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  1. 关于未来比特币可扩展性的探究:闪电网络和替代品(LBTC&BCH) 摘要 我们许多人可能面临的一个问题是,在比特币POW上进行链上可扩容总是会降低去中心化程度。因此,为了解决比特币转账慢、手续费高等问题,人们正在尝试用一种链下扩容的方式来实现比特币的可扩展性。闪电网络通过构建基于密码算法的支付通道,使得链上资源只能在通道建立或关闭时使用,在这之间双方可以免费进行多次小额交易。 本文介绍了闪电网络的两种基本运作模式——RSMC和HTLC,并解释了闪电网络作为一种链下可扩展性平台,为什么能够达到与链上交易同等的无信任化。 事实上,我们必须承认,闪电网络所需的基础设施仍然缺乏和维护支付通道的成本仍不断升高,使得闪电网络极有可能会出现大规模专业金融机构的风险,就像我们今天看到的很多银行。但相反,这些中心化的机构正是比特币从一开始就在对抗和试图取代的。正因为如此,闪电网络也在比特币支持者中引发了激烈的辩论。 闪电比特币(Lightning Bitcoin)或LBTC作为一种基于比特币的货币实验,为解决比特币的可扩展性问题开辟了一种新的尝试。它以一种创新的方式将DPOS机制与原始比特币的 UTXO模型结合起来,实现了极大的可扩展性。虽然这种设计在某种程度上不可避免地会降低相对于比特币POW机制的去中心化程度,但它确实提升了交易速度和可扩展性 。 LBTC认为,基于比特币POW机制(如BCH)扩大区块容量,只会产生少量的边际效益,反而可能带来严重的潜在风险。然而,链下可扩展性(如闪电网络)可能会将比特币生态系统再次送回到由中心化机构主导的传统轨道。就目前比特币的可扩展性问题而言,闪电网络所代表的Off-Chain方法和LBTC所代表的On-Chain方法可能是我们讨论的最有希望解决这个问题的两种方法。 1. 比特币的可扩展性问题 1.1比特币交易的TPS和手续费问题 比特币区块大小固定在2M,大约每10分钟产生一个区块。接下来,我们首先计算比特币TPS: TPS (BTC) =块大小/ TX大小/ (10 * 60) = 2 * 1024 * 1024 / 500 / (10 * 60) ≈7 现在我们很清楚,比特币平均每秒可以处理7笔交易。此外,随着使用比特币的人数的增加,比特币交易肯定会激增,这很可能导致交易拥挤。当这种堵塞发生时,那些要处理的交易将排队等候,这会给用户带来很多烦恼。 更重要的是,交易拥挤可能带来另一个可怕的后果,即交易费用增多。我们知道,比特币交易是由矿工打包的,矿工通过挖矿奖励和收取交易手续费来对交易进行的记账,因此,矿工总是有动力提高交易手续费来获取更多利益。但与之相反的是,用户希望支付更低的费用,而矿工希望支付更高的费用,这种情况将使市场处于僵持状态,维持可接受的费用水平。然而,如果发生交易拥挤,市场供需之间的平衡将被打破时,此时矿工可以提高交易费用(因为理论上矿工有权选择优先级和打包的交易)。 数据源于Bitinfocharts.com 历史数据(上图纵轴代表的是基于美元的交易费显示,比特币单一交易费用在2017年底达到50美元以上的峰值,甚至在新年前后的两个月都保持在15-20美元。但在平时,交易费用一般维持在0.3美元至1.50美元之间。 虽然“淡季”的费用似乎可以接受,但人们不满足于现状。毕竟,比特币作为一种加密货币有望走向广泛的应用,因此应该能够处理更多大规模交易。正如此,比特币的可扩展性问题受到了批评人士的广泛指责。 1.2比特币的链上可扩展性 如上所述,比特币粉丝们确实意识到了比特币可扩展性的严重性和紧迫性。但如何?这就是引发争议的原因。 第一个是链上扩容。顾名思义,链上扩容是通过修改协议的基本参数来实现更高的TPS。当然,对于比特币来说,改变出块时间、增加区块大小和减少交易的计算占用在理论上都是可行的尝试。