一文帶你全面瞭解 BTC 擴容技術
原用標題：深度研報：BTC 再次站上 4 萬美元關口，BTC 擴容技術對 BTC 的價值影響幾何？
封面：Photo by Jigar Panchal on Unsplash
12 月 4 日，比特幣（BTC）在盤中突破了 41000 美元，創下自 2022 年 4 月以來的新高。 與此同時，基於比特幣的銘文生態專案 ORDI 也在盤中突破了 40 美元，繼續刷新歷史新高。
比特幣作為全球最知名的加密貨幣，其價格的持續走高也反映了加密貨幣市場的活躍和不斷增長的需求。 隨著比特幣價格的上漲，人們對於數位資產的投資和探索再次變得熱情起來。
根據 Beosin 旗下 EagleEye 的分析，發現 BTC 的日活躍位址數在今年 9 月份突破一百萬，其鏈上活躍位址數從今年年初開始一直呈現上升趨勢。 在 10 月 23 日 BTC 價格突破 3 萬美金後，BTC 鏈上地址的活躍程度明顯增高。 根據 Glassnode 的數據，當前 BTC 活躍位址數最高即將接近 2021 年時候的 DeFi Summer，BTC 生態在經歷去年的震蕩后開始表現出強大的生命力。
隨著 BTC 突破 4 萬美元，比特幣市值目前超過 8000 億美元，已超越伯克希爾·哈撒韋，位列全球資產市值第 10 位。 而隨著今年大火的 BRC20 總市值超過 10 億美元，BTC 相關技術和生態成為市場關注的重點。
當然，價格只是一部分，Beosin 更專注於 Web3 技術方面的研究進展。 今天 Beosin 將為大家解析 BTC 最硬核的擴容技術，説明大家瞭解相關擴容方案的進展和挑戰。
BTC 擴容訴求
目前，如何承載更多的應用，具有更快的交易速度和更大的網路承載量，都是 BTC 所面臨的挑戰。
BTC 的區塊大小限制原本是為了保護網路免受垃圾交易和潛在的 DDoS 攻擊。 這個設計在早期階段是合理的，但隨著 BTC 的普及和交易量的增加，每個區塊能夠處理的交易數量不足以滿足需求，導致網路擁堵和交易確認時間的延長，原始設計中的缺陷開始顯露。
首先，在工作量證明（Proof of Work）共識機制，礦工需通過大量計算來爭奪記帳權。 由於比特幣網路的平均出塊時間為 10 分鐘，並且每個區塊的容量有上限，當交易量增加時，網路的交易處理能力受限，導致交易確認時間變長，影響了使用者的交易體驗，也限制了比特幣網路的處理能力。
其次，隨著交易確認速度的減慢，礦工傾向於優先打包交易費較高的交易，進一步推高了交易費用。 同時，由於比特幣獎勵的減半機制，礦工的收入主要依賴於交易費，這導致礦工的收入缺乏持續性和穩定性。 一旦礦工的參與度降低，網路的總算力也會隨之下降，可能會影響到網路的安全性。
最後，與乙太坊等平臺不同，比特幣網路不支援通用智慧合約，雖然這種設計可以保護網路的安全和簡潔性，但也限制了其生態的拓展。
BTC 的社區對於如何解決交易處理能力問題有著不同的看法，一部分支持通過增加區塊大小來提高交易處理能力，而另一些人則主張通過優化交易結構或引入二層網路解決方案來解決這個問題。 為了解決基本層的交易處理能力問題，BTC 社區有一些解決方案尚在踐行。
原鏈（On-chain）擴容
原鏈擴容主要是通過直接改變比特幣區塊鏈的某些參數或規則來實現的，比如下面的舉例：
隔離見證（SegWit）
隔離見證（Segregated Witness，簡稱 SegWit）是一種減輕區塊負擔的機制。 它將交易的簽名數據從交易主體中分離出來，將簽名數據放在區塊的擴展區域，從而減小了主區塊中的交易大小。 這樣，每個區塊可以容納更多的交易，從而提高了網路的交易處理能力。
動態區塊大小調整
動態區塊大小調整是一種使區塊大小能夠根據網路需求自動調整的機制。 通過某種演算法或共識機制，網路可以自動地增加或減小每個區塊的大小，以適應不同的交易量需求。 代表專案有比特幣現金（BCH），通過固定的區塊大小增加來實現擴容。 同時還有門羅幣（Monero， XMR），實現了一個動態區塊大小的機制，它允許區塊大小根據網路需求自動調整。
