闪电网络是一种比特币链下支付协议，目标是解决比特币的可扩展性问题。尽管闪电网络还处在早期发展阶段，但比特币支付网络闪电网络利用链下支付和“净额轧差”概念，有助于提高比特币交易效率，降低交易成本，一定程度上加强了比特币作为交易媒介的属性。
本文将分为三个部分，第一部分介绍闪电网络的市场现况，第二部分分析闪电网络的最新技术应用，第三部分则探讨闪电网络未来发展及瓶颈。
闪电网络的近期落地概况
节点、通道数量及BTC乘载量
2020年以来，闪电网络的节点数量、BTC承载量及通道数量相较2019年小幅增加。据BitcoinVisuals数据，目前闪电网络节点数量为6069个。节点数量在2020年经历了持续增长，2020年1月1月以来节点数量增加了23%。闪电网络通道数量2020年以来变动不大，截至2020年8月23日成长了6%，目前通道数量为33174个。BTC承载量从2020年1月的853.98枚上升到了目前2020年8月23日的1023.17枚，增幅为20%。
图1：闪电网络通道数量(左)与闪电网络节点数量(右)关系
值得注意的是，过去比特币币价和比特币承载量具有强负相关性。当比特币币价处在低档时，投资者的比特币在二级市场被套而无法变现，闪电网络通道成为投资者的一个比特币存放处；而比特币币价上涨时，投资者则会选择将比特币在二级市场变现，闪电网络中比特币承载量下降。但下图显示，2020年开始，闪电网络比特币承载量与比特币币价关系脱锚，无论币价上涨下跌，闪电网络中比特币承载量均稳定上涨。
图2：比特币USD币价(左)与BTC承载量(右)关系
应用
闪电网络应用目前还处于发展早期，但其即时性和低手续费吸引了支持闪电支付的应用，包含钱包、游戏、购物、加密资产兑换、餐饮、即时通讯等。据LightningNetworkStores的数据统计，目前有387家商户支持闪电网络支付，自2020年以来成长了17%。而市面上共有30款加密钱包支持闪电网络支付。比如，7月初，传统加密钱包Electrum宣布新版本支持闪电网络、瞭望塔及潜交换等功能。
图3：支持闪电网络支付商户数量成长图
闪电网络技术开发
目前闪电网络被视为去中心化且无须许可的比特币链下支付网络，主要功能有三个：第一，提升比特币网络扩展性。闪电网络设计了RSMC和HTLC机制，提供在链下进行点对点小额交易的能力，既缓解了比特币链上的压力，又为用户提供了便捷的支付方式。第二，降低交易时间和资金成本。闪电网络点对点的交易模式下，交易双方只需签署双方均认可的交易协议就可以提交，双方均在线的情况下实时就可达成。通道的持续时长不受限制，用户可在通道内反复交易，在交易结束后再将资金分配状态广播到主链确认资金分配。闪电网络路由手续费极低，约为主链交易手续费1%-20%。第三，扩大比特币生态。比特币生态一直未能发展出像以太坊的去中心化应用生态，应用场景始终局限于支付及价值存储。闪电网络可以贡献更多元的应用场景，为扩展比特币生态做出一个正向的循环。
去年，开发者社群开展了许多闪电网络的扩展技术及相关服务来解决应用痛点，包含瞭望塔、潜交换、原子多路径支付及中微子协议等。这不但解决了数据隐私问题，也提升了可用性。2020年闪电网络有三个技术及应用的进展：节点身份验证、数据传输网络及比特币衍生品，提升了上层应用开发的基础。
节点身份验证
提升闪电网络支付稳定性的一个重要因素就是节点身份认证。当节点创立支付通道时，用户可以看到这个节点过往的相关资讯，而这些资讯与节点在现实世界的身份完全脱钩，并且节点无需信任第三方来管理这些身份。传统平台的情况下，当用户进行线上支付或网站访问时，时常需要提交电子邮件信箱、信用卡资讯、帐号密码等多项个人数据，等同于被迫承担数据外泄的风险。而闪电网络上的身份具备自主权，可以随意进入和离开。开发者可以在不提供个人信息的情况下，在平台上开发营利性工具及应用。
