解讀比特幣 Layer 2 擴容方案的前世今生：閃電網路為何是重要的一步？

2023-08-10 00:08:05

幣安（Binance）於 6 月 20 日在官方 Twitter 發文透露，已經有許多網友發現幣安現已完成比特幣閃電網路（Lightning Network）節點建置。且就在幣安宣布已完成比特幣閃點網路節點部署後，幣安執行長趙長鵬也對此回應相關建設正在進行中。

將時間拉回前幾個月，可推測幣安會涉足比特幣閃電網路其實跟 5 月初 BRC-20 熱潮導致比特幣網路塞爆、交易手續費暴漲有關系，且同月 7、8 日還二度暫停比特幣出金。

上一篇研究報告（ BRC-20 能否讓比特幣生態走向新的繁榮？比特幣 NFT有什么用？什么又是 BRC-30？）我們提到了 BRC-20 的許多概念，結尾也提到下一篇將會圍繞在閃電網絡。首先我會先說明兩者之間有什么關系？再介紹比特幣擴容方案，最後則是以閃電網路（Lightning Network）為主軸，進行深度的研究探討。

先前比特幣生態 NFT、BRC-20 等應用陸續火熱起來進而導致比特幣網絡越來越堵塞，以技術上來看，倘若在閃電網絡上支持 BRC-20 的流通，將有助於實現更快、更高效的交易，並為 BRC-20 釋放新的可能性。不過這也成幣安建置比特幣閃電網路關鍵。根據區塊鏈數據平臺 Glassnode 顯示，閃電網路交易的平均費用為 0.00013 美元，若直接使用比特幣網路進行交易，而比特幣網路平均交易費用約為 18.9 美元，兩者價差巨大。

可見該效益，讓幣安开始整合比特幣閃電網路，以實現存款和提款功能。不過，幣安也強調，在完成閃電網路整合之前，還有一些技術工作需要完成，並承諾會持續向大家更新最新消息。

接下來我們就來細細拆解比特幣擴容方案以及閃電網絡這門技術知識。

區塊鏈挑战

首先得從區塊鏈的挑战开始說起，在區塊鏈上轉移比特幣是一個緩慢、昂貴和低效的過程。因為比特幣區塊鏈在一定時間內只能處理一定數量的交易（和數據）。如果比特幣要與其他區塊鏈的競爭中保持競爭力，就必須有創新措施來增加網絡的實用性。

我們必須先區分兩個關鍵概念：“比特幣作為資產（BTC）”以及“比特幣作為區塊鏈”。比特幣作為一種資產在過去幾年中得到了廣泛的採用，在數字資產的今日與未來都有着巨大的潛力。但是，要使 BTC 實現大規模應用，它必須具有無縫的交易環境（也就是比特幣區塊鏈）。比特幣的區塊鏈高度安全、去中心化和穩定，但比特幣卻有一個明顯的缺陷：它對於處理大量交易數據的能力有限。要確認比特幣區塊鏈上的交易，它們必須通過工作量證明（PoW）共識獲得批准。一旦一定數量的礦工驗證了交易，它才能達到區塊鏈最終結算的狀態再生成新區塊的系統。

而目前有幾個關鍵因素限制了比特幣區塊鏈：第一，區塊大小，一個比特幣區塊只能容納 1 兆字節 (MB) 的數據 ; 第二，區塊時間，大約每 10 分鐘產生一個新的比特幣區塊 ; 第三，吞吐量，由於比特幣的區塊大小和區塊時間的限制，它僅能每秒處理約三到七個交易 ; 第四，交易成本，有限的吞吐量導致對有限區塊空間的高需求，這反過來導致比特幣網絡壅塞時的費用飆升 ; 最後則是可編程性，比特幣的語言功能受到限制，使得智能合約邏輯難以實現。這也使得在比特幣上創建去中心化應用遠不及在以太坊上簡單。

