HashKey 崔晨:比特幣閃電網路現狀、應用、技術進展及未來發展方向

買賣虛擬貨幣

閃電網路是對比特幣的升級擴充套件,具有提升交易速度,降低手續費和保護使用者隱私等優勢。

原文標題:《比特幣閃電網路的現狀與進展》
撰文:崔晨,就職於 HashKey Capital Research
稽覈:鄒傳偉,萬向區塊鏈首席經濟學家

Layer 2 領域的進展是全行業關注的焦點,以太坊 Layer 2 的上線吸引了大量應用,轉移到 Layer 2 中的資產規模不斷擴大。這是由於身為區塊鏈之外的二層網路在提高網路處理速度上發揮了巨大作用,且在二層網路進行創新和試驗的阻力要小於原鏈。相較之下,最先誕生的 Layer 2——比特幣閃電網路的規模就要小得多。這不代表閃電網路在走下坡路,在最近四個月,閃電網路的通道數和比特幣數量均有 30-40% 的漲幅。本文將分析閃電網路的現狀、應用、技術進展,並對其未來進行展望。

一、閃電網路的現狀

(一)概況

比特幣網路的處理效率限制了其在大規模使用時作為清結算網路,這是由區塊大小和區塊時間決定的,也是網路安全的保障。閃電網路是對比特幣的升級擴充套件,為了不佔用主鏈資源,將使用者資金轉移到鏈下通道中實時結算,交易結束後將最終狀態轉回鏈上清算。無論使用者在通道內進行多少次交易,鏈上的交易只會顯示為開通和關閉通道兩步。因此閃電網路具有提升交易速度,降低手續費和保護使用者隱私等優勢。

閃電網路透過雙方的多籤地址建立通道,每人轉移資金到地址中作為初始資金,每次交易後資金會在通道內分配一次,從地址提走資金意味著通道關閉,雙方共同管理通道內的交易記錄。使用者可以透過中間節點跨通道交易,但在閃電網路中只限通道內的使用者交易,更適合固定交易對手的高頻小額交易場景。

(二)網路資料

閃電網路是非託管的去中心化系統,比特幣中任意兩個使用者之間都可以建立閃電網路通道,通道數量和轉移到網路中的比特幣數量可以側面反映出閃電網路的發展規模。由於閃電網路的隱私設定,公開資料會有所偏差,因為網路存在非公開的私有通道,且整體網路的交易量資料是節點無法感知的。

下圖展示了閃電網路的通道數量,藍色為新加入的通道,代表新使用者加入。橙色為在已有其他通道的兩個節點間建立新通道,數量增加代表通道在向網狀結構發展。可以看出最近閃電網路通道的數量一直在上升,加入閃電網路的新使用者的增長速度更快些。

圖 1:閃電網路中的通道數量(2021 年 9 月 9 日,圖片來源:Bitcoin Visuals

下圖是閃電網路通道內的比特幣數量和總價值,黃色代表比特幣的數量,藍色代表比特幣的價值。最近幾個月比特幣的數量一直上升,共有 2412 枚被轉移到二層網路中。

圖 2:閃電網路中比特幣的數量和價值(2021 年 9 月 9 日,圖片來源:Bitcoin Visuals)

閃電網路規模的擴大由事件驅動,2018 年初、2019 年初和近三個月的增長分別對應了閃電網路上線、推特中的閃電網路火炬傳遞活動和薩爾瓦多政府支援比特幣作為國家法定貨幣這三個事件。而且在短暫上升之後閃電網路會面臨一段停滯時間,因為閃電網路自身應用無法吸引大規模使用者。雖然閃電網路一直正向發展,但轉移到以太坊上中的比特幣數量高達 26 萬枚,超過閃電網路一百多倍,這與使用者更願意參與 DeFi 而不是支付有關,也有閃電網路自身的原因。

二、閃電網路中的應用

(一)應用種類

閃電網路中的應用十分必要,創造使用場景才會吸引更多使用者。閃電網路的通道交易需要節點路由,它們為交易者提供路徑上的便利並收取路由費。節點的收入與網路利用率相關,使用者使用頻率高時,通道內的節點數量也會因收益增多而上升,而且節點數量上升會提升使用者體驗,形成正迴圈,這種關係在其他生態應用中很常見。

拓展閃電網路的應用場景是提高網路價值的方式,也是其發展方向。閃電網路中的應用分佈在支付、遊戲、社交和金融領域,下圖是各類應用的專案分佈,資料參考 Fulgur Ventures