減少區塊間隔時間
減少區塊的產生間隔時間可以使網路更快地處理交易。 但這也可能會增加區塊鏈的碎片化，並可能降低網路的安全性。 萊特幣（LTC）： 萊特幣的區塊產生時間是 2.5 分鐘，比比特幣的 10 分鐘要短，從而實現了更快的交易確認。
優化交易結構
這個方案旨在在每個區塊中容納更多的交易。 例如，通過使用 Schnorr 簽名替換現有的 ECDSA 簽名，可以減少簽名數據的大小，從而節省區塊空間。
然而，原鏈擴容還沒有大規模普及的原因是其存在一些爭議和挑戰，目前比特幣核心社區的意見也是時常出現分歧。
1. 對區塊鏈的核心協定進行修改，在技術上困難且風險較高的，任何錯誤都可能導致安全問題或網路分叉。
2. 某些原鏈擴容方案，如增加區塊大小，可能會增加節點運行的成本，導致更多的中心化。 當運行節點的成本增加時，資源多的參與者才能繼續運行節點，而導致去中心化程度降低。
3. 最近由於通過 Ordinals 協定鑄造 BRC-20 代幣而導致的網路擁堵，嚴重阻塞了比特幣網路，這也在社區中引發了關於擴容解決方案必要性的討論。
這些問題引出了鏈外擴容的嘗試。
鏈外（Off-chain）擴容：
首先，鏈外擴容是一種旨在提高區塊鏈交易處理能力而不直接修改區塊鏈本身參數或規則的方法。 通過創建區塊鏈之外的結構和協定，鏈外擴容可以説明減輕區塊鏈網路的負擔，並實現更快速、更低成本的交易處理。
鏈外擴容方式包括但不限於下面的幾種：
1. 側鏈（Sidechains）
側鏈是與主鏈（如比特幣）並行運行的獨立區塊鏈，允許資產和數據在主鏈和側鏈之間自由轉移。 側鏈可以有自己的共識機制和規則，提供額外的交易處理能力。 比特幣網路已經誕生了數條側鏈方案，包括 Rootstock、Liquid 和 Stacks 等等，生態專案主要集中在以下幾個領域：
● 交易處理：Rootstock 側鏈採用了側鏈-主鏈雙向挂鉤機制，允許比特幣資產在主鏈和側鏈之間自由轉移。 Stacks 即將推出的 sBTC 與 Rootstock 的機制類似。 關於 Stacks 的詳細解析可以閱讀 Beosin 此前發表的《什麼是 Stacks？ BTC 二層網路 Stacks 可能面臨哪些挑戰？》
● 隱私保護：Mimblewimble 側鏈採用了 Mimblewimble 協定，可以隱藏交易的輸入和輸出位址。
● 智能合約：Liquid 側鏈採用了 Liquid 協定，可以支援比特幣智能合約。
關於側鏈生態的詳細情況，這裡不再展開過多。
2. 狀態通道（State Channels）
狀態通道允許參與者在區塊鏈之外創建一個通道，然後在該通道內進行無限量的交易，只有在打開和關閉通道時才需要與區塊鏈交互。
閃電網路
閃電網路（Lightning Network）是一種基於比特幣的二層擴容解決方案，與比特幣的主區塊鏈分開，它通過在鏈下建立點對點的支付通道來實現快速、低成本的交易。 通過支付通道進行交易，並最終在主區塊鏈上結算。 比特幣的主區塊鏈每秒只能處理大約七筆交易，而一些主流信用卡經常處理超過 1,000 筆每秒的交易。 與主鏈上的交易相比，閃電網路上的比特幣交易往往成本更低。
工作原理
通過建立支付通道來實現快速和廉價的交易。 用戶可以在閃電網路中建立支付通道，在通道內進行多次交易，然後在完成後將聚合的交易記錄在比特幣區塊鏈上。 閃電網路由一組處理支付的節點組成，交易通常使用 QR 碼進行，而不是複雜的公鑰。 閃電網路可以實現數千甚至數十萬筆交易的即時完成，從而使小額交易成為可能。
