BTC layer2 协议研究
发展背景
长期以来，BTC以其极高的安全性受到用户追捧。然而，随着加密货币用户的增长，无法实现图灵完备的BTC网络，已经无法满足用户对加密货币系统中低手续费、便捷、即时、隐私保护、资产多样化的要求。即虽然BTC目前拥有最大的加密货币资产市值，但基于BTC所衍生的生态发展，在市场的竞争力并不大。
虽然BTC自诞生也经历了多次升级，包括：
1）2012年，首次提出挂钩侧链（Pegged Sidechains）的概念，它源自双向挂钩（Two-way Peg），可以让资产在两条链上无缝转移。该提案为后续侧链技术奠定了基础；
2）2014年，Blockstream成立，开始研发侧链技术，以提高比特币的可扩展性；
3）2015年，闪电网络白皮书发布。闪电网络是一种将小额交易与主链解耦的解决方案。通过创建双向支付通道，无需在区块链上记录中间交易，只需要在BTC上记录最终状态。
4）2017年，SegWit（隔离见证）升级激活，解决了比特币区块链中的交易可塑性问题，为Layer 2技术的发展提供了可能；
5）2018年以来，开发者逐渐开始部署闪电网络节点，并获得了一定的用户量和支持。据bitcoinvisuals网站统计，截至2023年10月，闪电网络上的节点数量已超过16,000个，可容纳60,000多个支付通道，网络容量超过5,000个比特币，价值超过1亿美元美元。
近期，BRC-20代币标准的出现，进一步丰富了比特币相关生态系统，让BTC Layer2再次进入了公众的视野。Layer2并非是一种直接修改原链的扩容方案，在历史上的升级中，直接改进BTC的底层协议的操作，往往复杂程度高，社区阻力较强，也会增加BTC系统的风险，甚至导致了几次导致硬分叉和社区分裂（如BSV、BCH等）。
即，对比特币进行突然且实质性的改变容易对该协议的核心规则产生反作用。虽然比特币的升级肯定会继续，但任何变革性的解决方案都不会一蹴而就。目前，既然以太坊已经成功实现了基于Layer2的扩容方案，那么比特币网络或许也可以采用类似的架构，来帮助扩展网络性能，以容纳数十亿用户。
Layer 2概念
Layer 2概念来自于以太坊扩容设计的方案的衍生——以Rollup的方式打包交易，并将网络安全性依托于以太坊（L1）的网络共识。以此，Layer 2可以专注于其网络的的性能提升、费用优化等，最大化的提供给用户高效的使用体验，同时网络上核心数据都会及时传递到以太坊，并存储在区块上。一旦网络被攻击或节点作恶等，可以利用以太坊上数据进行回滚，以此实现网络的安全性。
Layer 2 是相对于 Layer 1 而存在的，在解决扩容方案的时候，最开始想到的是对公链本身扩容，即 Layer 1 的扩容，比如早期对比特币进行区块大小调整，隔壁见证的引入，以太坊2.0的转 POS 和分片机制的实施等，都是在Layer 1 层面进行的扩容。
但由于面临“区块链三角问题”，Layer 1无法同时兼顾性能、安全性、去中心化三方面的提升，所以， Layer 2 是一种折中的解决，它将安全性依托于底层的Layer 1，而自身网络则可以最大的化提升网络效率、降低GAS费用，以接纳更大规模群体的用户，并实现加密货币用户日益增加的多样化功能需求；
Layer 2 不改变区块链协议本身，即不篡改 Layer 1 上任何去中心化或安全特性，通过链上智能合约与链下数据的交互，来为其提供了新的功能和性能。这样的方式也更适合BTC网络的扩容发展；
使比特币（和其他资产）能够在不直接使用区块链的情况下进行转移。虽然每个比特币层都有自己独特的共识机制来连接比特币，但目标是相同的：将交易转移到链外，使其更快、更便宜、更可编程和可扩展。
假设比特币作为交易的最终结算层，那么基于上层的Layer2的升级和发展并不会影响到BTC的安全性，同时，Layer2具备多重优势：交易速度更快，费用更低，更适合需要更快确认的比特币用户；增加了智能合约功能，具有完整执行环境的智能合约使得去中心化应用的开发成为可能，这极大地拓展了比特币的应用场景，包括去中心化金融（DeFi）、不可替代代币（NFT）和去中心化自治组织（DAO） 。
