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闪电网络是对比特币的升级扩展，具有提升交易速度，降低手续费和保护用户隐私等优势。
原文标题：《比特币闪电网络的现状与进展》
撰文：崔晨，就职于 HashKey Capital Research
审核：邹传伟，万向区块链首席经济学家
Layer 2 领域的进展是全行业关注的焦点，以太坊 Layer 2 的上线吸引了大量应用，转移到 Layer 2 中的资产规模不断扩大。这是由于身为区块链之外的二层网络在提高网络处理速度上发挥了巨大作用，且在二层网络进行创新和试验的阻力要小于原链。相较之下，最先诞生的 Layer 2——比特币闪电网络的规模就要小得多。这不代表闪电网络在走下坡路，在最近四个月，闪电网络的通道数和比特币数量均有 30-40% 的涨幅。本文将分析闪电网络的现状、应用、技术进展，并对其未来进行展望。
一、闪电网络的现状
（一）概况
比特币网络的处理效率限制了其在大规模使用时作为清结算网络，这是由区块大小和区块时间决定的，也是网络安全的保障。闪电网络是对比特币的升级扩展，为了不占用主链资源，将用户资金转移到链下通道中实时结算，交易结束后将最终状态转回链上清算。无论用户在通道内进行多少次交易，链上的交易只会显示为开通和关闭通道两步。因此闪电网络具有提升交易速度，降低手续费和保护用户隐私等优势。
闪电网络通过双方的多签地址建立通道，每人转移资金到地址中作为初始资金，每次交易后资金会在通道内分配一次，从地址提走资金意味着通道关闭，双方共同管理通道内的交易记录。用户可以通过中间节点跨通道交易，但在闪电网路中只限通道内的用户交易，更适合固定交易对手的高频小额交易场景。
（二）网络数据
闪电网络是非托管的去中心化系统，比特币中任意两个用户之间都可以建立闪电网络通道，通道数量和转移到网络中的比特币数量可以侧面反映出闪电网络的发展规模。由于闪电网络的隐私设置，公开数据会有所偏差，因为网络存在非公开的私有通道，且整体网络的交易量数据是节点无法感知的。
下图展示了闪电网络的通道数量，蓝色为新加入的通道，代表新用户加入。橙色为在已有其他通道的两个节点间建立新通道，数量增加代表通道在向网状结构发展。可以看出最近闪电网络通道的数量一直在上升，加入闪电网络的新用户的增长速度更快些。
下图是闪电网络通道内的比特币数量和总价值，黄色代表比特币的数量，蓝色代表比特币的价值。最近几个月比特币的数量一直上升，共有 2412 枚被转移到二层网络中。
闪电网络规模的扩大由事件驱动，2018 年初、2019 年初和近三个月的增长分别对应了闪电网络上线、推特中的闪电网络火炬传递活动和萨尔瓦多政府支持比特币作为国家法定货币这三个事件。而且在短暂上升之后闪电网络会面临一段停滞时间，因为闪电网络自身应用无法吸引大规模用户。虽然闪电网络一直正向发展，但转移到以太坊上中的比特币数量高达 26 万枚，超过闪电网络一百多倍，这与用户更愿意参与 DeFi 而不是支付有关，也有闪电网络自身的原因。
二、闪电网络中的应用
（一）应用种类
闪电网络中的应用十分必要，创造使用场景才会吸引更多用户。闪电网络的通道交易需要节点路由，它们为交易者提供路径上的便利并收取路由费。节点的收入与网络利用率相关，用户使用频率高时，通道内的节点数量也会因收益增多而上升，而且节点数量上升会提升用户体验，形成正循环，这种关系在其他生态应用中很常见。
拓展闪电网络的应用场景是提高网络价值的方式，也是其发展方向。闪电网络中的应用分布在支付、游戏、社交和金融领域，下图是各类应用的项目分布，数据参考 Fulgur Ventures。
作为比特币的扩展网络，闪电网络最主要的应用类项目为支付，包括为用户准备的支付工具、集成商户的应用以及服务商的接收端项目等。现实生活中闪电网络最常见的就是通过闪电网络购买披萨、服装和游戏中的服务。使用闪电网络可以即时交易，这种特点也可以在游戏的结算中发挥作用。用户使用闪电网络转账时可以附赠信息，从而实现通信，就像银行转账时可以附上备注，消息可以同资金一起转移给收款方。如同资金一样，信息可以即时到达并且能够保障隐私，路径上的人不知道真实的信息发送者和接收者。闪电网络的金融产品（称为 LiFi），主要集中在交易和解决流动性问题两方面，但实现方式和目前流行的 DeFi 有很大不同。
