《Aqua Labs Research | 从 Colored Coins 到 Smart Contracts, 比特币生态系统技术演进的全面分析》
来源：Aqua Labs Research
比特币作为第一种成功的去中心化数字货币，自 2009 年诞生以来一直处于加密货币领域的核心。作为一种创新的支付手段和价值存储工具，比特币引发了全球范围内对加密货币和区块链技术的广泛关注。然而，随着比特币生态系统的不断成熟和扩展，它面临着各种挑战，包括交易速度、可扩展性、安全性和监管问题。
最近，由 BRC20 主导的脚本生态系统风靡市场，各种脚本经历了百倍以上的增长。比特币的链上交易严重拥堵，平均 Gas 达到了 300 sat/vB 以上。与此同时，来自 Nostr Assets 的空投进一步吸引了市场关注，而像 BitVM 和 BitStream 这样的协议设计白皮书的提出表明比特币生态系统具有蓬勃的潜力。
Aqua Labs 研究团队通过对比特币生态系统的当前状态进行全面审查，涵盖技术进步、市场动态、法规等方面，对比特币技术进行深入分析并研究市场趋势。我们旨在提供对比特币发展的全景视角。文章首先回顾比特币的基本原则和发展历史，然后深入探讨比特币网络的技术创新，如闪电网络和隔离见证，并对其未来发展趋势进行预测。
资产发行：从 Colored Coins 开始
脚本生态系统的本质在于为普通个体提供低门槛的资产发行权，伴随着简便、公平和便利。脚本协议在比特币上的出现可以追溯到 2023 年，但早在 2012 年，就已经存在了利用比特币进行资产发行的概念，被称为 Colored Coins。
Colored Coins: 早期尝试
Colored Coins 是指一组利用比特币系统记录除比特币以外资产的创建、所有权和转移的技术。这项技术可用于追踪第三方持有的数字资产和有形资产，通过 Colored Coins 促进所有权交易。术语“Colored ”指的是向比特币的未使用交易输出（UTXOs）添加特定信息，使其与其他比特币的 UTXOs 有所区别，从而在同质比特币中引入异质性。通过 Colored Coins 技术，发行的资产具有与比特币相同的许多特性，包括防止双重花费、隐私、安全、透明度和抗审查性，确保交易的可靠性。
值得注意的是，Colored Coins 定义的协议并未由典型的比特币软件实施。需要专门的软件来识别与 Colored Coins 相关的交易。显然，只有在承认 Colored Coins 协议的社区中，Colored Coins 才有价值；否则，异质 Colored Coins 的有色属性将丧失，回归为纯粹的聪。一方面，被小规模社区认可的 Colored Coins 可以利用比特币的许多优势进行资产发行和流通。另一方面，通过软分叉将 Colored Coins 协议合并到最大的共识比特币核心软件中几乎是不可能的。
开放资产
在 2013 年末，弗拉维安·夏尔隆（Flavien Charlon）推出了开放资产协议作为 Colored Coins 的一种实现方式。资产发行者使用非对称加密来计算资产 ID，确保只有拥有资产 ID 私钥的用户才能发行相同的资产。对于资产元数据，使用 OP_RETURN 操作码将元数据存储在脚本中，称为“标记输出”（marker output），该输出存储有色信息而不会污染 UTXOs。由于它利用了比特币的公钥私钥加密工具，因此可以通过多重签名机制执行资产发行。
EPOBC
2014 年，ChromaWay 推出了 EPOBC 协议，全称为 Enhanced, Padded, Order-Based Coloring（增强型、填充式、基于顺序的着色）。该协议包括两种操作：创始和转移。创始操作用于发行资产，而转移操作则促进资产的转移。资产类型无法显式编码或区分，每个创始交易都会发行一种新资产，在发行过程中确定其总数量。EPOBC 资产必须使用转移操作进行转移，如果将 EPOBC 资产用作非转移操作交易中的输入，则该资产将丢失。