然而,作为一个数字货币最大市场价值的加密货币系统,对比特币的任何细微修改都可能影响深远,我们都应该非常谨慎。事实上,为了防止全节点的高阈值导致的去中心化损失,比特币几乎不可能缩短出块时间。因此,我们必须将注意力转移到区块大小和交易的计算占用上,以找到解决方法。 在交易的计算占用方面,比特币框架已经确定了交易的格式和内容,进一步缩减的空间十分有限。虽然在SegWit升级之后,交易的结构已经得到了优化,但是变化仍然不够显著。 最后,我们转向区块大小。最初的比特币协议将区块大小固定在1M,在互联网基础设施快速发展的时代,这似乎不会给我们带来任何压力。一些支持大区块者建议提高或取消区块容量限制。然而,事实上,这正是比特币的分叉版本之一比特币现金(Bitcoin Cash, BCH)的实际做法。BCH已经直接将区块大小增加到32M,并声称未来还会继续增加。SegWit的升级也将比特币区块的大小提高到了近20M。这种扩展性的想法是否真的可行还有待讨论,在区块大小的扩展之后产生的好处也非常有限,对于去中心化也有一定的影响。 这里我们不妨做一个简单的比较: 比特币现金(BCH)将区块大小增加到32M,与比特币(BTC)相比,可以实现16倍的TPS增长。 闪电比特币(Lightning Bitcoin, LBTC)通过UTXO和DPOS机制,可以实现约200倍于比特币(Bitcoin, BTC)的TPS升级。 然而,BCH在增加块大小的同时,也会提高全节点的阈值,提高P2P网络中传输的效率和速度。这正是绝大多数比特币原教旨主义者所担心的。出于这个原因,比特币(BTC)必须密切关注区块规模的增长,而且一直不愿解除限制,这是正确的。 1.3另一种想法 既然我们通过链上扩容获得的效果如此有限,潜在的危害又如此多,那么我们能不能将注意力转向非链上扩容? 答案肯定是肯定的!我们可以通过两种方式处理非链上扩容:Off-Chain或Cross-Chain。 我们先来谈谈后者,交叉链。为什么“十字架”?因为它指的是将缝合的比特币网络绑定到更高的TPS区块链上,以实现更高的TPS。但要做到这一点,需要一个公认的、可行的跨链技术支持和子链生态系统解决方案。这有点尴尬,因为我们将不得不推出一个全新的区块链。 现在,前者。到目前为止,链下扩容作为一种高度可行的解决方案是最重要的。著名的闪电网就是这样一个解决方案。 链下可伸缩性意味着交易完全在链外完成,而不占用链上的资源。在完成一系列交易之后,最终的结果将被传输到链上。简单地说,你可以把它想象成一家小银行,帮助你进行一系列转账交易。交易完成后,余额数据将定期发送到系统中保存。 我们将在下一节更详细地描述闪电网络的运行机制,并评估这种扩展是否真的有效。 2. 闪电网络的基本工作原理 2.1付款通道 我们中的许多人在接触闪电网络时可能会有点困惑,可能会问:既然闪电网络只处理非链上交易,我们怎么能信任它呢? 好问题!如果你这么问,我很明显,至少你对区块链有所了解。Lightning Network通过一种链下的方式完成交易,但是我可以向您保证,它的运行机制是高度可靠的,因为Lightning Network依赖于一系列加密安全的解决方案来完成诸如支付通道的建立、支付和余额更改,甚至节点路由等任务。 现在出现了一个新术语:支付通道。这听起来可能有点抽象,但您可以这样理解:它是在两个付款方之间开立和维护的帐户。当交易发生时,它将被记录到这个账户中。交易完成后,比特币账户余额将在链上保存。 闪电网络就是这样一种支付通道的网络。除了建立和关闭在链内交易中完成的支付通道,其余的都是在链外完成的。基于此,Lightning Network实现了更好的链下可扩展性,极大地拓展了比特币的交易潜力。 2.2支付通道和RSMC交易 支付通道的开通、关闭和余额变化都是通过一个叫做RSMC的交易来实现的。 RSMC或可撤销序列到期契约,指当序列到期时,契约将可以撤销。它通过包含一系列交易来实现目标功能。 