解读比特币 Layer 2 扩容方案的前世今生：闪电网路为何是重要的一步？

链茶馆阅读 2244 2023-8-10 09:19

币安（Binance）于 6 月 20 日在官方 Twitter 发文透露，已经有许多网友发现币安现已完成比特币闪电网路（Lightning Network）节点建置。且就在币安宣布已完成比特币闪点网路节点部署后，币安执行长赵长鹏也对此回应相关建设正在进行中。

将时间拉回前几个月，可推测币安会涉足比特币闪电网路其实跟 5 月初 BRC-20 热潮导致比特币网路塞爆、交易手续费暴涨有关系，且同月 7、8 日还二度暂停比特币出金。

上一篇研究报告（BRC-20 能否让比特币生态走向新的繁荣？比特币 NFT有什么用？什么又是 BRC-30？）我们提到了 BRC-20 的许多概念，结尾也提到下一篇将会围绕在闪电网络。首先我会先说明两者之间有什么关系？再介绍比特币扩容方案，最后则是以闪电网路（Lightning Network）为主轴，进行深度的研究探讨。

先前比特币生态 NFT、BRC-20 等应用陆续火热起来进而导致比特币网络越来越堵塞，以技术上来看，倘若在闪电网络上支持 BRC-20 的流通，将有助于实现更快、更高效的交易，并为 BRC-20 释放新的可能性。不过这也成币安建置比特币闪电网路关键。根据区块链数据平台 Glassnode 显示，闪电网路交易的平均费用为 0.00013 美元，若直接使用比特币网路进行交易，而比特币网路平均交易费用约为 18.9 美元，两者价差巨大。

可见该效益，让币安开始整合比特币闪电网路，以实现存款和提款功能。不过，币安也强调，在完成闪电网路整合之前，还有一些技术工作需要完成，并承诺会持续向大家更新最新消息。

接下来我们就来细细拆解比特币扩容方案以及闪电网络这门技术知识。

区块链挑战

首先得从区块链的挑战开始说起，在区块链上转移比特币是一个缓慢、昂贵和低效的过程。因为比特币区块链在一定时间内只能处理一定数量的交易（和数据）。如果比特币要与其他区块链的竞争中保持竞争力，就必须有创新措施来增加网络的实用性。

我们必须先区分两个关键概念：“比特币作为资产（BTC）”以及“比特币作为区块链”。比特币作为一种资产在过去几年中得到了广泛的采用，在数字资产的今日与未来都有着巨大的潜力。但是，要使 BTC 实现大规模应用，它必须具有无缝的交易环境（也就是比特币区块链）。比特币的区块链高度安全、去中心化和稳定，但比特币却有一个明显的缺陷：它对于处理大量交易数据的能力有限。要确认比特币区块链上的交易，它们必须通过工作量证明（PoW）共识获得批准。一旦一定数量的矿工验证了交易，它才能达到区块链最终结算的状态再生成新区块的系统。

而目前有几个关键因素限制了比特币区块链：第一，区块大小，一个比特币区块只能容纳 1 兆字节 (MB) 的数据 ; 第二，区块时间，大约每 10 分钟产生一个新的比特币区块 ; 第三，吞吐量，由于比特币的区块大小和区块时间的限制，它仅能每秒处理约三到七个交易 ; 第四，交易成本，有限的吞吐量导致对有限区块空间的高需求，这反过来导致比特币网络壅塞时的费用飙升 ; 最后则是可编程性，比特币的语言功能受到限制，使得智能合约逻辑难以实现。这也使得在比特币上创建去中心化应用远不及在以太坊上简单。

那么为什么开发者不能直接提高比特币的性能呢？因为改进比特币协议没有想象中这么简单。首先，比特币被有意设计为一个简单的区块链。由于没有复杂的编码和应用程序，比特币已被证明是当今高度安全、稳定和去中心化的区块链。因此，对比特币进行突然且实质性的改变将会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，但不会在一夜之间实施任何变革性解决方案。因此，区块链在不久的将来很难自行实现可扩展性，不过，既然以太坊有了 L2 解决方案，那比特币区块链一定也有其他解决方案可以帮助扩展网络来容纳这数十亿用户和每日数百万笔交易的现况。