所以，BTC Layer 2或许是更合适的扩容方案。即在BTC的基础上构建一个新的层，而不改变BTC，同时满足用户对可扩展性的需求。本文主要对目前主流的 BTC Layer 2协议进行介绍，并对其未来进行了展望。
BTC Layer2
目前基于BTC网络构建的Layer2方案有很多，但和以太坊不同的，目前多数BTC生态中的Layer 2项目，他们在技术架构的设计具备多种类型，这也是受于BTC网络自身限制问题，开发者无法像以太坊Layer 2一样，直接以Rollup的形式部署Layer 2，更多是采用侧链、状态通道等方式，如下图：
图片来源：@Janenico"">https://medium.com/@Janenico
从技术角度而言，不同架构的形式实现，具备不同的特点：
Rollup：目前以太坊主流的Layer2扩容方案，本质上是将计算过程从主链的交易转移到“Rollup链”上。在Rollup链上执行交易后，数据被聚合并汇总，传输到主链进行验证，并存储，获得主链提供共识安全。
状态通道：比较典型的是闪电网络，其理念是在比特币网络之外开通一条“绿色通道”，将大量高频的、小额的交易在区块链外进行，最终的结算数据放在链上，链下交易的确认和支付通道等问题，通过RSMC和HTLC等技术方式去解决。相比Rollup等方案，它没有一条独立的链，而只有一个通道。
侧链：基于比特币网络，再另外创造一条链。而在这条链上做更多的智能合约或者是其他的运算执行。侧链和比特币之间的交互，主要是侧链去验证比特币主链上的信息，然后做后续的执行，侧链一般是采用联盟侧链的形式管理，中心化程度较高。
客户端验证：和状态通道相似，但客户端验证不需要所有的状态转换过程都在主链上的所有节点/矿工来通过重复计算的方式来验证，只需要利用主链来保证承诺的安全性即可，主要项目包括：RGB、Taro 等。
下面介绍主流的代表项目：
目前比较知名的BTC Layer2 相关概念项目有Liquid Network、Lightning Network、Rootstock、Stacks等。
Liquid Network
Liquid Network是由Blockstream团队所开发的比特币侧链，旨在促进比特币交易的快速结算。该网络的共识机制与比特币类似，但在链的治理结构上具有中心化的特征；
团队方面，Blockstream是一家旨在扩大比特币协议层功能的公司，主导研发侧链的扩展机制；其团队包括比特币核心开发者Gregory Maxwell，Jonathan Wilkins等。2014年11月，该公司获得2,100万美元种子轮融资，领投人是LinkedIn联合创始人兼Airbnb董事会成员雷德·霍夫曼、科斯拉风险投资公司（Khosla Ventures）等。
Liquid Network网络的特点在于：
快速结算：Liquid Network的出块时间仅为60秒，比比特币的10分钟快得多，这意味着Liquid Network上的交易可以更快地得到确认和结算。
交易费用低：Liquid Network 的交易费用平均仅为比特币的十分之一左右。这使得小额支付和日常交易更具成本效益。
中心化结构：与比特币的去中心化结构不同，Liquid Network 具有更加中心化的结构。这是为了提高性能而做出的妥协，可以实现更快的交易确认和更高的吞吐量。
Liquid Network 的主要目的是提供更适合比特币快速、高频交易需求的解决方案。它可以广泛应用于加密货币交易所、支付服务和其他金融应用，使这些交易更加高效和便捷。
图片来源：https://docs.liquid.net/docs/technical-overview
Liquid目前由分布在全球的成员联盟运营，Liquid 网络拥有超过35 家交易所、交易部门和金融机构的成员，成员共同管理网络并指导其发展。