为什么总是Alice和Bob? 现在我们以Alice和Bob之间的转账为例来说明建立支付通道的过程。 整个通道是这样建立的: 步骤1:Alice和Bob各自拿出自己的BTC,建立一个担保通道。该交易的输入是它们所持有的确切BTC,的输出是2 / 2多重签名条件。 步骤2:Alice创建两个承诺交易通道 第一个交易的输入将花费Bob签名的资金交易 (此时Alice还没有签名)。交易包含两个输出结构,第一个需要Alice和Bob的多个签名(Alice2表示Alice的另一个私钥),第二个需要Bob的签名。 第二个交易是指向第一个交易的第一个输出。它首先由Bob签名,Bob的输出指向Alice的地址。该交易具有序列条件,这意味着只有在前一个交易验证了序列确认之后,才能将交易打包到区块中。 步骤3:Bob还创建了两个承诺交易通道,其结构应该与Alice创建的交易完全一致。 第四步:在完成上述交易通道设置后,各方签署出资交易并进行播送。 这里提供一个简短的解释: 担保交易的目的是让支付双方拿出一定数额的资金建立一个通道。随后作出的承诺使双方有可能单方面要求退款。在我们的例子中,Alice和Bob都有权单方面发起退款。但是值得注意的是,首先触发退款的人必须等待一个序列时间,然后另一个人才能立即获得退款。因此Alice和Bob可以随时取消通道,终止合作,保证资金安全。 2.3支付通道余额更新 既然Alice和Bob已经创建了支付通道,如果他们想要执行相互转账,还需要什么? 下面是待办事项列表:当他们同意启动一个交易时,他们应该首先共同建立另一组承诺交易来代替前一组,然后更新交易内容中的余额信息。 但是另一个问题出现了:之前的承诺交易仍然存在,并且双方都交换了签名。我们如何删除它? 我们确实有一个非常巧妙的解决方案。当双方创建一个新的承诺交易时,我们需要发起者的签名来对应一个新的私钥(我们不妨将其称为Alice3/Bob3)。在这种情况下,只要Alice告诉Bob关于她之前的私钥Alice2, Bob就可以将之前的交易修改为一个新的惩罚性交易,该交易的输出可以向他/她自己的交易输出,并且取消了序列限制。然后,如果Alice私下签署了承诺交易,Bob可以广播修改后的交易,通过造成Alice的金钱损失来执行惩罚。因此,一旦Alice告诉Bob关于Alice2的信息,她就声明之前的承诺交易被丢弃。鲍勃也是如此。 有点复杂,不是吗?不用麻烦了。让我们得出一个容易理解的结论:当交易余额需要更新时,双方可以建立一个新的承诺交易,以确保双方都不能单方面篡改资金余额来谋取利润。 在这一点上,我相信你的疑虑已经很大程度上解决了。关联交易的建立可以在构建、关闭和改变支付通道余额的过程中实现,即使双方并不需要花费太多的相互信任。因此,链下支付通道完全可以是无需信任的。 3.闪电网络中的节点路由 3.1为什么需要? 支付通道的建立,确保任何一方都可以创建一组Off-Chain账户,记录交易余额的变化,并在无信任框架下实现交易。 然而,仍然有一个问题需要解决。我们知道频繁小额支付,当事人并不总是固定的。这是否意味着任何两个个人必须在他们之间建立这样的支付通道,随时为他们所需要的支付或转让喃?绝对不是!如上所述,支付通道的建立和关闭都是通过链上交易来实现的。如果我们的闪电网络用户在每次付款前都必须与他们的之前同一人建立一个支付通道,那么这个解决方案将与链上交易完全没有区别。这显然是荒谬的!因此,为了解决这个问题,我们需要建立一个不同支付通道之间的路由机制。 例如,假设Alice与Bob建立了一个支付通道,Bob也与他的朋友Kevin共享了一个支付通道。如果爱丽丝想把一笔钱转给凯文,鲍勃现在可以代管了。我们不再需要建立额外的支付通道,因为“Alice→Bob→Kevin”路径可以实现支付行为。 3.2支付通道路由和HTLC交易 顾名思义,HTLC或散列时间锁定契约是指由散列值和过期参数锁定的契约。 厌倦了这些极其复杂的技术解释?