虽然比特币有其限制，但通过实施分层解决方案，它仍然可以实现扩展，为整个网络带来增强的性能和功能。通过在比特币之上构建，开发者可以创建扩展解决方案，而无需修改比特币本身。这种方法可以提高常规比特币交易的性能，同时受益于比特币的流动性和网络效应。

分层就是 ETH L2？

分层使比特币（和其他资产）能够在不直接使用区块链的情况下进行转移。虽然每个比特币分层都有自己独特的共识机制来与比特币连接，但目标是相同的：将交易移至链外，以实现更快速、更便宜、更可编程和可扩展。接下来。让我们深入探讨比特币与这些分层之间的关系。

首先我们先假设比特币可以作为交易的最终结算层，它会优先考虑稳定性、去中心化和安全性。这些特点使比特币成为构建更广泛经济活动的最佳基础。此外，其原生货币 BTC 充当长期储值资产。同时，分层解决方案可以为比特币带来更高的可扩展性和生产力，而不会影响其基础层的安全性。

由于这些分层建立在比特币之上，它们不会对基础层产生影响，并从安全角度来看也不会对其构成风险。分层方法使比特币能够采用新的、更快速和更高效的过程，而不会牺牲基础层的耐用性或去中心化。简单来说，比特币分层具有多个优势：第一，更快的交易速度，分层上的交易可以在几秒钟内处理，更适合需要更快确认的比特币用户；第二，更高的吞吐量，交易所占的数据更少，每个新区块留下更多的空间；第三，更低的交易费用，更高效的吞吐量意味着较低的费用；第四，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，这大大扩展了比特币的应用场景，包括去中心化金融（DeFi）、非同质化代币（NFT）和去中心化自治组织（DAO）。

最后，比特币分层还有助于简化结算，微支付和小额交易不需要比特币区块链的完整安全性。相反，它们可以转移到分层上，其中交易可以以很小的成本几乎即时确认，最终捆绑并发送到比特币进行最终结算。

有哪些分层解决方案？

目前有四个主要的分层解决方案有助于提升比特币的可扩展性：

（一）Stacks ：

Stacks 是一个支持“去中心化应用程序”和“智能合约”的比特币 Layer 2。该技术使用一种用于编写智能合约的编程语言“Clarity”，如果以整体系统来看，Stacks 其实拥有自己的链、编译器和编程语言，且与比特币同步运行，以确保其交易和完整性。

该项目的核心理念为，“因为底部有基础结算层（比特币）来确保共识与安全性，所以用户可以在 Stacks 之上添加智能合约和可编程性，以实现可扩展性和交易速度。”其中，它们的核心技术即是通过转移证明（PoX）共识机制，让 Stacks 区块与比特币区块紧密相连。

在转移证明中，Stacks 上的矿工不会使用采矿设备和电力来开采 Stacks，反而是使用 BTC 来挖掘新的 STX 代币并赚取交易费。矿工为了赢得开采区块的机会，会把 BTC 提交给参与共识的合格 Stacks 地址，透个将承诺的加密货币转移给网络中的其他一些参与者，从而赢得开采区块的机会，然后赚取 STX 奖励代币。通过这个系统，矿工赚取 STX 币及交易费用 (transaction fees)，而 STX 质押者赚取比特币。

且 Stacks 除了在与比特币进行最终链接时使用了锚点区块，助确保 Stacks 的安全性和可靠性之外，Stacks 还引入了微区块的概念，这些微区块可以在两个比特币区块之间发布成千上万笔的交易。这样一来，Stacks的可扩展性得到了显著提高，可以处理更多的交易量，使其成为一个更有效率和实用的区块链解决方案。

我们先前有在上一篇研究报告（BRC-20 能否让比特币生态走向新的繁荣？比特币 NFT有什么用？什么又是 BRC-30？）解释过 BRC-20 与 Ordinals 技术，刚好这就是Stacks 一个应用案例。

随着 Ordinals 越来越受欢迎以及 BTC NFT（Ordinals 技术）的热潮，Stacks 上的 NFT 活动也有所增加，这可说直接受益于 Stacks 的更低成本和更快的 NFT 铸造速度。

（二）RSK（Rootstock）：

RSK（也称为Rootstock）是一个由比特币网络保护的通用智能合约平台。 RSK由RSK Labs创立，旨在利用比特币的稳定性、安全性和经济基石来解决以太坊的缺点。通过将其智能合约从以太坊转移到 RSK，RSK 使所有以太坊应用与比特币区块链兼容。RSK 大约每 33 秒创建一个新区块，这比比特币的 10 分钟区块时间快多了，RSK 还可以每秒处理约 10-20 笔交易，这比比特币每秒约 5 笔的处理能力更高效。