圖 3:閃電網路中的應用分佈

作為比特幣的擴充套件網路,閃電網路最主要的應用類專案為支付,包括為使用者準備的支付工具、整合商戶的應用以及服務商的接收端專案等。現實生活中閃電網路最常見的就是透過閃電網路購買披薩、服裝和遊戲中的服務。使用閃電網路可以即時交易,這種特點也可以在遊戲的結算中發揮作用。使用者使用閃電網路轉賬時可以附贈資訊,從而實現通訊,就像銀行轉賬時可以附上備註,訊息可以同資金一起轉移給收款方。如同資金一樣,資訊可以即時到達並且能夠保障隱私,路徑上的人不知道真實的資訊傳送者和接收者。閃電網路的金融產品(稱為 LiFi),主要集中在交易和解決流動性問題兩方面,但實現方式和目前流行的 DeFi 有很大不同。

除了上文提到的應用,閃電網路的基礎設施也十分重要,例如錢包、交易平臺,使用者可以直接透過手機軟體在熟悉的場景中使用閃電網路。最後,作為外掛連線到網際網路產品也是閃電網路擴充套件應用的方式,例如 twitter 將內建閃電網路支付程式,開啟 twitter 的比特幣打賞功能。

(二)與以太坊 Layer 2 的對比

無論是何種 Layer 2,他們誕生原因都與對主鏈擴充套件有關,能夠提升速度和降低手續費。同時他們也會面臨主鏈相似的問題,也就是追求更快的效率要以去中心化為代價。例如閃電網路如果採用在中心化路由的交易體驗會更好些,以太坊的 Layer 2 如果犧牲部分資料可得性也會節省交易資源。可以觀察到在市場規模較大時,效率更高和去中心化程度更強會有不同的目標群體。這個問題最終還需要透過技術迭代實現,下文會介紹關於閃電網路的技術進展。

無論是熱度還是使用規模,以太坊中的 Layer 2 都要優於比特幣,即便比特幣 Layer 2 概念和推出時間都要更早。這兩者差異源於應用與使用者的關係,本質是因為底層公鏈的定位不同。以太坊的優勢是可以部署智慧合約,實現資產的可程式設計性,二層網路的性質更優於以太坊,因此有更高的創新空間。去中心化借貸、自動做市交易等應用在以太坊中成功執行,使用者會因為這些應用參與以太坊生態,可以將閒置資產轉移到借貸產品中,是現有產品吸引使用者參與應用的模型。

閃電網路中的使用者並不是由其中的支付應用吸引而來的,而是要使用者先有支付需求,才會使用閃電網路,因此擴充套件範圍會遠小於以太坊 Layer 2。以太坊中的應用解決的是大眾需求,而大多數人並不是因為支付才購買比特幣。

三、閃電網路的技術進展

安全、可用性以及提高使用者體驗是閃電網路迭代的方向。閃電網路由多個團隊開發客戶端,在功能上會有些異同但互相相容,下文中提到的技術進展不對客戶端做區分。

(一)安全方面

1、RSMC 和瞭望塔

《比特幣閃電網路進展》(2020 年第 7 期)介紹了閃電網路支付通道的實現方式,可撤銷的序列成熟度合約 RSMC (Revocable Sequence Maturity Contract)是重要的一環,保證資金傳遞在通道中不會被對方操縱。RSMC 規定了通道內的交易規則以及資金撤回主鏈的方式,使用者可以隨時撤回正確的資金。通道內使用者每次交易後,雙方都需要各保留一份對方簽名確認過的交易證明,並將上一步交易使用的私鑰交給對方,之前的證明失效。使用者可以憑藉最新的證明關閉通道,但提現操作會在 100 個區塊後進行,這是為了防止使用者使用已失效的交易證明提現。如果使用者發現提現者作惡,使用對其有利的交易記錄而非最新記錄,使用者就可以在他的提現等待期內構建懲罰證明將提現者的資金取走。

閃電網路中資金安全的威脅來源於提現過程,有人可能使用錯誤的交易記錄提現。資金安全的保證源自使用者可以監控鏈上的錯誤交易進行修改,這需要使用者時刻線上。使用者可以設定瞭望塔,讓瞭望塔代其進行監控,如果鏈上出現了問題,瞭望塔可以代為懲罰。使用者給瞭望塔提供的是雜湊資訊,因此可以保護隱私。

2、Eltoo

Eltoo 機制也可以保證通道內的最新狀態上鍊結算,確保過時交易被廢除,這是一種比 RSMC 更簡潔的狀態更新機制。Eltoo 用較新的通道狀態取代較早的通道狀態,無需懲罰機制就可以實現安全性。透過 Eltoo 協議交易後雙方需要簽名確認,輸出可以用於接下來的交易或者鏈上結算。新交易的構建要花費上一步的輸出,因此上一步的結算交易自動作廢,因為系統不會出現雙花。