那么為什么开發者不能直接提高比特幣的性能呢？因為改進比特幣協議沒有想象中這么簡單。首先，比特幣被有意設計為一個簡單的區塊鏈。由於沒有復雜的編碼和應用程序，比特幣已被證明是當今高度安全、穩定和去中心化的區塊鏈。因此，對比特幣進行突然且實質性的改變將會對該協議的核心規則產生反作用。雖然比特幣的升級肯定會繼續，但不會在一夜之間實施任何變革性解決方案。因此，區塊鏈在不久的將來很難自行實現可擴展性，不過，既然以太坊有了 L2 解決方案，那比特幣區塊鏈一定也有其他解決方案可以幫助擴展網絡來容納這數十億用戶和每日數百萬筆交易的現況。

雖然比特幣有其限制，但通過實施 分層解決方案 ，它仍然可以實現擴展，為整個網絡帶來增強的性能和功能。通過在比特幣之上構建，开發者可以創建擴展解決方案，而無需修改比特幣本身。這種方法可以提高常規比特幣交易的性能，同時受益於比特幣的流動性和網絡效應。

分層就是 ETH L2？

分層使比特幣（和其他資產）能夠在不直接使用區塊鏈的情況下進行轉移。雖然每個比特幣分層都有自己獨特的共識機制來與比特幣連接，但目標是相同的：將交易移至鏈外，以實現更快速、更便宜、更可編程和可擴展。接下來。讓我們深入探討比特幣與這些分層之間的關系。

首先我們先假設比特幣可以作為交易的最終結算層，它會優先考慮穩定性、去中心化和安全性。這些特點使比特幣成為構建更廣泛經濟活動的最佳基礎。此外，其原生貨幣 BTC 充當長期儲值資產。同時，分層解決方案可以為比特幣帶來更高的可擴展性和生產力，而不會影響其基礎層的安全性。

由於這些分層建立在比特幣之上，它們不會對基礎層產生影響，並從安全角度來看也不會對其構成風險。分層方法使比特幣能夠採用新的、更快速和更高效的過程，而不會犧牲基礎層的耐用性或去中心化。簡單來說，比特幣分層具有多個優勢：第一，更快的交易速度，分層上的交易可以在幾秒鐘內處理，更適合需要更快確認的比特幣用戶；第二，更高的吞吐量，交易所佔的數據更少，每個新區塊留下更多的空間；第三，更低的交易費用，更高效的吞吐量意味着較低的費用；第四，增加了智能合約功能，具有完整執行環境的智能合約使得去中心化應用的开發成為可能，這大大擴展了比特幣的應用場景，包括去中心化金融（DeFi）、非同質化代幣（NFT）和去中心化自治組織（DAO）。

最後，比特幣分層還有助於簡化結算，微支付和小額交易不需要比特幣區塊鏈的完整安全性。相反，它們可以轉移到分層上，其中交易可以以很小的成本幾乎即時確認，最終捆綁並發送到比特幣進行最終結算。

有哪些分層解決方案？

目前有四個主要的分層解決方案有助於提升比特幣的可擴展性：

（一）Stacks ：

Stacks 是一個支持“去中心化應用程序”和“智能合約”的比特幣 Layer 2。該技術使用一種用於編寫智能合約的編程語言“Clarity”，如果以整體系統來看，Stacks 其實擁有自己的鏈、編譯器和編程語言，且與比特幣同步運行，以確保其交易和完整性。

該項目的核心理念為，“因為底部有基礎結算層（比特幣）來確保共識與安全性，所以用戶可以在 Stacks 之上添加智能合約和可編程性，以實現可擴展性和交易速度。”其中，它們的核心技術即是通過 轉移證明（PoX）共識機制 ，讓 Stacks 區塊與比特幣區塊緊密相連。