与其他比特币分层解决方案相比，RSK 侧链设计有一些独特的设计。首先，合并挖矿，RSK 区块链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生成区块的速度更快。这些 RSK 区块通过一个称为“合并挖矿”的过程进行挖掘。由于两个区块链使用相同的共识，矿工可以进行合并挖矿，同时为比特币和 RSK区块链进行挖矿，但却让比特币和 RSK 消耗相同的挖矿计算能力，因此矿工贡献的算力也可以挖掘 RSK 的区块，这让合并挖矿大幅增加矿工的盈利能力，而无需投入额外的资源。

合并挖矿使得 RSK 可以验证交易、生成区块并将其发送到比特币。通过这种挖矿过程，用户完全可以放心，因为 RSK 的智能合约受益于比特币区块链的安全性。

第二项独特的设计则是 Powpeg Powpeg ，它是用于 RSK 区块链和比特币间的双向桥梁。Powpeg 协议通过 RSK 的资产 smartBTC（RBTC）实现的。从技术上来讲，RSK 平台没有自己的本地代币。所以 RSK 使用的是 smartBTC（RBTC），也就是在比特币上以 1:1 的比例锁定 BTC 发行的代币。也就是说，RBTC 的价值始终与 BTC 相同，以用于支付 RSK 上的交易费用。

在 RSK 和比特币之间，有两个主要机制来桥接资金：保险库和智能合约。当我们要将比特币转移到 RSK 时，这个过程称为”pegging-in”，需要用户将一定数量的比特币锁定在比特币网络上的保险库中。这样就可以解锁对应的 RSK 上的比特币金额。相反地，当我们要将比特币从 RSK 返回比特币网络时，这个过程称为”pegging-out”，需要用户将一定数量的 RBTC（RSK的资产）发送到 RSK 上的智能合约。然后，对应数量的比特币将从比特币网络的保险库中解锁。

最后一项独特设计是 RSK 虚拟机（RVM），RSK 的一个优势组件是它与以太坊智能合约的互操作性。RSK虚拟机（RVM）基于以太坊虚拟机，可以在 RSK 上执行以太坊智能合约。开发人员在构建 RSK 应用时可以无缝使用相同的代码、工具。这为以太坊社区提供了与其喜爱的去中心化应用（dApps）进行互动的更便宜、更快的选择。这意味着 RSK 开发人员可以使用 Solidity 进行编程，这是在以太坊上使用的智能合约编程语言，用户还可以将他们的 RSK 资产发送到 Metamask。

（三）Liquid Network：

Liquid Network 是由 Blockstream 开发的一条比特币侧链，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集中化的特点。

Blockstream 背后团队背景是数位比特币核心开发者，有外媒认为，是圈内的全明星开发团队。

这边简单说明一下 Liquid Network 独特的功能和特点：

快速结算：Liquid Network 的区块时间只需 60 秒，相较于比特币需要 10 分钟，速度快得非常多，这意味着在 Liquid Network 上的交易可以更快地确认和结算。

低交易费用：Liquid Network 的交易费用平均只有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。

中央化结构：与比特币的去中心化结构不同，Liquid Network 具有一个较为中央化的结构。这是为了提高性能而进行的妥协，以便实现更快速的交易确认和更高的吞吐量。

Liquid Network 的主要目的是提供一个更适合应对比特币的快速、高频交易需求的解决方案。它可以被广泛应用于加密货币交易所、支付服务和其他金融应用中，使这些交易更加高效和便捷。需要注意的是，Liquid Network 仍然是建立在比特币区块链的基础上，因此它继承了比特币的安全性和可靠性。同时，Liquid Network 还提供了更快速和更便宜的交易方式，以满足日益增长的交易需求。

（四）闪电网络

闪电网络是链下比特币交易的新系统，它允许用户在不需要像银行这样中央机构角色的情况下互相交易。作为比特币的 L2 解决方案，可用于扩展微支付和日常交易，且通过使用智能合约和支付通道，两方可以以几乎零成本快速地进行比特币交易。