圖 4:圓圈代表輸出交易

Eltoo 透過更新交易形成鏈條的方式讓較早的結算交易作廢,使用者可以使用 SIGHASH_NOINPUT 跳過中間的交易,能夠將最新的交易與合約建立的狀態相連,無需儲存整個鏈條。Eltoo 可以與 RSMC 相容且能作為更通用的 Layer 2 方案使用,但目前沒有團隊計劃採用 Eltoo 取代 RSMC。

(二)跨通道路由與隱私方面

1、HTLC 向 PTLC 轉變

閃電網路的通道需要在交易雙方之間搭建,但在所有進行鏈下交易的使用者之間兩兩建立通道是不現實的,而且每次建立通道都需要預存資金,會影響流動性。閃電網路可以由雜湊時間鎖定合約 HTLC (Hashed Time locked Contracts)實現跨通道交易,近期將被替代為點時間鎖定合約 PTLC (Point Time Locked Contracts)。PTLC 去掉了 HTLC 中對雜湊的使用,更保護交易的隱私和安全。

HTLC 透過時間鎖和雜湊鎖的方式實現跨通道交易和原子性交易。首尾相連的兩個通道會涉及三個節點,分別是傳送者和中間節點的通道、中間節點和接收者的通道。對於中間節點來說,這兩個通道相互獨立,分別對應了入站資金和出站資金,不是資金在中間節點處中轉。在建立跨通道交易時,接收者會告訴傳送者原像 R 的雜湊值 H=hash (R)。傳送者將 H 傳送給中間節點並要求中間節點在 T 時刻內傳送正確原像 R 才會進行轉轉賬,而中間節點要求接收者在 t 時刻內傳送原像 R 才會轉賬,其中 t<T。只有滿足時間鎖和雜湊鎖要求,整個交易才會成立,也就是在 t 時刻內接收者將原像傳送給中間節點。如果交易失敗,不會給任何人造成損失,實現了原子交易。

圖 5:透過 HTLC 支付

如果交易需要透過多個節點和通道,原理同上只是增加了中間節點的數量。HTLC 的問題源自鏈條上所有節點都需知道原像 R 的雜湊值 H,那麼節點就能夠判斷出自己同屬於一條路徑。其中的兩個中間節點就可以繞過其他節點傳輸原像 R,這樣他們就可以獲得其他節點應得的手續費收益,也會造成其他節點的資金鎖定和停滯,稱為蟲洞攻擊。

PTLC 技術的思路和 HTLC 類似,以標量和支付點取代了原像與雜湊值的設定,之後的節點都要求不同的隨機數,因此難以識別具體路徑上的節點。HTLC 中的接收者生成原像 R 的雜湊值並將其交給傳送者,PTLC 則採用類似於的公私鑰方式。私鑰 a 可以透過單向函式的方式轉換為公鑰為 A=aG,其中 G 為橢圓曲線上的點。透過 PTLC 跨通道的具體過程如下:接收者將 zG 告訴傳送者,傳送者生成兩個隨機數 x、y 告訴接收者。PTLC 保留了時間鎖的設定,傳送者告訴中間節點 y 與(x+z+y)G 的值,並要求中間節點在 T 時刻內傳送(x+z)G 的原像(x+z)。中間節點會要求接收者在 t 時刻內傳送(x+z+y)。能夠成功完成交易需要中間節點計算出 x+z 的值,以及傳送者計算出 z 的值。

圖 6:透過 PTLC 支付

要在全網中實現 PTLC 需要足夠多的節點支援,且最好支援相同的 PTLC 協議,因此 PTLC 還未正式上線。

2、路由

閃電網路使用洋蔥路由和源路由達成交易,其中洋蔥路由可以保護使用者隱私,保證在交易路徑中無法得知交易的發起和接收方,只知道和自己連線的前後節點,也無法推出整個路徑。跨節點交易的中間節點會收取一定手續費,這取決於鏈上的收費以及使用者轉賬的資金量。源路由是源節點計算整條支付路徑的方式,為此源節點需要下載完整的公開支付通道列表,並進行大量的資料計算,對路由的改善可以幫助使用者快速達成交易。

PBMC (基於概率的任務控制)可以輔助進行路由,透過多次交易瞭解每個節點設定路由成功的概率,以此熟知整個網路。蹦床支付是為了減少這種模式中使用者所支付的計算資源。交易交給蹦床節點後,節點可以自動找到路徑進行交易。雖然這種方式提高了效率,但這種情況下蹦床節點就知道了最終收款人的地址。為了防止隱私洩露,可以透過多個蹦床支付達成交易,讓節點不確定真實的最終接收方。中心化 Hub 的形式也會大大提高路由成功的概率,但這種情況會讓網路更中心化,有可能出現單點故障。