除了上文提到的应用，闪电网络的基础设施也十分重要，例如钱包、交易平台，用户可以直接通过手机软件在熟悉的场景中使用闪电网络。最后，作为插件连接到互联网产品也是闪电网络扩展应用的方式，例如 twitter 将内置闪电网络支付程序，开启 twitter 的比特币打赏功能。
（二）与以太坊 Layer 2 的对比
无论是何种 Layer 2，他们诞生原因都与对主链扩展有关，能够提升速度和降低手续费。同时他们也会面临主链相似的问题，也就是追求更快的效率要以去中心化为代价。例如闪电网络如果采用在中心化路由的交易体验会更好些，以太坊的 Layer 2 如果牺牲部分数据可得性也会节省交易资源。可以观察到在市场规模较大时，效率更高和去中心化程度更强会有不同的目标群体。这个问题最终还需要通过技术迭代实现，下文会介绍关于闪电网络的技术进展。
无论是热度还是使用规模，以太坊中的 Layer 2 都要优于比特币，即便比特币 Layer 2 概念和推出时间都要更早。这两者差异源于应用与用户的关系，本质是因为底层公链的定位不同。以太坊的优势是可以部署智能合约，实现资产的可编程性，二层网络的性质更优于以太坊，因此有更高的创新空间。去中心化借贷、自动做市交易等应用在以太坊中成功运行，用户会因为这些应用参与以太坊生态，可以将闲置资产转移到借贷产品中，是现有产品吸引用户参与应用的模型。
闪电网络中的用户并不是由其中的支付应用吸引而来的，而是要用户先有支付需求，才会使用闪电网络，因此扩展范围会远小于以太坊 Layer 2。以太坊中的应用解决的是大众需求，而大多数人并不是因为支付才购买比特币。
三、闪电网络的技术进展
安全、可用性以及提高用户体验是闪电网络迭代的方向。闪电网络由多个团队开发客户端，在功能上会有些异同但互相兼容，下文中提到的技术进展不对客户端做区分。
（一）安全方面
1、RSMC 和瞭望塔
《比特币闪电网络进展》（2020 年第 7 期）介绍了闪电网络支付通道的实现方式，可撤销的序列成熟度合约 RSMC （Revocable Sequence Maturity Contract）是重要的一环，保证资金传递在通道中不会被对方操纵。RSMC 规定了通道内的交易规则以及资金撤回主链的方式，用户可以随时撤回正确的资金。通道内用户每次交易后，双方都需要各保留一份对方签名确认过的交易证明，并将上一步交易使用的私钥交给对方，之前的证明失效。用户可以凭借最新的证明关闭通道，但提现操作会在 100 个区块后进行，这是为了防止用户使用已失效的交易证明提现。如果用户发现提现者作恶，使用对其有利的交易记录而非最新记录，用户就可以在他的提现等待期内构建惩罚证明将提现者的资金取走。
闪电网络中资金安全的威胁来源于提现过程，有人可能使用错误的交易记录提现。资金安全的保证源自用户可以监控链上的错误交易进行修改，这需要用户时刻在线。用户可以设置瞭望塔，让瞭望塔代其进行监控，如果链上出现了问题，瞭望塔可以代为惩罚。用户给瞭望塔提供的是哈希信息，因此可以保护隐私。
2、Eltoo
Eltoo 机制也可以保证通道内的最新状态上链结算，确保过时交易被废除，这是一种比 RSMC 更简洁的状态更新机制。Eltoo 用较新的通道状态取代较早的通道状态，无需惩罚机制就可以实现安全性。通过 Eltoo 协议交易后双方需要签名确认，输出可以用于接下来的交易或者链上结算。新交易的构建要花费上一步的输出，因此上一步的结算交易自动作废，因为系统不会出现双花。
Eltoo 通过更新交易形成链条的方式让较早的结算交易作废，用户可以使用 SIGHASH_NOINPUT 跳过中间的交易，能够将最新的交易与合约创建的状态相连，无需保存整个链条。Eltoo 可以与 RSMC 兼容且能作为更通用的 Layer 2 方案使用，但目前没有团队计划采用 Eltoo 取代 RSMC。