而前面我们说到了 BRC-20 与闪电网络的关系，接下来我们就来细细剖析闪电网络的技术原理、应用与未来发展。

闪电网络技术原理、起源

闪电网络利用了比特币的多签名钱包和离线交易功能，使参与者可以在区块链之外建立支付通道。这些支付通道允许参与者之间进行快速且低成本的交易，而无需将每笔交易记录在比特币区块链上。

在闪电网络中，支付通道由参与者之间的双向多签名钱包所建立。例如，假设有参与者 A 和 B，他们希望在闪电网络上进行交易。他们可以创建一个共同控制的多签名钱包，将一定数量的比特币锁定在其中，作为支付通道的资金。一旦支付通道建立，A 和 B 可以在通道内进行多次交易，而无需将每笔交易提交到比特币区块链上，这些交易只在支付通道内部进行记录和验证。只有当他们想要结束支付通道并将最终结算结果提交到比特币区块链上时，才需要将最新的通道状态传输到区块链上。

闪电网络中的支付通道使用了一种称为“离线交易”的技术，这使得参与者可以在没有区块链网络连接的情况下进行交易。这是通过使用先前在区块链上确认的交易数据来验证交易的有效性。离线交易允许支付通道内的交易快速完成，而无需等待区块链的确认。

倘若在闪电网络中，如果 A 和 B 希望在支付通道内进行交易，但他们之间没有直接的支付通道，他们可以利用中继节点进行交易。中继节点是闪电网络中的参与者，他们允许支付通道之间的资金流动。通过中继节点，A 和 B 可以建立一条间接的支付通道，从而实现交易。且闪电网络还使用了称为“路由”的机制来确保支付在网络中的顺利传递。当一笔支付需要通过多个中继节点进行传递时，路由器会选择一条最佳路径，以确保支付顺利到达目的地。

相信有用过 Google 地图导航过的人都可以想像，Goolge 地图的导航带路功能，提供开车族从 A 点到 B 点两地之间“最快路径”的行车路线建议，并透过大数据与自家演算法功能，帮用户估算推荐导航带路的最快路线与预计所需的时间。这就是路由器的角色，它使用称为“闪电路径”的概念来指定支付通道的路由。

最后，除了提供快速和廉价的交易，闪电网络还具有良好的扩展性。因为闪电网络上的交易不需要在比特币区块链上进行确认，所以它可以支持数以百万计的交易，同时保持快速和低成本的特点。总结来看，闪电网络是一种创新的技术，通过在比特币区块链之上建立支付通道，提供了一种高效、快速和低成本的交易方式。它解决了比特币的可扩展性问题，为比特币区块链的应用场景开辟了新的可能性。

闪电网络起源于 2015 年的一篇论文，由研究人员 Thaddeus Dryja 和 Joseph Poon 所提出。他们的研究是基于比特币的创始者中本聪对支付渠道的衍生讨论。这篇论文描述了一个由支付渠道组成的链下协议，旨在解决比特币的可扩展性问题。

就在 2016 年，Dryja 和 Poon 还共同创办了一家名为 Lightning Labs 的公司，致力于开发闪电网络技术。Lightning Labs 一直努力确保该协议与比特币的核心网络兼容。

随着 2017 年比特币的 SegWit 软分叉，为闪电网络的实施铺平了道路。SegWit 提高了比特币交易的容量，为每个区块提供更多的空间，同时解决了长期存在的交易延展性问题。在发布之前的测试过程中，开发人员已经开始在闪电网络上建立应用程序。这些应用程序包括钱包和赌博平台等简单的用例，利用闪电网络的微支付功能。

补充：SegWit（隔离见证）是一个重要的软分叉（soft fork）升级，旨在改进比特币区块链的可扩展性和安全性。这个升级的目标是解决比特币交易容量有限的问题，同时增加网络的吞吐量和降低交易费用。

SegWit 的主要改变是将交易签名（witness data）从交易主体中分离出来，将其放置在一个称为“隔离见证区块”（witness block）的新区块中。这样可以减少每个交易的数据量，从而释放出更多的空间容纳交易。具体来说，SegWit 对交易数据结构进行了改变，将签名数据移出交易本身，并将其存储在一个新的区块中。这样一来，区块中的交易数据量减少了，可以容纳更多的交易。