自2018年底推出，Liquid Network已经取得了显著的增长。Liquid Network 的网络容量是衡量其采用情况的一个关键指标，在2022到2023这一年期间里，网络容量一直维持在3,500 BTC左右，即越来越多的用户和实体正在选择将比特币锁定到 Liquid Network 上。
闪电网络 (Lightning Network)
在 2015 年的 2 月由Thaddeus Dryja 和 Joseph Poon 一起撰写了一份名为 “The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments ” 的白皮书首次展示闪电网络的构建。
在 2016 年，Dryja 和 Poon 共同创立了一家名为 Lightning Labs 的公司来开发闪电网络技术；2018年， Lightning Labs在比特币主网上推出了闪电网络测试版，并开始实结果才在链上确认，从而提高比特币网络的交易效率，让用户能够以更低的成本、更快的速度完成支付。
后续闪电网络不断发展迭代，在2021年萨尔瓦多将比特币法币化后，闪电网络的支付数量和金额迅速上升。截止至2023年10月8日，闪电网络一共有1.6万个节点，近7.7万个支付通道，通道资金约5,356枚比特币（约合1.24亿美金）。
闪电网络的基本原理是构建一个用户点对点之间交易通道，其通过智能合约打开一个支付通道网络，而该网络本质上交易双方的一个账本，保存双方之间的交易记录。
交易双方都先存入其中一定数量的比特币进入闪电网络中。而闪电网络的作用则是负责完成交易记录，并把最后的交易结果广播到BTC网络上，即交易是链下完成，而交易结果则会被保存在链上，由闪电网络负责将双方账号余额更新。
图片来源：https://www.youtube.com/watch?v=FOT6NqaEtfc
当然，闪电网络不是简单的双方交易者的链接，而是可以实现多用户多通道，相互链接的支付网络；对于闪电网络而言，除了交易速度和费用外，更重要的是确保交易者不存在作弊行为，为了防止交易者试图通过虚假的结账声明来窃取比特币，闪电网络有一个惩罚协议。如果Alice发送了不正确的信息，而Bob证明这个信息是假的，那么通道中的所有资金都将被转移到Bob。
其中的技术关键是哈希时间锁定合约（HTLCs），这个协议允许交易通过支付通道路径发送比特币，但也消除了拦截和保留付款的可能性。简单地说，在最终结算时，HTLCs要求收件人确认他已经收到付款。如果收件人在一定时间内没有确认收到付款，付款将被退回给发件人。
闪电网络的用例广泛，目前包括社交平台打赏支付、跨境汇款、商户支付、转账交易等都已经构建了闪电网络，能够满足多样化的支付场景需求。在2022年，闪电网络领域也出现了多笔大额融资，包括a16z、Paradigm在内的顶级机构也参与到了相关项目的投资中。
目前而言，Lightning Labs 将闪电网络服务提供商（LSP）定义为「代表他人在闪电网络上提供流动性服务的实体」，并将 LSP 分为三类：流动性提供者、基础设施供应商、联合流动性和基础设施提供商。
当下具备代表性的LSP项目，如下注：
Voltage：提供针对企业的闪电网络服务，无需闪电工程师即可部署闪电网络；
Lightspark：闪电网络支付解决方案提供商，通过闪电网络为互联网启用开放支付协议；LightningLoop：Lightning Labs 提供的一项非托管服务，可以轻松地将比特币移入和移出闪电网络。
Boltz：专注于隐私、无需账户的比特币交易所和闪电网络服务提供商，致力于闪电网络集成和构建Lapp；
AMBOSS：闪电网络数据分析平台，提供数据、见解和协调工具；
BTCPay Server：自托管的开源加密货币支付处理商。
在今年7月6日，闪电实验室推出了一款新的开发者工具，使闪电网络和人工智能开发者社区能够构建包容性、开箱即用、经济高效的LLM（大型语言模型）工具。这些工具促使了比特币生态更好的与人工智能结合，扩展比特币网络算力应用前景。
Rootstock
Rootstock是一个由比特币网络所保护的智能合约平台，创立于2016年，其思路是在比特币区块链上开发一条双向锚定的侧链，比特币矿工可通过联合挖矿获得奖励，以实现一个支持智能合约，且拥有更高性能的比特币辅助网络。