下面是另一个简单的真实例子。 在上面的例子中,我们找到了一个路由路径“Alice→Bob→Kevin”。让我们继续假设Alice需要支付Kevin 1 BTC。 首先,Bob做了一个保管箱,存入1BTC,交给Kevin。爱丽丝也做了同样的事情,做了一个类似的盒子,把它1BTC放在盒子里,交给鲍勃。两个盒子的密码是一样的,需要Kevin提供凯文给出密码后,它将对任何人开放。 在交易处理过程中,Kevin打开Bob的box,通过提供密码获得1BTC。当Bob知道密码后,他可以对Alice的盒子做同样的操作,得到另一个1BTC。 我们注意到Bob实际上在这个交易中充当了一个中介的角色,他使Alice→Kevin交易得以实现。因此,从理论上讲,Bob收取佣金是合理的,因为他匹配了两者之间的交易。这当然很容易实现。例如,他只能从盒子里的1BTC中存入0.99BTC,剩下的0.01BTC作为他这笔交易的小额佣金。 这个比喻可能不会在现实生活中完全发生,但可以大致解释HTLC的原理。正如我们所看到的,HTLC也是无需信任的。这意味着,我们可以放心地通过众多RSMC和HTLC合同的庞大网络,支持区块链以外的高频小额支付,而无需担心资金的安全性。 4. 闪电网络与LBTC:扩容之争 4.1关于闪电网络的一些言论 必须说,闪电网络是如此有才华和成功的想法,它至少已经在大规模实施的道路上。整个比特币社区都在密切关注它的实施,比特币内部的交易也证明了其生命力。 然而,目前的闪电网络在实际应用中离大规模应用还很远。在闪电网络中也可能存在一些非常值得关注的问题或方面: 1)闪电网络对基础设施的要求非常高。由于它将自己定位为一个高频小额支付的生态系统,因此必须有支持设备和软件应用程序来支持网络所需的算法。但是如果你仔细观察和检查当前的情况,你会发现能够支持网络的钱包大部分是中心化的,而不是真正的去中心化的钱包。然而,要让去中心化的钱包完全被普通用户接受,并受到他们的欢迎,还有很长的路要走。在这样的背景下,闪电网络的作用很容易受到质疑。 2)闪电网络作为一种链下支付工具,对中介机构和交易双方的要求远远高于链上个体。它特别要求中介机构在交易双方都在线的情况下进行操作,并提供签名和构建RSMC和HTLC交易。这种模式对中介机构构成了挑战,如果中介机构的能力薄弱,规模不够大,它们将完全无法生存。相反,链上交易对中介和节点的要求并不高,你甚至不必太担心,因为新推出的比特币交易将被传输到P2P网络,等待打包,然后循环往复。 从表中可以看出,现在闪电网络生态的繁荣 http://explorer.acinq.co/ 虽然我们已经看到了闪电网络的一些弱点,但必须指出的是,它的一些闪亮的优点,如交易速度快和低廉的手续费必须得到肯定。此外,由于闪电网络的链下解决方案,许多其他方面的优点,如交易隐私保护也变得触手可及。 4.2深入闪电网络内部冲突 闪电网络确实引发了很多争议,其中最引人注目的是它重新鼓励了中心化的组织,然而,这正是比特币从一开始就反对的。 正如我们之前所讨论的,闪电网络需要依赖一些中间节点来匹配网络内部的交易方。这些中介机构(以下简称中心)需要持续不断地提供在线服务,满足客户需求并将其匹配到交易中,维护相当数量的支付通道,以及预留足够的BTC来满足流通性需求。当闪电网络出现时,整个网络将不可避免地需要一些大规模和优秀的服务中介来匹配交易。 从表中看,节点越来越中心化(Hub) http://bitcoinvisuals.com/Lightning Hub作为一个结算中心,甚至在信用风险的情况下,也可以提供与传统银行类似的金融服务,比如为机构客户和个人客户提供预付款、交易结算、临时贷款,甚至是长期按揭服务。唯一的区别在于它是以比特币的形式存在的。在这个过程中,比特币已经退化为闪电网络中的结算工具,逐渐失去了它的货币属性,就像今天金融体系中的贵金属一样。 