在轉移證明中，Stacks 上的礦工不會使用採礦設備和電力來开採 Stacks，反而是使用 BTC 來挖掘新的 STX 代幣並賺取交易費。礦工為了贏得开採區塊的機會，會把 BTC 提交給參與共識的合格 Stacks 地址，透個將承諾的加密貨幣轉移給網絡中的其他一些參與者，從而贏得开採區塊的機會，然後賺取 STX 獎勵代幣。通過這個系統，礦工賺取 STX 幣及交易費用 (transaction fees)，而 STX 質押者賺取比特幣。

且 Stacks 除了在與比特幣進行最終鏈接時使用了錨點區塊，助確保 Stacks 的安全性和可靠性之外，Stacks 還引入了微區塊的概念，這些微區塊可以在兩個比特幣區塊之間發布成千上萬筆的交易。這樣一來，Stacks的可擴展性得到了顯著提高，可以處理更多的交易量，使其成為一個更有效率和實用的區塊鏈解決方案。

我們先前有在上一篇研究報告（BRC-20 能否讓比特幣生態走向新的繁榮？比特幣 NFT有什么用？什么又是 BRC-30？）解釋過 BRC-20 與 Ordinals 技術，剛好這就是Stacks 一個應用案例。

隨着 Ordinals 越來越受歡迎以及 BTC NFT（Ordinals 技術）的熱潮，Stacks 上的 NFT 活動也有所增加，這可說直接受益於 Stacks 的更低成本和更快的 NFT 鑄造速度。

（二）RSK（Rootstock）：

RSK（也稱為Rootstock）是一個由比特幣網絡保護的通用智能合約平臺。 RSK由RSK Labs創立，旨在利用比特幣的穩定性、安全性和經濟基石來解決以太坊的缺點。通過將其智能合約從以太坊轉移到 RSK，RSK 使所有以太坊應用與比特幣區塊鏈兼容。RSK 大約每 33 秒創建一個新區塊，這比比特幣的 10 分鐘區塊時間快多了，RSK 還可以每秒處理約 10-20 筆交易，這比比特幣每秒約 5 筆的處理能力更高效。

與其他比特幣分層解決方案相比，RSK 側鏈設計有一些獨特的設計。首先，合並挖礦，RSK 區塊鏈使用與比特幣相同的工作量證明（PoW）共識算法，但礦工可以比比特幣基礎層生成區塊的速度更快。這些 RSK 區塊通過一個稱為“合並挖礦”的過程進行挖掘。由於兩個區塊鏈使用相同的共識，礦工可以進行合並挖礦，同時為比特幣和 RSK區塊鏈進行挖礦，但卻讓比特幣和 RSK 消耗相同的挖礦計算能力，因此礦工貢獻的算力也可以挖掘 RSK 的區塊，這讓合並挖礦大幅增加礦工的盈利能力，而無需投入額外的資源。

合並挖礦使得 RSK 可以驗證交易、生成區塊並將其發送到比特幣。通過這種挖礦過程，用戶完全可以放心，因為 RSK 的智能合約受益於比特幣區塊鏈的安全性。

第二項獨特的設計則是 Powpeg Powpeg ，它是用於 RSK 區塊鏈和比特幣間的雙向橋梁。Powpeg 協議通過 RSK 的資產 smartBTC（RBTC）實現的。從技術上來講，RSK 平臺沒有自己的本地代幣。所以 RSK 使用的是 smartBTC（RBTC），也就是在比特幣上以 1:1 的比例鎖定 BTC 發行的代幣。也就是說，RBTC 的價值始終與 BTC 相同，以用於支付 RSK 上的交易費用。

在 RSK 和比特幣之間，有兩個主要機制來橋接資金：保險庫和智能合約。當我們要將比特幣轉移到 RSK 時，這個過程稱為”pegging-in”，需要用戶將一定數量的比特幣鎖定在比特幣網絡上的保險庫中。這樣就可以解鎖對應的 RSK 上的比特幣金額。相反地，當我們要將比特幣從 RSK 返回比特幣網絡時，這個過程稱為”pegging-out”，需要用戶將一定數量的 RBTC（RSK的資產）發送到 RSK 上的智能合約。然後，對應數量的比特幣將從比特幣網絡的保險庫中解鎖。