RSK团队在区块链和软件开发具有丰富经验，其首席科学家Sergio曾创立专注加密货币计算安全的公司Coinspect和加密货币开发软件工厂CoinFabrik。Diego则拥有丰富的互金产品开发经验，曾创办金融借贷公司Koibanx。RSK曾在先后获得来自比特大陆等投资方的两轮融资，融资金额累计450万美元。
RSK网络具备一个RVM虚拟机，可以让开发者使用以太坊的语言去构建智能合约，包括与以太坊生态工具集兼容；同时，RSK网络使用RBTC作为处理交易和合约手续费，由主网上的BTC通过跨链桥1：1发行，可以随时转为比特币。开发者们在RSK网络中部署智能合约时消耗的费用就是用RBTC代币来结算的，RBTC主要用于支付智能合约的执行费用，与ETH用作支付以太坊gas费类似，网络所消耗的RBTC会被作为奖励分给提供算力运行智能合约的矿工。
与其他比特币分层解决方案相比，RSK的网络特点在于：合并挖矿。RSK 使用与比特币相同的工作量证明 (PoW) 共识算法，但矿工可以比比特币基础层更快地生成区块。这些RSK区块是通过称为合并挖矿的过程来开采的。由于两个区块链使用相同的共识，矿工可以同时对比特币和RSK区块链进行合并挖矿并进行挖矿，并让比特币和RSK消耗相同的挖矿算力，因此矿工贡献的算力也可以挖矿 RSK区块，允许合并挖矿显着提高矿工的盈利能力，而无需投入额外的资源。
图片来源：https://dev.rootstock.io/rsk/architecture/
RSK的网络构建，如上图。底层而言通过合并挖矿允许 RSK 验证交易、生成区块并将其发送到比特币。通过此挖掘过程，让 RSK网络 的智能合约受益于比特币区块链的安全性。
并基于比特币的共识保护，构建RSK本身智能合约层，在这层之下，网络具备EVM兼容、可以实现开发者快速部署应用，和满足用户的各类交易需求；RSK可以大约每33秒创建一个新区块，每秒可以处理大约 10-20 笔交易，这比比特币每秒大约 5 笔交易要高效；
目前而言，RSK已经完成一定规模的生态构建，累积网络拥有47个协议，每月的网络交易笔数为7万左右；生态发展属于BTC Layer2中等偏上。
Stacks
Stacks 是一个拥有原生态开发语言的智能合约网络，其网络的安全性同样由比特币进行保护。Stacks 的初始版本于2021年初推出，引入了比特币交易结算，采用Clarity语言用于智能合约设计以及支持BTC进行资产原子互换等功能。
Stacks 通过在比特币主链上提交锚定交易来实现与比特币主链的集成，这些锚定交易包含了Stacks链上区块头信息的摘要和一些附加信息，并被广播到比特币网络中以确保其不可篡改。并且，Stacks拥有自己的共识算法PoX（Proof of Transfer）：在Stacks 中矿工和交易验证者是两个角色，交易验证者需要质押 STX代币（挖BTC），矿工则需要在 Bitcoin 主链上质押 BTC（挖 STX）。即Stacks虽然将安全性依附于比特币网络之下，但本质Stacks是条侧链，其拥有独立的共识验证网络。
在网络设计上，Stacks 的底部是基础结算层（比特币），然后在其顶部添加智能合约和可编程性层（Stacks），然后在其上层实现可扩展性和速度（ Hiro 子网）。
图片来源：https://docs.stacks.co/docs/intro
Stacks核心层基于PoX（转移证明）机制与比特币层进行交互，PoX是类似PoS的权益质押，矿工通过在比特币区块链上发送交易来参与领导人选举，可验证随机函数VRF随机选择每轮的领导人， 获选的领导人在Stacks链上写入新的区块。
具体过程：
PoX矿工在比特币层上花费比特币来参与竞标，以成为下一个区块的领导者，获得STX代币作为奖励。
当PoX矿工赢得了领导者竞标，他们将开始创建新的区块并将其添加到Stacks层中。这个过程是通过链锚定实现的，即将Stacks区块链中的信息与比特币区块链上的信息进行绑定。
