析 RGB 协议的设计与特点，以及面对的安全挑战》。
b. Taproot Assets
比特币网络上的一个新名词——Taproot，频繁地出现在各大媒体和新闻报导中，让我们用稍微易懂的方式来解释一下。
Taproot Assets 是什么？
Taproot 是比特币协议的一个升级，它可以让你在发送比特币时包含一些额外的信息，但不一定要把这些信息公布给所有人。通过引入了 Schnorr 签名，Merkelized Alternative Script Trees (MAST)，和新的脚本语言 Tapscript，把多个支付条件整合到一个地址，Taproot 交易就会看起来就像一个普通的比特币交易，但却可以包含多种条件，例如多签名控制、时间锁定等。Taproot Assets 是基于 Taproot 的资产发行协议。
Taproot 升级
Taproot 是比特币网络为了应对日益增长的挑战而采取的一项重要措施。随着 BTC 的普及，它的网络面临了交易速度、成本、可伸缩性以及隐私保护等问题。为了解决这些问题，比特币社区提出了 Taproot，这是一种软分叉更新，它允许新旧规则的共存，保持网络的稳定。经过社区的共识，Taproot 在 2021 年 11 月 12 日的第 709,632 个区块中被激活，旨在使比特币网络变得更快、更便宜、更具可编程性，同时也增强了网络的隐私性和可伸缩性。
Taproot 升级有什么特点？
i. 隐私性提升：以前的比特币交易很容易被人看到交易的细节，但有了 Taproot 升级，很多不必要的信息可以被隐藏起来，就像给用户的交易拉上了隐私窗帘。
ii. Taproot 升级增加了 BTC 的灵活性。Taproot 让比特币做更多的事情，比如可以设置多重条件，只有当这些条件都满足时，比特币才能被发送出去。
iii. 通过 Taproot，比特币的交易处理会更快，费用也会更低，就像是为比特币装上了节能灯泡和高效电池，整体网络变得更加高效。
Taproot 升级
首先，Taproot 升级首先引入了 Schnorr 签名，替换了原有的 ECDSA 签名机制，其最大优点是它的线性性，它允许多个签名者合并他们的公钥和签名，创建一个单一的公钥和签名，这个单一的签名可以验证所有签名者的参与和认可，不仅提高了隐私，还减少了交易的大小，从而降低了费用。
通过 MAST（Merkleized Alternative Script Tree），比特币交易可以包含多个可执行脚本，但只需要展示和执行其中一个。这意味着使用的人可以创建包含多种条件的交易，但只在满足某一条件时，才展示和执行相应的脚本。
Taproot 核心
i. 在 Taproot 中，比特币的地址可以有两种可能的花费条件：或是简单的公钥签名，或是满足 MAST 中的某个脚本。如果所有参与者都同意交易，就可以只用简单的公钥签名来花费比特币，这样可以保持高度的隐私和低费用。
ii. 如果参与者之间有争议，或者需要满足特定的条件，就可以展示 MAST 中的相应脚本，并执行它来花费比特币。
iii. 在创建 Taproot 地址时，会使用一种名为 TapTweak 的技巧来调整公钥。通过将公钥和某些额外数据进行哈希运算，得到一个 “tweak”，然后将这个 tweak 添加到原始公钥上，从而得到一个新的公钥，这个新的公钥就是 Taproot 地址的公钥。
Tapscript
i. Tapscript 是 Taproot 协议中的新脚本语言，允许开发者为比特币交易编写复杂的条件。开发者可以创建多种定制的支付条件，使比特币的智能合约能力得到拓展。
Taproot 意义
(1) 隐私保护
例：Alice 和 Bob 想要创建一个多签名钱包，要求两人都必须签名才能花费资金。在 Taproot 之前，这种多签名交易很容易被外人识别。但现在通过 Taproot，他们的多签名钱包看起来就像是一个普通的比特币地址，从而增加了隐私。
(2) 交易费用降低
例：假设一个企业有 5 个合伙人，他们决定至少需要 3 个人同意才能花费公司的比特币。如果他们使用常规的多签名方案，他们会需要在交易中包含 3 个独立的签名。这将会占用较多的数据空间，从而增加交易费用。然而，如果他们使用 Taproot 协议中的签名聚合技术，可以将 3 个签名聚合成一个单一的签名，并只在交易中包含这一个签名。
(3) 更多的支付条件
例：假设 Charlie 想要创建一个条件付款，只有在他的孩子 18 岁生日时，比特币才能被提取。通过 Taproot 的新脚本能力，Charlie 可以编写这种条件付款脚本，实现这个特定的支付条件。
(4) 智能合约的拓展
例：假设 Daisy 是一个游戏开发者，她想在她的游戏中集成比特币支付。通过 Taproot，她可以创建智能合约，实现游戏内的交易和奖励发放，同时保持高效和低成本。
(5) 更快的交易确认
由于 Taproot 能够减少交易数据的大小和复杂度，交易能够更快得到网络的确认，从而提高了用户的体验。
4. Rollups
Rollups 是一种将多个交易聚合到一个单一交易中，然后将该单一交易提交到区块链的技术。这种方法可以显著提高区块链的交易处理能力。BTC Rollup 可以继承 BTC 的数据安全性，并为 BTC 提供交易数据存储的应用场景。例如，Sovereign Rollup 是一种使用比特币提供数据可用性的 Rollup 方案，允许用户在比特币区块链上检索和存储数据。
目前，有以下 3 个正在研究的 BTC Rollups：
(1) Validity Rollups: 通过递归和引入新的操作码来帮助验证 Rollup 交易。
(2) Sovereign Rollups: 2023 年 3 月，Rollkit 宣布使用 Taproot 交易将 Rollup 数据直接存储在比特币区块链上。
(3) ZK rollup: Chainway 和 Kasar Labs 在 2023 年 8 月采取了重大措施，在比特币上实现 ZK Rollup。这两个开发团队都开源了他们的数据可用性适配器 (Data Availability Adapter)，让 BTC 与 Sovereign SDK 兼容。
扩容对 BTC 价值的影响
BTC 的扩容技术对于 BTC 的交易吞吐量，网络可拓展性和用户体验都有非常大的影响。从以上分析我们可以看到，闪电网络的发展将增加 BTC 在日常支付的应用场景，RGB 和 Taproot Assets 可以成为用户和机构提供资产发行的工具，而各类侧链将通过智能合约支持更加复杂的应用场景，以此吸引更多用户和投资者参与 BTC 相关交易。
同时需要注意的是，BTC 扩容技术目前都处于早期阶段，多种扩容方案面临许多技术挑战和社区治理问题。各类扩容方案对 BTC 的影响和自身价值需要等待市场的检验。
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