同时，这种变化还为引入更多的交易类型和功能提供了更大的灵活性。 SegWit 的实施需要网络上的参与者升级其比特币软件，以支持新的交易格式。尽管 SegWit 是一个软分叉，但它被比特币社区广泛接受，并在 2017 年 8 月成功激活。此外，SegWit还为后续的闪电网络实施提供了必要的基础，使其能够更好地发挥作用。

2018 年，Lightning Labs 在比特币主网上推出了闪电网络的测试版，开始实际应用。此后，许多知名人士，包括 Twitter 创始人杰克·多尔西，也开始参与闪电网络项目。自那时以来，闪电网络不断发展，吸引了更多的开发者和使用者。它被认为是解决比特币可扩展性问题的重要解决方案，为比特币提供了更快速、低成本的交易方式，并为更广泛的应用场景开创了新的可能性。

闪电网络局限性、挑战

目前闪电网络被许多人认为是可以解决比特币交易手续费问题的最有效解决方案，但其实并不然。首先，闪电网络虽然可以将交易从主区块链移至链下进行，来减少了交易手续费，但仍存在其他成本和挑战。使用闪电网络时，开启和关闭通道之间需要支付与比特币交易相等的费用，这些费用就是使用闪电网络的成本。另外，除了开关通道的费用外，还存在一个额外的路由费用，用于在通道之间转移支付，即便闪电网络的费用低，但这可能会导致节点没有足够的激励来参与支付的路由过程。

（在闪电网络中，节点扮演着处理支付的角色，负责将支付从一个通道转移到另一个通道。然而，由于路由费用较低，节点可能不愿意负担这些成本或提供相应的服务。这可能导致节点不愿意参与支付的路由过程，从而导致支付的迟滞或失败。）

相比之下，市场上有一些加密货币是通过提供免费的软件插件或通过特殊节点来降低支付成本。例如，Dash 允许用户在支付时支付极低的费用。它的系统设计了Masternodes，它们需要存入一定数量的 Dash 币，以便能够快速处理交易。

除了闪电网络被大家误以为是降低手续费最有效方法之外，还有一点需要澄清。“始终保持在线的节点很容易受到攻击”，在比特币的闪电网络中，节点必须始终保持在线状态才能进行支付的发送和接收。这意味着如果涉及交易的双方不在线或者他们的电脑被入侵，可能会导致资金被盗取。

然而，闪电网络也允许使用冷存储的方式来保护资金安全，这是一种将资金离线存储的方法，被认为是加密货币存储中最安全的方式之一。除此之外，如果在闪电网络上进行离线操作，也存在一些问题。例如，当两个交易方之一关闭支付通道并取走款项时，另一方不在线的情况下，这就被称为诈骗性通道关闭。虽然有一段时间可以对通道的关闭提出异议，但如果一方长时间不在线，可能会错过提出异议的机会。此外，恶意攻击也对闪电网络构成风险。如果支付通道发生拥塞，并且遭受恶意攻击，参与者可能无法及时取回资金，因为通道处于拥塞状态。因此，虽然闪电网络为比特币提供了更快的支付和低成本的交易，但节点始终在线的要求以及与离线操作和恶意攻击相关的风险，还是需要使用者考虑及注意。

最后，闪电网络的出现本来意味着比特币可以作为日常交易的媒介。用户可以与经常进行交易的企业或个人开启支付通道。例如，他们可以与房东或时常购物的电子商务店开启支付通道，并使用比特币进行交易。然而，比特币在成为主流支付方式之前还有很长的路要走。其交易量的增加主要归因于交易量的增加。换句话说，比特币的受欢迎程度是一把双刃剑，因为增加的关注吸引了投资，但也吸引了更多的交易者，增加了加密货币的波动性或价格波动。

价格波动使得商家在定价产品销售给客户或从供应商购买库存时难以使用比特币作为支付方式。举例来说，假设一家公司需要支付比特币给供应商的发票。通常，供应商给予客户一定的支付时间，比如 30 天。如果在这 30 天内比特币的价格上涨了 10％，企业就需要另外准备 10％的法币或其他加密货币来转换为比特币支付发票。这种汇率风险的存在是因为企业可能会收到客户的法币而不是比特币。对于消费者交易，汇率风险也存在，因为大多数人的薪水并不是以比特币支付，所以交易需要从法币转换为比特币。因此，闪电网络对于降低比特币交易费用和扩大规模的整体影响可能有限，因为比特币尚未被广泛接受作为支付方式。