閃電網路的概念最初由比特幣的匿名創造者中本聰（Satoshi Nakamoto）提出，但由研究人員 Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 在 2016 年的一篇白皮書中正式提出。 自 2018 年以來，閃電網路已經得到了多個團隊的開發和推廣，包括 Lightning Labs、ACINQ 和 Blockstream 等。
閃電網路的工作流程可以被簡單地梳理成如下步驟：
1. Alice 和 Bob 都將一定數量的比特幣存入管道。
2. Alice 將一個哈希時間鎖合約（HTLC）發送給 Bob。
3. Bob 在 HTLC 中指定一個時間戳和一個贖回位址。
4. Alice 可以隨時向 Bob 發送交易，交易金額將從 Alice 存入的管道中扣除。
5. Bob 可以將 HTLC 贖回，將交易金額從渠道中轉移到自己的帳戶。
其中時間鎖 CheckSequenceVerify（CSV）是單向支付管道中使用的一種防欺詐機制。 它允許 Alice 和 Bob 在 HTLC 中指定一個時間戳，如果 Bob 在時間戳之前沒有贖回 HTLC，Alice 可以將交易金額從渠道中轉移到自己的帳戶。
而雙向支付管道（Bi-Directional Payment Channel）是單向支付渠道的擴展。 它允許 Alice 和 Bob 在同一管道中進行雙向交易。 這個工作原理與單向支付渠道類似，只是 Alice 和 Bob 都將一定數量的比特幣存入管道，並且每個人都可以向對方發送交易。
RSMC 可撤銷順序成熟度合約（Revocable Sequenced Maturity Contract）是雙向支付管道中使用的一種防欺詐機制。 它允許 Alice 和 Bob 在管道中指定一個贖回序列，如果一方違反了贖回序列，另一方可以將交易金額從管道中轉移到自己的帳戶。
閃電網路由眾多支付通道組成，支付通道之間可以相互連接，形成一個支付網路。 用戶可以通過支付網路進行快速、低成本的交易。 但是閃電網路的技術相對複雜，有一定的學習和配置門檻。 在安全性方面，閃電網路依賴於使用者的操作，如果使用者操作不當，則可能遭受資金損失，這些都是閃電網路生態發展面臨的挑戰。
目前在 mempool 的記錄上，有 13,746 個節點，通道數量為 60,790 個。
閃電網路的通道數在過去的一兩年並沒有特別數量上的起伏，但 BTC 的 Capacity 相較於去年的三千多，增長到突破了 5,000 BTC。
3. 客戶端驗證（Client Verification）
客戶端驗證是一種輕量級的驗證方法，它屬於 Layer 2 擴容解決方案的一種，允許使用者在不下載整個區塊鏈的情況下驗證交易，這樣使用者可以鏈下進行交易，並由使用者自己驗證交易結果。
目前，大部份的公鏈採用全域共識模型（Global Consensus），所有節點都需要驗證所有交易，並且節點之間需要傳輸所有交易資訊，從而共用全網統一的全域狀態。 這帶來了幾個問題。 首先，它限制了系統的可擴展性，因為驗證所有合約互動變得非常昂貴，特別是當網路規模增大和交易量增加時。 其次，由於需要較高的計算和存儲資源來處理和驗證交易，會有相當高成本，從而阻止了更多的用戶參與運行節點。 隨著時間的推移，節點集中化，降低了網路的去中心化程度和抵抗攻擊力都有可能。 同時，全域共識模型缺乏隱私保護，一位使用者的交易資訊都是公開的，所有參與節點都可以看到交易的詳情，使用者財務信息洩露或身份被暴露都有可能。
因此，RGB 協議的設計初衷是為了解決傳統全域共識模型所帶來的一系列問題，特別是在可擴展性、節點集中化和隱私保護方面。
下圖我們列舉了客戶端驗證，和全域驗證的全方面對比，可供讀者參考：
a. RGB 協定
RGB 協定的作用是在閃電網路上為比特幣增加了智慧合約功能，基於零知識證明的狀態通道協定，允許使用者在鏈下進行隱私保護的交易。