有关 EPOBC 资产的其他信息存储在比特币交易的 nSequence 字段中。nSequence 字段是比特币交易中的保留字段，由 32 位组成。其最低的六位用于确定交易类型，而第 6 至 12 位用于填充，以满足比特币协议的反尘攻击要求。使用 nSequence 字段存储元数据信息的优势在于不需要额外的存储空间。由于没有资产 ID 进行识别，涉及 EPOBC 资产的每个交易都必须追溯到创始交易，以确定其类别和合法性。
Mastercoin/Omni Layer
与前述的协议相比，Mastercoin 在商业实施方面取得了更为成功的成果。2013 年，Mastercoin 进行了有史以来第一次 ICO，筹集了 5000 BTC，开启了一个新时代。广受知名的 USDT 最初是在比特币区块链上发行的，通过 Omni Layer 引入。
Mastercoin 对比特币的依赖程度较低，选择在链外维护其大部分状态，仅在链上存储最少量的信息。Mastercoin 本质上将比特币视为分散式日志系统，利用任何比特币交易来广播资产操作的变化。交易有效性的验证涉及不断扫描比特币区块链并维护链外资产数据库。该数据库保留了地址与资产之间的映射关系，地址重用了比特币地址系统。
早期的 Colored Coins 主要使用脚本中的 OP_RETURN 操作码来存储有关资产的元数据。在 SegWit 和 Taproot 升级之后，新的衍生协议拥有更多选择。
SegWit，即隔离见证，主要是将见证（交易输入脚本）从交易中分离出来。这种分离的主要原因是防止通过修改输入脚本进行攻击。然而，它也带来一个好处：有效增加区块容量，允许更多的见证数据存储。
Taproot 引入了一个重要的功能，称为 MAST，使开发人员能够使用 Merkle 树在输出中包含任何资产的元数据。它利用 Schnorr 签名增强了可替代性和可扩展性，并通过闪电网络支持多跳交易。
序数和 BRC20 以及模拟交易：一场宏伟的社会实验
广义上，序数由四个组成部分构成
·用于对 sats 进行排序的 BIP
·使用比特币核心节点追踪所有 satoshi 位置（序数）的索引器
·处理与序数相关的交易的钱包
·用于识别与序数相关交易的区块浏览器
当然，核心是 BIP/协议本身。序数定义了一种排序方案（从 0 开始，基于它们被挖掘的顺序），为比特币中的最小单位 Satoshis 分配数字。这为原本同质的 Satoshis 引入了异质性，引入了稀缺性。
它可以重复使用 BTC 的基础设施，包括单一签名、多重签名、时间锁定、高度锁定等，无需显式创建序数。它提供了良好的匿名性，并且不留下显式的链上足迹。然而，缺点也是显而易见的，因为大量的小额未使用的 UTXO 可能会增加 UTXO 集的大小，潜在地导致所谓的灰尘攻击。此外，索引占用的空间很大，每次花费特定的 satoshi 都需要特定的信息：
·区块链头部
·到创建该 satoshi 的 coinbase 交易的默克尔路径
·创建该 satoshi 的 coinbase 交易
为了证明特定的 satoshi 包含在特定的输出中。
在这个上下文中，铭刻是将任意内容刻在 sats 上。具体的方法涉及将内容放置到 Taproot 脚本路径支出脚本中，完全在链上。铭刻的内容按照 HTTP 响应格式进行序列化，推送到支出脚本中的不可执行脚本，称为“信封”。具体而言，铭刻涉及在条件语句之前添加 OP_FALSE，将铭刻的内容放置在以 JSON 格式呈现的不可执行条件语句中。铭刻内容的大小由 Taproot 脚本限制，总计不超过 520 字节。
由于 Taproot 支出脚本要求存在的 Taproot 输出进行支出，铭刻需要两个步骤：承诺和揭示。在第一步中，创建了一个承诺铭刻内容的 Taproot 输出。在第二步中，使用铭刻内容和相应的 Merkle 路径来支出前一步中的 Taproot 输出，从而在链上揭示铭刻内容。
铭刻最初的目的是将非同质代币（NFTs）引入比特币。然而，新的开发者创建了 BRC20，在其基础上模拟了 ERC20，使得能够在序数中发行同质资产。BRC20 包括 Deploy、Mint、Transfer 等操作，每个操作都需要进行承诺和揭示两个步骤。交易过程更为复杂，成本更高。