在Stacks层中，新的区块包含了所有最新的交易和状态变化。这些交易和状态变化被广播到整个网络，并且由其他节点进行验证和确认。
一旦新的区块被确认，它就会被添加到Stacks区块链中，并且所有相关方都可以看到最新状态。
STX 持有者可以参与共识，通过参与一个名为“Stacking”的流程获得BTC奖励。这个流程是用户将他们的STX锁定一个奖励周期 (大约两周)，运行或支持一个完整的节点，并通过STX交易在网络上发送有用的信息。积极参与Stacking的STX持有者将获得该周期的比特币奖励。
目前而言Stacks网络拥有约2千万左右的TVL，50＋生态协议，虽然规模上相比以太坊的Layer2仍然偏小，但Stacks是目前BTC生态中，作为Layer2领域内，生态发展较为领先的平台。
图片来源：https://defillama.com/chain/Stacks
Stacks 网络为开发者构建各种去中心化应用程序打开了大门，并且将 DApp 环境部署在目前最安全的区块链网络上，使开发者能够以信心设计能够安全处理敏感数据和有价值资产的应用程序。
总结与展望
随着比特币网络上的交易量越来越多，如何让比特币承载更多的交易和生态是目前主要的发展方向，无论是闪电网络、侧链还是RGB协议，比特币二层的发展也在持续进行，最终达到比特币网络安全性和可扩展性的兼容。
当前比特币生态的规模距以太坊还有不少的差距，一是知名项目相对于以太坊较少，二是用户规模也不如以太坊，但作为当前市值最高的区块链网络，所衍生的生态群体，其增长潜力还是很大的。
而目前比特币Layer2的发展困境在于——局限于三种类型特点的网络中：开放式网络和联盟式网络；发币或不发币；EVM兼容或原生态开发者语言；
在三个理想的属性（a）开放网络，（b）没有新代币，以及（c）完整/全局虚拟机中，开发人员只能选择任意两个。选择是： (a) 要么是开放网络（理想），要么是联盟。(b) 不引入代币（理想）或引入代币。(c) 拥有完整/全局虚拟机或有限的链下合约。
Liquid作为联盟链运行，无法发币。Lightning选择成为开放式网络，但没有全局状态或完整的虚拟机。Stacks和RSK拥有开放式网络，其发行了自身网络的代币STX和RSK，它们都旨在扩展比特币的功能和应用场景，两者的区别在于网络的兼容实现和网络安全性保障的设计上。相对比而言：
Stack网络的构建与比特币的连接更为紧密，而RSK拥有EVM兼容，更利于开发者进入RSK生态；更高效的智能合约执行：STX代币与网络发展绑定，更能捕获到生态发展价值；治理方面，Stack可以让任意社区成员参与，而而RSK治理模式是通过5个席位组成的治理委员会来代表社区参与。
从项目价值面角度：对于投资者而言，目前可选的关于BTC Layer2的标的并不多。Stack整体发展较好，目前市值也已经达到了10亿左右，相比其仅拥有2千万的TVL而言，生态数据的发展仍然需要进一步提升；而如RSK，目前市值在1亿左右，仍然有不错的上限空间，但目前网络每月活跃笔数仅有7万左右；
所以，目前整体BTCLayer2概念赛道，相比以太坊Layer2的成熟度，仍然有较大差距；但随着比特币生态各基础设施日渐完善，相信会吸引到越来越多的项目入驻和投资者的关注。
近期，如以闪电网络为基础的OmniBOLT和RGB协议等项目的已经在持续发力，Ordinals、Nostr Assets Protocol Atomiclas等相关铭文NFT交易市场也值得关注。未来比特币生态将在支付、DeFi、NFT 等领域加速发展，会覆盖更多的赛道和用户。
如何获得 STX/RIF 代币？
要获得STX/RIF，您可以使用中心化加密货币交易所购买。例如，您可在支持STX/RIF交易的、具有信誉良好的交易所Gate.io上购买。首先，创建一个账户；然后，认证帐户并存入您想要的代币。创建完帐户后，您就能根据提示完成购买并获得STX/RIF。请记住，购买前要进行研究并比较不同交易所的价格，并确保将购买的代币存放在安全可靠的钱包中。