RGB 協定的核心思想是圍繞著共識和鏈下數據存儲構建的。 首先，分散式系統最重要的價值是共識的維護，利用比特共識層只需要保留對賬本事件的簡短的加密提交（cryptographic commitments），證明特定數據存在但不透露實際數據內容的技術，通常通過哈希函數實現，僅在鏈上存儲這些提交去保證數據的真實性和完整性，進而減少了鏈上數據的負擔。
RGB 設計的帳本數據存儲在鏈下。 這意味著所有的合約數據和狀態轉換都保留在鏈下，而不是存儲在區塊鏈上。 利用單次使用密封和狀態轉換來追蹤和驗證智慧合約的狀態，在不將全部數據存儲在鏈上的情況下，有效地處理和驗證智慧合約的狀態和交易。
RGB 智慧合約在客戶端驗證模式下，意味著所有數據都保留在比特幣交易之外，例如比特幣區塊鏈或閃電網路通道狀態。 使該系統能夠在閃電網路之上運作，也為高級別的協定可擴展性和隱私提供了基礎。
有關 RGB 協定的詳細解析可以閱讀 Beosin 此前發表的《深度研報|解析 RGB 協議的設計與特點，以及面對的安全挑戰》。
b. Taproot Assets
比特幣網路上的一個新名詞——Taproot，頻繁地出現在各大媒體和新聞報導中，讓我們用稍微易懂的方式來解釋一下。
Taproot Assets 是什麼？
Taproot 是比特幣協定的一個升級，它可以讓你在發送比特幣時包含一些額外的資訊，但不一定要把這些資訊公佈給所有人。 通過引入了 Schnorr 簽名，Merkelized Alternative Script Trees（MAST），和新的腳本語言 Tapscript，把多個支付條件整合到一個位址，Taproot 交易就會看起來就像一個普通的比特幣交易，但卻可以包含多種條件，例如多簽名控制、時間鎖定等。 Taproot Assets 是基於 Taproot 的資產發行協定。
Taproot 升級
Taproot 是比特幣網路為了應對日益增長的挑戰而採取的一項重要措施。 隨著 BTC 的普及，它的網路面臨了交易速度、成本、可伸縮性以及隱私保護等問題。 為了解決這些問題，比特幣社區提出了 Taproot，這是一種軟分叉更新，它允許新舊規則的共存，保持網路的穩定。 經過社區的共識，Taproot 在 2021 年 11 月 12 日的第 709,632 個區塊中被啟動，旨在使比特幣網路變得更快、更便宜、更具可程式設計性，同時也增強了網路的隱私性和可伸縮性。
Taproot 升級有什麼特點？
i. 隱私性提升：以前的比特幣交易很容易被人看到交易的細節，但有了 Taproot 升級，很多不必要的資訊可以被隱藏起來，就像給使用者的交易拉上了隱私窗簾。
ii. Taproot 升級增加了 BTC 的靈活性。 Taproot 讓比特幣做更多的事情，比如可以設置多重條件，只有當這些條件都滿足時，比特幣才能被發送出去。
iii. 通過 Taproot，比特幣的交易處理會更快，費用也會更低，就像是為比特幣裝上了節能燈泡和高效電池，整體網路變得更加高效。
Taproot 升級
首先，Taproot 升級首先引入了 Schnorr 簽名，替換了原有的 ECDSA 簽名機制，其最大優點是它的線性性，它允許多個簽名者合併他們的公鑰和簽名，創建一個單一的公鑰和簽名，這個單一的簽名可以驗證所有簽名者的參與和認可，不僅提高了隱私，還減少了交易的大小，從而降低了費用。
通過 MAST（Merkleized Alternative Script Tree），比特幣交易可以包含多個可執行腳本，但只需要展示和執行其中一個。 這意味著使用的人可以創建包含多種條件的交易，但只在滿足某一條件時，才展示和執行相應的腳本。
Taproot 核心
i. 在 Taproot 中，比特幣的位址可以有兩種可能的花費條件：或是簡單的公鑰簽名，或是滿足 MAST 中的某個腳本。 如果所有參與者都同意交易，就可以只用簡單的公鑰簽名來花費比特幣，這樣可以保持高度的隱私和低費用。
ii. 如果參與者之間有爭議，或者需要滿足特定的條件，就可以展示 MAST 中的相應腳本，並執行它來花費比特幣。