以实际数据为例：
所选部分是铭刻的内容，反序列化后的结果如下：
源自 Atomicals 的 ARC20 协议的目标是通过将每个 ARC20 代币单位绑定到 satoshi 来简化交易，重复使用比特币交易系统。通过承诺和揭示步骤发行资产后，ARC20 代币之间的转移可以通过直接转移相应的 satoshi 来实现。ARC20 的设计更符合有色硬币的字面定义——向现有代币添加新内容以创建新代币，其中新代币的价值不低于原代币，类似于黄金和白银首饰。
客户端验证（CSV）和下一代资产协议
客户端验证，由 Peter Todd 于 2017 年提出，涉及链下数据存储、链上承诺和客户端验证。目前支持客户端验证的资产协议包括 RGB 和 Taproot 资产（Taro）。
RGB
除了客户端验证之外，RGB 使用 Pedersen 哈希作为承诺机制，并支持输出脱敏。在请求支付时，接收代币的 UTXO 无需公开披露；相反，发送哈希值，增强了隐私和抗审查性。在支出代币时，需要向收款方揭示脱敏值以验证交易历史。
此外，RGB 引入了 AluVM 以增加可编程性。在客户端验证期间，用户不仅验证传入的支付信息，还从支付方接收所有的交易历史，追溯到资产的创世交易以获得最终确定性。验证所有交易历史确保接收到的资产的有效性。
Taproot 资产
由闪电实验室开发，Taproot 资产实现了在闪电网络上即时、高频、低成本地转移已发行资产。完全围绕 Taproot 协议设计，提升了隐私和可扩展性。
见证数据存储在链下，链上进行验证，可以存在于本地或称为“宇宙”（类似于 Git 仓库）的信息存储库中。见证验证需要来自资产发行的所有历史数据，通过 Taproot 资产八卦层传播。客户端可以使用本地区块链副本进行交叉验证。
Taproot 资产使用稀疏 Merkle Sum Tree 存储资产的全局状态，带来了较高的存储成本，但提供了高效的验证。包含/不包含的证明允许在不回溯资产交易历史的情况下验证交易。
可扩展性：比特币的永恒主张
尽管比特币拥有最高的市值、安全性和稳定性，但它偏离了最初构想的“点对点的电子现金系统”的愿景。有限的区块容量使比特币无法处理大量和频繁的交易，因此在过去的十年中出现了各种协议来解决这个问题。
支付通道和闪电网络：比特币的正统解决方案
闪电网络通过建立支付通道来运作。用户可以在任意两方之间创建支付通道，连接通道以形成更广泛的支付通道网络，甚至在没有直接通道的情况下间接地进行用户之间的支付。例如，如果 Alice 和 Bob 希望进行多笔交易而不在比特币区块链上记录每一笔，他们可以在它们之间打开一个支付通道。他们可以在此通道内执行多笔交易，只需要两次区块链记录：一次是在打开通道时，另一次是在关闭通道时。这显著减少了等待区块链确认的时间，并减轻了对区块链的负担。
目前，闪电网络拥有超过 14,000 个节点、60,000 个通道和总容量超过 5000 BTC。
侧链：比特币中的以太坊方法
Stacks
Stacks 定位自己为比特币的智能合约层，使用其本地代币作为 Gas 代币。Stacks 采用微块机制，与比特币同步演进，它们的区块同时得到确认。在 Stacks 中，这被称为“锚定块”（anchored block）。每个 Stacks 事务块对应于一笔比特币交易，实现更高的交易吞吐量。由于区块同时生成，比特币充当创建 Stacks 区块的速率限制器，防止对其对等网络进行拒绝服务攻击。
Stacks 通过转移证明（PoX）的双螺旋机制实现共识。矿工将 BTC 发送到 STX 持有者以争夺挖掘区块的权利，成功挖掘区块后，成功的矿工将获得 STX 奖励。在这个过程中，STX 持有者收到矿工发送的 BTC 的相应比例。Stacks 旨在通过发行本地代币来激励矿工维护历史总账，尽管在没有本地代币的情况下仍然可以实现激励（正如在 RSK 中所见）。