最後一項獨特設計是 RSK 虛擬機（RVM），RSK 的一個優勢組件是它與以太坊智能合約的互操作性。RSK虛擬機（RVM）基於以太坊虛擬機，可以在 RSK 上執行以太坊智能合約。开發人員在構建 RSK 應用時可以無縫使用相同的代碼、工具。這為以太坊社區提供了與其喜愛的去中心化應用（dApps）進行互動的更便宜、更快的選擇。這意味着 RSK 开發人員可以使用 Solidity 進行編程，這是在以太坊上使用的智能合約編程語言，用戶還可以將他們的 RSK 資產發送到 Metamask。

（三）Liquid Network：

Liquid Network 是由 Blockstream 开發的一條比特幣側鏈，旨在促進比特幣交易的快速結算。該網絡的共識機制與比特幣類似，但在鏈的治理結構上具有集中化的特點。

Blockstream 背後團隊背景是數位比特幣核心开發者，有外媒認為，是圈內的全明星开發團隊。

這邊簡單說明一下 Liquid Network 獨特的功能和特點：

快速結算：Liquid Network 的區塊時間只需 60 秒，相較於比特幣需要 10 分鐘，速度快得非常多，這意味着在 Liquid Network 上的交易可以更快地確認和結算。
低交易費用：Liquid Network 的交易費用平均只有比特幣的十分之一左右。這使得小額支付和日常交易更具成本效益。
中央化結構：與比特幣的去中心化結構不同，Liquid Network 具有一個較為中央化的結構。這是為了提高性能而進行的妥協，以便實現更快速的交易確認和更高的吞吐量。

Liquid Network 的主要目的是提供一個更適合應對比特幣的快速、高頻交易需求的解決方案。它可以被廣泛應用於加密貨幣交易所、支付服務和其他金融應用中，使這些交易更加高效和便捷。需要注意的是，Liquid Network 仍然是建立在比特幣區塊鏈的基礎上，因此它繼承了比特幣的安全性和可靠性。同時，Liquid Network 還提供了更快速和更便宜的交易方式，以滿足日益增長的交易需求。

（四）閃電網絡

閃電網絡是鏈下比特幣交易的新系統，它允許用戶在不需要像銀行這樣中央機構角色的情況下互相交易。作為比特幣的 L2 解決方案，可用於擴展微支付和日常交易，且通過使用智能合約和支付通道，兩方可以以幾乎零成本快速地進行比特幣交易。

而前面我們說到了 BRC-20 與閃電網絡的關系，接下來我們就來細細剖析閃電網絡的技術原理、應用與未來發展。

閃電網絡技術原理、起源

閃電網絡利用了比特幣的多籤名錢包和離线交易功能，使參與者可以在區塊鏈之外建立支付通道。這些支付通道允許參與者之間進行快速且低成本的交易，而無需將每筆交易記錄在比特幣區塊鏈上。

在閃電網絡中，支付通道由參與者之間的雙向多籤名錢包所建立。例如，假設有參與者 A 和 B，他們希望在閃電網絡上進行交易。他們可以創建一個共同控制的多籤名錢包，將一定數量的比特幣鎖定在其中，作為支付通道的資金。一旦支付通道建立，A 和 B 可以在通道內進行多次交易，而無需將每筆交易提交到比特幣區塊鏈上，這些交易只在支付通道內部進行記錄和驗證。只有當他們想要結束支付通道並將最終結算結果提交到比特幣區塊鏈上時，才需要將最新的通道狀態傳輸到區塊鏈上。

閃電網絡中的支付通道使用了一種稱為“離线交易”的技術，這使得參與者可以在沒有區塊鏈網絡連接的情況下進行交易。這是通過使用先前在區塊鏈上確認的交易數據來驗證交易的有效性。離线交易允許支付通道內的交易快速完成，而無需等待區塊鏈的確認。