iii. 在創建 Taproot 位址時，會使用一種名為 TapTweak 的技巧來調整公鑰。 通過將公鑰和某些額外數據進行哈希運算，得到一個「tweak」，然後將這個 tweak 添加到原始公鑰上，從而得到一個新的公鑰，這個新的公鑰就是 Taproot 位址的公鑰。
Tapscript
i. Tapscript 是 Taproot 協定中的新腳本語言，允許開發者為比特幣交易編寫複雜的條件。 開發者可以創建多種定製的支付條件，使比特幣的智慧合約能力得到拓展。
Taproot 意義
（1）隱私保護
例：Alice 和 Bob 想要創建一個多簽名錢包，要求兩人都必須簽名才能花費資金。 在 Taproot 之前，這種多簽名交易很容易被外人識別。 但現在通過 Taproot，他們的多簽名錢包看起來就像是一個普通的比特幣地址，從而增加了隱私。
（2）交易費用降低
例：假設一個企業有 5 個合夥人，他們決定至少需要 3 個人同意才能花費公司的比特幣。 如果他們使用常規的多簽名方案，他們會需要在交易中包含 3 個獨立的簽名。 這將會佔用較多的數據空間，從而增加交易費用。 然而，如果他們使用 Taproot 協定中的簽名聚合技術，可以將 3 個簽名聚合成一個單一的簽名，並只在交易中包含這一個簽名。
（3）更多的支付條件
例：假設 Charlie 想要創建一個條件付款，只有在他的孩子 18 歲生日時，比特幣才能被提取。 通過 Taproot 的新腳本能力，Charlie 可以編寫這種條件付款腳本，實現這個特定的支付條件。
（4）智能合約的拓展
例：假設 Daisy 是一個遊戲開發者，她想在她的遊戲中集成比特幣支付。 通過 Taproot，她可以創建智慧合約，實現遊戲內的交易和獎勵發放，同時保持高效和低成本。
（5）更快的交易確認
由於 Taproot 能夠減少交易數據的大小和複雜度，交易能夠更快得到網路的確認，從而提高了用戶的體驗。
4. Rollups
Rollups 是一種將多個交易聚合到一個單一交易中，然後將該單一交易提交到區塊鏈的技術。 這種方法可以顯著提高區塊鏈的交易處理能力。 BTC Rollup 可以繼承 BTC 的數據安全性，併為 BTC 提供交易數據儲存的應用場景。 例如，Sovereign Rollup 是一種使用比特幣提供數據可用性的 Rollup 方案，允許使用者在比特幣區塊鏈上檢索和存儲數據。
目前，有以下 3 個正在研究的 BTC Rollups：
（1）Validity Rollups： 通過遞歸和引入新的操作碼來幫助驗證 Rollup 交易。
（2）Sovereign Rollups： 2023 年 3 月，Rollkit 宣佈使用 Taproot 交易將 Rollup 數據直接存儲在比特幣區塊鏈上。
（3）ZK rollup： Chainway 和 Kasar Labs 在 2023 年 8 月採取了重大措施，在比特幣上實現 ZK Rollup。 這兩個開發團隊都開源了他們的數據可用性適配器（Data Availability Adapter），讓 BTC 與 Sovereign SDK 相容。
擴容對 BTC 價值的影響
BTC 的擴容技術對於 BTC 的交易輸送量，網路可拓展性和用戶體驗都有非常大的影響。 從以上分析我們可以看到，閃電網路的發展將增加 BTC 在日常支付的應用場景，RGB 和 Taproot Assets 可以成為使用者和機構提供資產發行的工具，而各類側鏈將通過智慧合約支援更加複雜的應用場景，以此吸引更多使用者和投資者參與 BTC 相關交易。
同時需要注意的是，BTC 擴容技術目前都處於早期階段，多種擴容方案面臨許多技術挑戰和社區治理問題。 各類擴容方案對 BTC 的影響和自身價值需要等待市場的檢驗。
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