对于 Stacks 区块链中的交易数据，交易数据的哈希值被存储在比特币交易脚本中，使用了 OP_RETURN 字节码。通过 Clarity 的内置功能，Stacks 节点可以检索存储在比特币交易中的 Stacks 交易数据哈希。
Stacks 可以被看作是比特币的几乎第二层链；然而，在跨境资产移动方面仍然存在一些缺陷。在 Nakamoto 升级之后，Stacks 支持发送比特币交易以完成资产的转移，但由于交易的复杂性，这些交易无法在比特币链上验证。资产的转移只能通过多重签名委员会进行验证。
RSK
RSK 利用了一种合并挖矿的算法，比特币矿工可以几乎零成本地协助 RSK 进行区块生产，并获得额外的奖励。RSK 没有本地代币，继续使用 BTC（RBTC）作为 Gas Token。RSK 拥有与以太坊虚拟机（EVM）兼容的执行引擎。
Liquid
Liquid 是比特币的联邦侧链，具有受控的节点访问权限，由负责区块生产的 15 个成员监督。资产使用锁定和铸造机制进行转移，其中资产通过使用 BTC 发送到 Liquid 上的多重签名地址，使资产能够进入 Liquid 侧链。要退出，L-BTC 被发送到 Liquid 链上的多重签名地址。多重签名地址的安全性设置为 15 中的 11。
Liquid 专注于金融应用，并为开发人员提供与金融服务相关的软件开发工具包（SDK）。Liquid 网络上的总锁定价值（TVL）目前约为 3000 BTC。
Nostr Assets: 加强的集中化
Nostr Assets，最初命名为 NostrSwap，是一个 BRC20 交易平台。于 2023 年 8 月 3 日升级为 Nostr Assets 协议，支持在 Nostr 生态系统内的所有资产的转移。闪电网络处理资产结算和安全性。Nostr Assets 使用户能够使用 Nostr 的公钥和私钥发送和接收闪电网络资产。Nostr Assets 协议上的交易，除了存款和提款之外，是无 Gas、加密的，并使用 IPFS 存储在 Nostr 协议中继上，以实现快速高效的访问。它支持自然语言交互，消除了对复杂界面的需求。Nostr Assets 为用户提供了一种简单便捷的方式来转移和交易资产，在与 Nostr 社交协议的流量效应相结合时，有可能发现在某些领域具有重要的应用。然而，从根本上说，它是使用 Nostr 消息控制（托管）钱包的方法。用户通过在闪电网络上转移资产将其存入 Nostr Assets 中继，类似于将资产存入集中交易所。当用户想要在 Nostr Assets 内转移和交易资产时，他们向服务器发送使用 Nostr 密钥签名的消息。经过验证后，服务器在内部记录交易，绕过在闪电网络或主网上执行，实现零 Gas 费用和高 TPS。
BitVM：可编程性和无限扩展
“任何可计算的函数都可以在比特币上进行验证。”
—BitVM 的创始人 Robin Linus
BitVM 由 ZeroSync 的创始人 Robin Linus 提出，利用现有的比特币 OP Codes（OP_BOOLEAN，OP_NOT）来构建 AND 和 NOT 门电路，将程序分解为基本的 AND 和 NOT 门电路。它将花费脚本的根放入 Taproot 交易中，以实现低成本的链上存储。根据计算理论，所有逻辑计算都可以使用 AND 和 NOT 门电路构建，从理论上讲，BitVM 是图灵完备的，可以在比特币上执行所有计算。然而，实际上存在许多限制。
BitVM 以 P2P 模式运作，遵循 OP Rollup 的概念。有两种角色：证明者和验证者。在每个交易中，证明者和验证者共同构建交易，并存入抵押。证明者提供结果，如果验证者计算出不同的结果，他们会向链提交欺诈证据，以惩罚证明者。BitVM 的主要用例是用于最小信任桥梁和 ZKP 扩展（ZK Rollup）。BitVM 的提案是一种妥协，因为在比特币社区中获得增加 OP_CODE 复杂性的支持难度较大。它利用现有的 OP_CODEs 来实现新功能。
BitVM 引入了一个新的扩展范式，但在实践中存在许多挑战:
– 过早：虽然 EVM 具有全面的虚拟机架构，但 BitVM 只有一个函数，用于验 证字符串是否为 0 或 1.