（二）跨通道路由与隐私方面
1、HTLC 向 PTLC 转变
闪电网络的通道需要在交易双方之间搭建，但在所有进行链下交易的用户之间两两建立通道是不现实的，而且每次建立通道都需要预存资金，会影响流动性。闪电网络可以由哈希时间锁定合约 HTLC （Hashed Time locked Contracts）实现跨通道交易，近期将被替代为点时间锁定合约 PTLC （Point Time Locked Contracts）。PTLC 去掉了 HTLC 中对哈希的使用，更保护交易的隐私和安全。
HTLC 通过时间锁和哈希锁的方式实现跨通道交易和原子性交易。首尾相连的两个通道会涉及三个节点，分别是发送者和中间节点的通道、中间节点和接收者的通道。对于中间节点来说，这两个通道相互独立，分别对应了入站资金和出站资金，不是资金在中间节点处中转。在建立跨通道交易时，接收者会告诉发送者原像 R 的哈希值 H=hash （R）。发送者将 H 发送给中间节点并要求中间节点在 T 时刻内发送正确原像 R 才会进行转转账，而中间节点要求接收者在 t 时刻内发送原像 R 才会转账，其中 t<T。只有满足时间锁和哈希锁要求，整个交易才会成立，也就是在 t 时刻内接收者将原像发送给中间节点。如果交易失败，不会给任何人造成损失，实现了原子交易。
如果交易需要通过多个节点和通道，原理同上只是增加了中间节点的数量。HTLC 的问题源自链条上所有节点都需知道原像 R 的哈希值 H，那么节点就能够判断出自己同属于一条路径。其中的两个中间节点就可以绕过其他节点传输原像 R，这样他们就可以获得其他节点应得的手续费收益，也会造成其他节点的资金锁定和停滞，称为虫洞攻击。
PTLC 技术的思路和 HTLC 类似，以标量和支付点取代了原像与哈希值的设置，之后的节点都要求不同的随机数，因此难以识别具体路径上的节点。HTLC 中的接收者生成原像 R 的哈希值并将其交给发送者，PTLC 则采用类似于的公私钥方式。私钥 a 可以通过单向函数的方式转换为公钥为 A=a G，其中 G 为椭圆曲线上的点。通过 PTLC 跨通道的具体过程如下：接收者将 z G 告诉发送者，发送者生成两个随机数 x、y 告诉接收者。PTLC 保留了时间锁的设定，发送者告诉中间节点 y 与（x+z+y） G 的值，并要求中间节点在 T 时刻内发送（x+z） G 的原像（x+z）。中间节点会要求接收者在 t 时刻内发送（x+z+y）。能够成功完成交易需要中间节点计算出 x+z 的值，以及发送者计算出 z 的值。
要在全网中实现 PTLC 需要足够多的节点支持，且最好支持相同的 PTLC 协议，因此 PTLC 还未正式上线。
2、路由
闪电网络使用洋葱路由和源路由达成交易，其中洋葱路由可以保护用户隐私，保证在交易路径中无法得知交易的发起和接收方，只知道和自己连接的前后节点，也无法推出整个路径。跨节点交易的中间节点会收取一定手续费，这取决于链上的收费以及用户转账的资金量。源路由是源节点计算整条支付路径的方式，为此源节点需要下载完整的公开支付通道列表，并进行大量的数据计算，对路由的改善可以帮助用户快速达成交易。
PBMC （基于概率的任务控制）可以辅助进行路由，通过多次交易了解每个节点设置路由成功的概率，以此熟知整个网络。蹦床支付是为了减少这种模式中用户所支付的计算资源。交易交给蹦床节点后，节点可以自动找到路径进行交易。虽然这种方式提高了效率，但这种情况下蹦床节点就知道了最终收款人的地址。为了防止隐私泄露，可以通过多个蹦床支付达成交易，让节点不确定真实的最终接收方。中心化 Hub 的形式也会大大提高路由成功的概率，但这种情况会让网络更中心化，有可能出现单点故障。
（三）流动性方面
1、Loop
