作为 BTC L2 调研系列的文章，本文将聚焦于 Stacks 协议，这是一个旨在扩展比特币功能的创新协议。
您可以访问 Stacks: An Exploration of Bitcoin’s Layer 2 Smart Contract Infrastructure 获取英文版内容。
Stacks
概览
Stacks 协议作为比特币的二层解决方案，在不改变比特币核心协议的前提下，利用比特币的安全性与脚本功能，为比特币网络引入了智能合约和去中心化应用（DApps）。其核心目标是挖掘比特币作为可编程基础层的潜力，并扩大其在数字货币之外的应用范围。
Stacks 自 2021 年初发布以来，一直在持续发展之中，并且计划进行包括 Nakamoto Release 在内的重大更新。随着时间的推移，该协议不断深化与比特币的融合，并扩展其功能范围。
协议速览
Stacks 协议的设计理念是在不改变比特币核心协议的基础上，通过引入智能合约和去中心化应用（DApps），显著扩展比特币的实用性。实现此目标的关键技术是转移证明（Proof of Transfer, PoX）共识机制，该机制将 Stacks 区块链与比特币区块链紧密相连。
PoX 的创新之处在于，它利用比特币转移这一行为来支持共识的运行和智能合约的执行，从而奖励网络参与者。PoX 不仅增强了网络的安全性，还对齐了比特币和 Stacks 之间的激励机制。
每个 Stacks 区块都与一个比特币交易紧密相连，并在比特币区块链上得到记录。这种设计确保了 Stacks 区块链上的所有操作都能够继承比特币工作量证明（Proof of Work, PoW）共识机制所提供的安全性。此外，Stacks 还整合了一种机制，允许 Stacks（STX）代币的持有者通过锁定其代币参与网络治理，而 Stacks 区块链上的矿工则通过将比特币转移给 STX 代币的锁定者来竞争区块的发布权。
Stacks 与其他比特币扩展解决方案的主要区别体现在以下几个方面：
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Clarity 智能合约语言：Stacks 引入了 Clarity，这是一种可判定的、非图灵完备的智能合约语言。Clarity 的可判定性是一个关键特性，它确保了合约在执行过程中不会耗尽资源，并且在执行前可以进行彻底的静态分析。这对于需要确保应用程序行为一致性的开发者和企业来说至关重要。Clarity 旨在避免智能合约编程中的常见陷阱，如重入攻击和不可预测的燃气费用，这些问题在其他区块链生态系统中非常普遍。
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直接奖励模型：通过 PoX 机制，Stacks 使用转移的资产直接奖励参与者，从而在 Stacks 的运作和比特币的安全模型之间建立了直接的经济联系。相比之下，其他方案通常引入新的代币作为奖励。
Stacks 还带来了几项技术创新：
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转移证明（PoX）：PoX 通过转移 BTC 来支持 Stacks 上的网络共识和智能合约执行，旨在回收比特币工作量证明所消耗的能源和经济成本。这种方法不仅保护了网络，而且实现了比特币和 Stacks 之间的激励机制的一致性。
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比特币安全性的集成：Stacks 上的所有操作都锚定在比特币区块链上，这意味着任何修改 Stacks 区块链状态的操作（如交易或智能合约执行）最终都将在比特币区块链上得到确认。
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微块和锚块：Stacks 采用了一种新颖的区块生成机制，包括微块和锚块。微块允许近乎即时的交易处理，通过快速反馈机制增强了用户体验。锚块则定期生成，包含对所有先前微块的哈希引用，将它们永久地锚定在由比特币区块链保护的历史中。
信任与安全
Stacks 架构的设计要求用户对几个关键组成部分持有信任：
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转移证明（PoX）共识：作为 Stacks 与比特币连接的基石，PoX 依赖于用户对于激励机制的信任，以及对于比特币转移能够安全且准确地支持网络功能的信任。
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Clarity 智能合约：鉴于合约的执行严格遵循编写的代码，并且代码在区块链上是可见的，用户必须信任他们所交互的代码的清晰度和正确性。
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共识参与者：尽管 Stacks 借助比特币的安全性，它也依赖于自身的矿工网络和 Stacking 参与者——那些通过锁定 STX 代币来支持网络共识并赚取奖励的个体。与以太坊的第二层解决方案不同，从 Stacks 提取 BTC 需要锚定签名者的签名。为了满足 sBTC 提款请求，Stackers 需发送比特币交易，将请求的 BTC 金额支付到指定的提款地址。这表明网络的安全性在一定程度上依赖于参与者的诚信。
其他信息
虚拟机
Stacks 采用 Clarity 虚拟机来执行智能合约。Clarity 设计为非图灵完备，这确保了所有程序在运行前其结果都是可预测的，从而增强了安全性。虽然这种设计牺牲了一定的灵活性，但它提供了更高的安全性。
可扩展性
Stacks 在处理每秒原始交易数量方面，并不与 Solana 或 Ethereum 等高吞吐量区块链相竞争。然而， Stacks 专注于通过利用比特币的安全性，以一种不会过载系统的方式扩展智能合约的执行。Stacks 的微块技术允许在比特币区块时间的限制内实现快速交易处理。
进一步地，Stacks 计划在 Nakamoto Release 中引入 Fast Blocks，以实现比比特币更快的交易处理速度。此前，Stacks 区块与比特币区块之间存在 1:1 的锚定关系，这导致区块和交易处理速度较慢，一直是 Stacks 用户和开发者面临的一大挑战。Nakamoto Release 将解除 Stacks 区块生产与比特币区块生产的绑定，显著提升区块生成速度。更新后，新的 Stacks 区块预计将每 5 秒钟产生一个。