– 存储开销：使用 NAND 门构建程序可能需要数百兆字节的数据，具有数十亿的 Taproot 叶子.
– P2P：当前模型涉及两方之间的交互，证明者-挑战者结构存在激励问题。有考虑扩展到 1-N 或 N-N，类似于理想的 OP Rollup（单方诚实假设）.
在讨论了 BitVM 之后，我们可以将焦点转移到一站式 BRC20 工具解决方案。
一站式 BRC20 工具解决方案
1. 公平启动
BRC20 领域中众多的资产可能令人不知所措，因此对用户来说，有效的管理至关重要。因此，一站式 BRC20 工具通过以低 Gas 方式快速为用户获取有价值的铭文，从而实现了对 BRC 资产更公平的启动，因而受到了欢迎。
2. 解锁流动性：创新签名解决方案打破了 BRC 资产流动性瓶颈
由于 BRC 资产的独特性质，流动性一直是整个行业面临的挑战。一站式 BRC20 工具通过其创新的签名解决方案，成功地通过交换完成了 BRC 资产的交易，为用户提供了更灵活、高效的解决方案，有效地解锁了流动性。
3. 公平销售：解决发行难题
一站式 BRC20 工具不仅促进了一键发布铭文和批量转铭文，而且通过迅速锁定铭文并以低 Gas 完成链上流程的铭文，解决了行业痛点。所有这些努力都旨在为用户提供更公平、更高效的销售体验。
结论
对文本的全面审查表明，由于比特币主网在处理和计算能力方面存在限制，比特币必须将计算移至链下，以促进更繁荣和多样化的生态系统。目前，存在两种主要解决方案：
一方面，链下计算和客户端验证解决方案利用比特币交易中的某些字段存储关键信息，将比特币主网视为分布式日志系统，以确保关键数据的可用性，类似于 Sovereign Rollups。虽然这种方法不需要修改比特币的协议层并提供了更高的可行性，但它无法完全继承比特币的安全性。
另一方面，一些团队正在致力于链上验证，试图使用现有工具在比特币上实现任意计算，并通过零知识证明技术实现高效扩展。然而，这些解决方案仍处于早期阶段，计算成本高，短期内不太可能实施。
在这个背景下，一站式 BRC 工具成为一个值得注意的解决方案。通过提供一种低 Gas 方法迅速获取有效铭文，促进 BRC 资产的公平启动，并通过创新的签名方案解决流动性挑战和公平销售，一站式 BRC 工具在当前生态系统中展示了其价值。尽管比特币生态系统面临技术挑战，但一站式 BRC 工具为用户提供了更灵活、高效的交易体验，为比特币的发展提供了独特的解决方案。
当然，一些人可能会想知道为什么不转向以太坊，因为以太坊和其他区块链与比特币一样具有强大的计算能力。为什么要在比特币上重新实现交易的过程呢？
因为它是比特币。
参考资料：
https://wizardforcel.gitbooks.io/masterbitcoin2cn/content/appdx8.html
https://github.com/OpenAssets/open-assets-protocol/blob/master/specification.mediawiki
本文来自投稿，不代表 Bitbili 观点。
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