实际生活中闪电网络通道内的资金并不是双向流动的，例如作为消费者，在闪电网络通道内常常作为转出方，而商家会一直收入资金，长此以往转出方会面临流动性枯竭，这时只能关闭通道。Loop 是对潜艇交换的应用，用于在不关闭通道的情况下，实现通道内用户与主链上的交易。Loop 的目的是调整通道内的资金平衡，可以让资金在主链和通道内单方向流动，减少开关通道的操作和花费。
Loop 分为 Loop In 和 Loop Out。Loop In 服务可以帮助用户给闪电网络钱包充值，从链上转移资金过去 .Loop Out 针对收款的商人和服务提供商，可以将资金直接传输给链上的目的地，例如交易平台或冷钱包地址。Loop 能够循环使用通道，充值和提现都是要收费的，费用在 0.05%-1% 不等。
2、多路径支付
在进行交易时，尤其是通过多通道交易，每条通道内都需要存有足够的资金否则会交易失败，交易的数额越大失败的可能性也越高。因此可以通过多路径支付的方式来解决，可以将一笔交易拆成多笔更小额的交易支付给接收方。实现多路径支付的方式可以通过原子多路径支付和简单多路径支付。原子多路径支付的含义是仅当所有小额支付均成功时，交易对手才会收到完整的付款；如果某些小额付款失败，那么整个交易就会失败，资金将退回付款方。简单多路径支付则没有这个特点，在支付时所有分割的交易使用同一哈希和原像，这方式对协议的更改较少，因此先于原子多路径交易实现。
3、闪电池
闪电池用于给闪电网络增加流动性，允许节点运营商之间买卖流动性。需要流动性的一方要支付给拥有资金的一方，让后者向前者的通道注入流动性，同时后者拥有对资金的控制权。这是一个非托管的点对点模式，闪电池会根据预期支付和预期收入撮合流动性需求方和提供者，这种形式与 DeFi 的点对点非托管的方式有些类似，因此闪电池被视为闪电网络中的金融产品。闪电池通过开通多签通道的方式实现，这个通道和普通闪电网络通道的使用方式相同，但要求至少开放 2016 个区块，这期间售出流动性的一方不能关闭通道。
四、闪电网络的未来发展预测
闪电网络在扩大使用规模上会受到内外两方面影响，第一是闪电网络作为比特币的补充，主要应用于支付场景。但比特币自身的波动性让其很难作为支付工具使用，现实中几乎没有以比特币定价的商品。第二是闪电网络自身问题影响了其安全和可用性。可用性的问题来源于无法交易，主要是通道内没有足够的资金储备或者路由失败时。除了改善这些问题外，扩大应用范围也是下一步发展方向。
在闪电网络支付方面，萨尔瓦多已经迈出了重要一步，政府将比特币规定为国家法定货币。如果具备接收条件，拒绝使用比特币交易的萨尔瓦多企业将面临惩罚。萨尔瓦多居民使用闪电网络的频率增多，也可以从闪电网络的规模数据侧面印证。闪电网络可以完善基础设施，例如商户在收款的同时兑换为法币或者稳定币。闪电网络的技术一直在迭代，未来的技术发展重点在保护资金安全、用户隐私和增加比特币利用率等方面。
闪电网络更需要发展吸引用户的应用。除了支付外，闪电网络适合实时通信应用，将信息以加密的方式发送过去，既保护了信息传递路径，又保护信息内容。但闪电网络的金融应用 LiFi 很难扩大影响力，这是因为闪电网络的可编程性较差，应用多与增加生态流动性有关。以闪电网络为主的交易应用是以闪电网络作为交互工具，或者使用闪电网络中的资金作为保证金等，无法引入新的加密资产。
五、思考与总结
虽然关于比特币的争议众多，但从来没人否认比特币作为点对点转账的作用，而效率一直都是制约比特币发展的重要因素，因此诞生了闪电网络。闪电网络将资金转移到多签地址中，在线下进行交易来减少使用链上资源。闪电网络一直在进行技术迭代，例如 Eltoo 和 PTLC 对 RSMC 和 HTLC 的改善，以及 Loop、闪电池等应用来增加通道流动性。萨尔瓦多采用比特币作为法币将带来大量的闪电网络使用场景。
由于比特币和以太坊定位的不同，两者的二层网络发展方向和格局也不尽相同。根据其他公链上二层网络的经验，闪电网络未来会向两个方向发展：第一是提高可用性和用户体验；第二是进行更多可编程的试验，增加应用范围和场景。
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