(三)流動性方面

1、Loop

實際生活中閃電網路通道內的資金並不是雙向流動的,例如作為消費者,在閃電網路通道內常常作為轉出方,而商家會一直收入資金,長此以往轉出方會面臨流動性枯竭,這時只能關閉通道。Loop 是對潛艇交換的應用,用於在不關閉通道的情況下,實現通道內使用者與主鏈上的交易。Loop 的目的是調整通道內的資金平衡,可以讓資金在主鏈和通道內單方向流動,減少開關通道的操作和花費。

Loop 分為 Loop In 和 Loop Out。Loop In 服務可以幫助使用者給閃電網路錢包充值,從鏈上轉移資金過去 .Loop Out 針對收款的商人和服務提供商,可以將資金直接傳輸給鏈上的目的地,例如交易平臺或冷錢包地址。Loop 能夠迴圈使用通道,充值和提現都是要收費的,費用在 0.05%-1% 不等。

2、多路徑支付

在進行交易時,尤其是透過多通道交易,每條通道內都需要存有足夠的資金否則會交易失敗,交易的數額越大失敗的可能性也越高。因此可以透過多路徑支付的方式來解決,可以將一筆交易拆成多筆更小額的交易支付給接收方。實現多路徑支付的方式可以透過原子多路徑支付和簡單多路徑支付。原子多路徑支付的含義是僅當所有小額支付均成功時,交易對手才會收到完整的付款;如果某些小額付款失敗,那麼整個交易就會失敗,資金將退回付款方。簡單多路徑支付則沒有這個特點,在支付時所有分割的交易使用同一雜湊和原像,這方式對協議的更改較少,因此先於原子多路徑交易實現。

3、閃電池

閃電池用於給閃電網路增加流動性,允許節點運營商之間買賣流動性。需要流動性的一方要支付給擁有資金的一方,讓後者向前者的通道注入流動性,同時後者擁有對資金的控制權。這是一個非託管的點對點模式,閃電池會根據預期支付和預期收入撮合流動性需求方和提供者,這種形式與 DeFi 的點對點非託管的方式有些類似,因此閃電池被視為閃電網路中的金融產品。閃電池透過開通多籤通道的方式實現,這個通道和普通閃電網路通道的使用方式相同,但要求至少開放 2016 個區塊,這期間售出流動性的一方不能關閉通道。

四、閃電網路的未來發展預測

閃電網路在擴大使用規模上會受到內外兩方面影響,第一是閃電網路作為比特幣的補充,主要應用於支付場景。但比特幣自身的波動性讓其很難作為支付工具使用,現實中幾乎沒有以比特幣定價的商品。第二是閃電網路自身問題影響了其安全和可用性。可用性的問題來源於無法交易,主要是通道內沒有足夠的資金儲備或者路由失敗時。除了改善這些問題外,擴大應用範圍也是下一步發展方向。

在閃電網路支付方面,薩爾瓦多已經邁出了重要一步,政府將比特幣規定為國家法定貨幣。如果具備接收條件,拒絕使用比特幣交易的薩爾瓦多企業將面臨懲罰。薩爾瓦多居民使用閃電網路的頻率增多,也可以從閃電網路的規模資料側面印證。閃電網路可以完善基礎設施,例如商戶在收款的同時兌換為法幣或者穩定幣。閃電網路的技術一直在迭代,未來的技術發展重點在保護資金安全、使用者隱私和增加比特幣利用率等方面。

閃電網路更需要發展吸引使用者的應用。除了支付外,閃電網路適合實時通訊應用,將資訊以加密的方式傳送過去,既保護了資訊傳遞路徑,又保護資訊內容。但閃電網路的金融應用 LiFi 很難擴大影響力,這是因為閃電網路的可程式設計性較差,應用多與增加生態流動性有關。以閃電網路為主的交易應用是以閃電網路作為互動工具,或者使用閃電網路中的資金作為保證金等,無法引入新的加密資產。

五、思考與總結

雖然關於比特幣的爭議眾多,但從來沒人否認比特幣作為點對點轉賬的作用,而效率一直都是制約比特幣發展的重要因素,因此誕生了閃電網路。閃電網路將資金轉移到多籤地址中,線上下進行交易來減少使用鏈上資源。閃電網路一直在進行技術迭代,例如 Eltoo 和 PTLC 對 RSMC 和 HTLC 的改善,以及 Loop、閃電池等應用來增加通道流動性。薩爾瓦多采用比特幣作為法幣將帶來大量的閃電網路使用場景。

由於比特幣和以太坊定位的不同,兩者的二層網路發展方向和格局也不盡相同。根據其他公鏈上二層網路的經驗,閃電網路未來會向兩個方向發展:第一是提高可用性和使用者體驗;第二是進行更多可程式設計的試驗,增加應用範圍和場景。

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