总锁定价值（TVL）
在 Stacks 生态系统中，总锁定价值（TVL）反映了用于智能合约和应用的比特币的数量。根据 Defi Llama 的数据，Stacks 的 TVL 约为 2.55 亿美元，这代表了参与 Stacks 网络的资产的总价值。
优点与缺点
优点：
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增强比特币的功能性：Stacks 通过使比特币网络可编程，扩展了其应用范围，超越了单纯的价值存储功能，同时保持了比特币的核心优势。
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创新的智能合约语言：Stacks 引入了 Clarity 语言，旨在降低智能合约开发中常见的风险，提高安全性。
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经济激励的一致性：通过 PoX 机制，Stacks 实现了比特币持有者和 Stacks 用户之间的经济激励一致性，促进了生态系统内的独特协同效应。
缺点：
- 有限的吞吐量：Stacks 的架构依赖于比特币的区块时间和结构，这导致其在交易处理能力上存在一定的局限性，尤其是与为实现更高性能而设计的其他区块链相比。
协议细节
对于渴望深入了解 Stacks 协议的读者，本节将深入探讨其技术核心和创新的架构设计。我们将主要讨论 Stacks 的转移证明（Proof of Transfer, PoX）共识机制、Clarity 智能合约语言，以及 Stacks 如何与比特币区块链协同工作。
与比特币的集成
Stacks 的关键设计之一是通过 Clarity 语言与比特币进行交互，这为比特币网络赋予了智能合约处理能力。这种设计不仅利用了比特币的固有安全优势，还支持了去中心化应用所需的复杂操作。
从比特币区块链读取数据
Clarity 语言能够通过 get-burn-block-info? 函数直接访问比特币区块链的状态。该函数用于获取比特币的指定区块头哈希，使 Clarity 合约能够利用 burn-block-height 关键字动态响应比特币网络上的事件，并确定当前比特币区块的高度。需要注意的是，此函数只能提取在 Stacks 链启动之后得到确认的比特币区块数据，这导致 Clarity 对比特币事件的响应存在轻微延迟。
向比特币区块链写入数据
向比特币区块链写入数据的过程在 Stacks 中更为复杂。目前，Stacks 采用一种分层的方法，其中 Stacks 上的操作由 PoX 机制驱动，并在比特币区块链上执行写入操作。
Clarity 智能合约语言
Stacks 的智能合约编程语言 Clarity 是一种可判定的、非图灵完备的语言。这种设计使得开发者能够在将程序部署到区块链之前，准确预知其行为。Clarity 采用解释执行而非编译执行的方式，这意味着代码将严格按照原意执行，无需任何中间字节码，从而降低了编译器缺陷可能引起的安全风险。
主要特性：
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可预测性：Clarity 确保每个合约的执行结果在执行前都是已知的，这对于区块链上的金融服务和其他高风险应用至关重要。
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无需燃气估算：与以太坊的燃气模型不同，Clarity 要求在执行前就确定交易的成本，从而消除了执行过程中出现燃气不足错误的风险。
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直接访问比特币状态：Clarity 合约可以直接查询比特币区块链的状态，允许合约基于比特币交易触发行动，这对于需要跨链交互的应用程序至关重要。
安全性考量： 在设计 Clarity 时，安全性是首要考虑的因素。它包含了解决其他智能合约语言中常见漏洞的特性，例如，其语言结构本身防止了以太坊合约中常见的重入攻击。
Nakamoto Release
Nakamoto Release 是 Stacks 网络计划中的一次重大升级，预计将以硬分叉的形式引入一系列关键改进。
当前设计与挑战
目前的 Stacks 设计，遵循 SIP-001、SIP-007 和 SIP-015 规范，主要依赖于随机选择过程来选拔矿工。这将区块生成速率与比特币较慢的区块时间相绑定，导致了交易确认的高延迟和其他效率问题，例如微块效率不高，以及低成本即可使 Stacks 链重组的风险。
解决办法：
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Fast Blocks：Nakamoto Release 旨在显著减少交易确认时间，允许矿工在比特币区块间隔内产生多个区块，从而将确认时间从分钟缩短到秒。
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健壮的链重组机制：引入一种机制，要求显著多数票才能产生分叉，并将重组与比特币区块链相绑定，旨在显著增强 Stacks 网络的安全性和稳定性。
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抵抗 MEV 和公平竞争：对随机选择过程的改进旨在减少比特币矿工或 Stacks 矿工可能利用的优势，这些优势可能会影响网络的公平性和安全性。
Nakamoto Release 的设计目标是解决 Stacks 网络在可扩展性和安全性方面的挑战，同时加强与比特币的集成。作为在比特币上直接启用智能合约和应用的先驱，Stacks 希望通过实施这些改进提升其操作效率，并巩固其地位。
参考资料：
- Stacks 白皮书：https://docs.stacks.co/stacks-101/whitepapers
- Stacks 官方文档和开发者指南：https://docs.stacks.co/