倘若在閃電網絡中，如果 A 和 B 希望在支付通道內進行交易，但他們之間沒有直接的支付通道，他們可以利用中繼節點進行交易。中繼節點是閃電網絡中的參與者，他們允許支付通道之間的資金流動。通過中繼節點，A 和 B 可以建立一條間接的支付通道，從而實現交易。且閃電網絡還使用了稱為“路由”的機制來確保支付在網絡中的順利傳遞。當一筆支付需要通過多個中繼節點進行傳遞時，路由器會選擇一條最佳路徑，以確保支付順利到達目的地。

相信有用過 Google 地圖導航過的人都可以想像，Goolge 地圖的導航帶路功能，提供开車族從 A 點到 B 點兩地之間“最快路徑”的行車路线建議，並透過大數據與自家演算法功能，幫用戶估算推薦導航帶路的最快路线與預計所需的時間。這就是路由器的角色，它使用稱為“閃電路徑”的概念來指定支付通道的路由。

最後，除了提供快速和廉價的交易，閃電網絡還具有良好的擴展性。因為閃電網絡上的交易不需要在比特幣區塊鏈上進行確認，所以它可以支持數以百萬計的交易，同時保持快速和低成本的特點。總結來看，閃電網絡是一種創新的技術，通過在比特幣區塊鏈之上建立支付通道，提供了一種高效、快速和低成本的交易方式。它解決了比特幣的可擴展性問題，為比特幣區塊鏈的應用場景开闢了新的可能性。

閃電網絡起源於 2015 年的一篇論文，由研究人員 Thaddeus Dryja 和 Joseph Poon 所提出。他們的研究是基於比特幣的創始者中本聰對支付渠道的衍生討論。這篇論文描述了一個由支付渠道組成的鏈下協議，旨在解決比特幣的可擴展性問題。

就在 2016 年，Dryja 和 Poon 還共同創辦了一家名為 Lightning Labs 的公司，致力於开發閃電網絡技術。Lightning Labs 一直努力確保該協議與比特幣的核心網絡兼容。

隨着 2017 年比特幣的 SegWit 軟分叉，為閃電網絡的實施鋪平了道路。SegWit 提高了比特幣交易的容量，為每個區塊提供更多的空間，同時解決了長期存在的交易延展性問題。在發布之前的測試過程中，开發人員已經开始在閃電網絡上建立應用程序。這些應用程序包括錢包和賭博平臺等簡單的用例，利用閃電網絡的微支付功能。

補充：SegWit（隔離見證）是一個重要的軟分叉（soft fork）升級，旨在改進比特幣區塊鏈的可擴展性和安全性。這個升級的目標是解決比特幣交易容量有限的問題，同時增加網絡的吞吐量和降低交易費用。

SegWit 的主要改變是將交易籤名（witness data）從交易主體中分離出來，將其放置在一個稱為“隔離見證區塊”（witness block）的新區塊中。這樣可以減少每個交易的數據量，從而釋放出更多的空間容納交易。具體來說，SegWit 對交易數據結構進行了改變，將籤名數據移出交易本身，並將其存儲在一個新的區塊中。這樣一來，區塊中的交易數據量減少了，可以容納更多的交易。

同時，這種變化還為引入更多的交易類型和功能提供了更大的靈活性。 SegWit 的實施需要網絡上的參與者升級其比特幣軟件，以支持新的交易格式。盡管 SegWit 是一個軟分叉，但它被比特幣社區廣泛接受，並在 2017 年 8 月成功激活。此外，SegWit還為後續的閃電網絡實施提供了必要的基礎，使其能夠更好地發揮作用。

2018 年，Lightning Labs 在比特幣主網上推出了閃電網絡的測試版，开始實際應用。此後，許多知名人士，包括 Twitter 創始人傑克·多爾西，也开始參與閃電網絡項目。自那時以來，閃電網絡不斷發展，吸引了更多的开發者和使用者。它被認為是解決比特幣可擴展性問題的重要解決方案，為比特幣提供了更快速、低成本的交易方式，並為更廣泛的應用場景开創了新的可能性。