更夸张地说,Hub在比特币分配结算中的作用及其庞大的资金规模,可能会导致监管部门对Hub的强监管。这些金融中介有朝一日将逐步成为高度专业化、持牌经营的金融机构,相应的监管部门也将为企业或个人设立较高的使用门槛。在许多方面这些大型枢纽机构可能被纳入监管体系,如BTC的流动性资产持有,法定准备金率,信贷客户和管理资产和负债率,这些词就如同现有的银行领域的监管体系。 那么,比特币创造者从一开始就对这些中心机构和银行发表冷冰冰的评论和冷眼旁观,它们之间有什么不同呢? 更可怕的是,闪电网络可能直接催生以比特币为结算媒介的在线金融机构体系,尤其是在比特币的货币属性不那么受大众欢迎的情况下,会加强托管对比特币交易的影响。这实际上是相当可怕的。 4.3闪电比特币作为比特币可扩展性的另一种选择? 作为闪电比特币(Lightning Bitcoin, LBTC)的一个谦虚的支持者,我有必要介绍一下LBTC关于可扩展性的一些想法。 在可扩展性问题上,LBTC采取了一种非常另类的方式:它既没有像Lightning Network那样完全依靠线下代管来解决高频小额支付的问题,也没有像BCH那样继续致力于通过扩展区块容量来提高TPS。LBTC认为,链下扩容违背了去中心化的原则,在POW机制下,只强调扩展区块容量,无异于在伤口上贴了一个创可贴。 BCH坚持不懈地扩大区块大小,以提高TPS。这个想法在理论上当然是可行的。但这一增长的边际效益非常低,因为当BCH将区块容量增加数十倍时,去中心化程度也将受到很大威胁。 一些POW原教旨主义者可能怀疑LBTC采用的基于UTXO的DPOS机制不够去中心化。我想说的是,如果BCH的TPS可以达到LBTC的一个零头,那么它的去中心化程度肯定会降低到甚至低于DPOS的程度。如果BCH保持与DPOS相同的去中心化程度,其TPS必将远远落后于LBTC。 其原因是巨大的区块在P2P网络中难以传输,使得POW矿工生态地收敛,导致去中心化的崩溃。如果网络能够承受BTC从1M增加到2M,那么进一步从2M增加到128M将几乎把整个生态系统置于崩溃的边缘。 我并不是真的想尝试BCH。BCH的价值在于,它确实聚集了相当多的计算能力,但它可能过于依赖这些计算能力。在可扩展性方面,我认为只有Lightning Network和LBTC才能进入这个领域。但想必他们每个人都会在各自的领域取得成功。 4.4如果您还不了解LBTC的话。 事实上,这篇文章并不是为LBTC做广告的(因为我声称我是它的粉丝)。毕竟,它的影响力和知名度远远低于BCH和Lightning Network。但是,考虑到许多人可能对LBTC(闪电比特币)和闪电网络的概念感到困惑,我仍然需要在这里简要介绍一下。 LBTC确实与Lightning Network有一个类似的名称,但它与它没有任何关系。根据LBTC团队的说法,这个名字最初是用来展示LBTC交易的快速确认速度,以及进入高频小额支付应用的愿景。所以,如果你之前确实混淆了,下次尽量避免把LBTC和Lightning Network混在一起。 LBTC创造性地采用了基于UTXO的DPOS机制。它的团队认为UTXO非常健壮,所以不想放弃比特币的本质设计UTXO。LBTC的DPOS有一个固定的块时间,目前大约是3秒。LBTC认为,这样的共识机制不仅可以保持一定程度的分权,而且可以达到POW完全无法达到的高速和高效率。就我个人而言,我认为LBTC可以作为一个超精简版的比特币,而基于UTXO的DPOS并不常见。一个有趣的尝试。 中本聪在比特币白皮书中明确指出,比特币是一种点对点的电子现金系统。LBTC团队认为,实现这一愿景的最佳途径是在效率和比特币稳健性之间取得平衡,使边际效益最大化,效率显著提高。这主意不错。所以,请原谅我在这里用BCH作为反例。我只是尽可能坦率地表示,这并不是真正解决比特币可扩展性问题的办法。
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