閃電網絡局限性、挑战

目前閃電網絡被許多人認為是可以解決比特幣交易手續費問題的最有效解決方案，但其實並不然。首先，閃電網絡雖然可以將交易從主區塊鏈移至鏈下進行，來減少了交易手續費，但仍存在其他成本和挑战。使用閃電網絡時，开啓和關閉通道之間需要支付與比特幣交易相等的費用，這些費用就是使用閃電網絡的成本。另外，除了开關通道的費用外，還存在一個額外的路由費用，用於在通道之間轉移支付，即便閃電網絡的費用低，但這可能會導致節點沒有足夠的激勵來參與支付的路由過程。

（在閃電網絡中，節點扮演着處理支付的角色，負責將支付從一個通道轉移到另一個通道。然而，由於路由費用較低，節點可能不愿意負擔這些成本或提供相應的服務。這可能導致節點不愿意參與支付的路由過程，從而導致支付的遲滯或失敗。）

相比之下，市場上有一些加密貨幣是通過提供免費的軟件插件或通過特殊節點來降低支付成本。例如，Dash 允許用戶在支付時支付極低的費用。它的系統設計了Masternodes，它們需要存入一定數量的 Dash 幣，以便能夠快速處理交易。

除了閃電網絡被大家誤以為是降低手續費最有效方法之外，還有一點需要澄清。“始終保持在线的節點很容易受到攻擊”，在比特幣的閃電網絡中，節點必須始終保持在线狀態才能進行支付的發送和接收。這意味着如果涉及交易的雙方不在线或者他們的電腦被入侵，可能會導致資金被盜取。

然而，閃電網絡也允許使用冷存儲的方式來保護資金安全，這是一種將資金離线存儲的方法，被認為是加密貨幣存儲中最安全的方式之一。除此之外，如果在閃電網絡上進行離线操作，也存在一些問題。例如，當兩個交易方之一關閉支付通道並取走款項時，另一方不在线的情況下，這就被稱為詐騙性通道關閉。雖然有一段時間可以對通道的關閉提出異議，但如果一方長時間不在线，可能會錯過提出異議的機會。此外，惡意攻擊也對閃電網絡構成風險。如果支付通道發生擁塞，並且遭受惡意攻擊，參與者可能無法及時取回資金，因為通道處於擁塞狀態。因此，雖然閃電網絡為比特幣提供了更快的支付和低成本的交易，但節點始終在线的要求以及與離线操作和惡意攻擊相關的風險，還是需要使用者考慮及注意。

最後，閃電網絡的出現本來意味着比特幣可以作為日常交易的媒介。用戶可以與經常進行交易的企業或個人开啓支付通道。例如，他們可以與房東或時常購物的電子商務店开啓支付通道，並使用比特幣進行交易。然而，比特幣在成為主流支付方式之前還有很長的路要走。其交易量的增加主要歸因於交易量的增加。換句話說，比特幣的受歡迎程度是一把雙刃劍，因為增加的關注吸引了投資，但也吸引了更多的交易者，增加了加密貨幣的波動性或價格波動。

價格波動使得商家在定價產品銷售給客戶或從供應商購买庫存時難以使用比特幣作為支付方式。舉例來說，假設一家公司需要支付比特幣給供應商的發票。通常，供應商給予客戶一定的支付時間，比如 30 天。如果在這 30 天內比特幣的價格上漲了 10％，企業就需要另外准備 10％的法幣或其他加密貨幣來轉換為比特幣支付發票。這種匯率風險的存在是因為企業可能會收到客戶的法幣而不是比特幣。對於消費者交易，匯率風險也存在，因為大多數人的薪水並不是以比特幣支付，所以交易需要從法幣轉換為比特幣。因此，閃電網絡對於降低比特幣交易費用和擴大規模的整體影響可能有限，因為比特幣尚未被廣泛接受作為支付方式。