目前闪电网络通过两种方式来做节点身份认证。第一，公开信誉分数。闪电网络根据各种公开变量计算路由节点的信誉分。这个分数能够让闪电网络用户参考并分配他们的流动性以获得最大利润。第二，闪电网络认证协议(LSAT)。LSAT是LightningLabs推出的身份认证协议，兼具网上身份及支付收据的功用。这些收据称为Macaroons，是一种API凭证标准。当用户试图访问需要付款的资源时，LSAT通过HTTP提供服务，同时提供闪电网络收据。用户通过闪电网络支付收据后便可享用服务而无须输入用户名及密码。同时，收据是经过加密验证的，服务企业或平台不会清楚支付者的真实身份，能够为终端使用者提供了更多的隐私。
LSAT相较传统HTTP身份认证有几个好处：第一，良好的灵活性。用户除了可以建立一个设有到期期限的访问权限外，还可以以计量付款的方式来购买服务。用户还可以将自身LSAT拆分出售，或是授权给其他节点使用。LSAT是介于订阅制及一次性付费制的一种订价模式，更为灵活且合理。第二，永续性。如果HTTP网路使用LSAT作为使用者登入的API接口，用户可以通过闪电网络支付，并利用LSAT作为付款凭证在网络上购物，如购买电子书内容或视频。用户不用将它下载至本地或再次购买，只需未来登录服务器并重新检索即可。服务器可以通过LSAT得知用户的永续登录权限，也可以得知产品是否被转移至其他节点使用。LSAT对服务提供商来说将是一项重要的基础建设，并且对传统互联网上提供服务的订价模型及支付逻辑都将有创新性的改变。同时，LSAT可能将会对现有的数据服务拆分所有权的付费方式有长远的影响，而这些资金流都将通过闪电网络实现，有助于闪电网络生态的扩展。
数据传输
闪电网络的路由结构有三个特点：第一，闪电网络使用洋葱路由保护交易双方在交易数据传输过程中的隐私不被监控。洋葱路由的基本逻辑是利用多个节点传送讯息，并且通过密码学保证每个节点仅可获得局部资讯，无法得知全局资讯。第二，闪电网络具有由节点组成的路由回路，可以允许支付及数据传输。第三，2020年闪电网络的版本更新。闪电网络允许用户将一定量的数据附加到一笔支付上，且可以利用Keysend付款，节点无需每次交易生成Invoice便可完成收款。综合以上三点可以发现，闪电网络除了可以做高频小额的比特币支付外，也有发展数据网络的潜力。目前闪电网络数据传输技术尚在早期，开发者对用户发送内容的容量大小及形式均有限制。以Sphinx.chat为例，用户只能上传不超过30MB的文字或多媒体内容。
传统的加密讯息传递是通过中心化机构将双方消息加密，除了第三方机构可信程度的问题，还存在单点故障的风险。而闪电网络作为数据传输平台有三个优势：第一，隐私性。闪电网络通过隐藏传输信息保护网络不受中继节点的相关攻击。第二，去中心化。闪电网络消息的传递藉由数千个节点进行通讯传递。用户可以通过与收件人之间建立直接通道发送消息，无需通过任何中间机构。第三，闪电网络具有激励机制。激励机制很大一部分是生态维系的关键，闪电网络节点默认中继节点可以向用户收取手续费以维持生态的扩展。
闪电网络上的通信应用逐渐落地，如Whatsat、Sphinx.Chat、Shockwallet和Juggernaut等。传统中心化机构Telegram或Whatsapp已经证明了从通讯发展至微支付市场的可行性，利用通信软件的社群网络来建立货币网络效应。而闪电网络则是利用比特币的全球通用性，尝试开发一个开放、互操作性高且隐私程度高的通信数据层。
比特币衍生品
DeFi产品和协议通过将金融交互的规则以代码写入无需许可的区块链而实现。因此几乎所有目前的DeFi项目都是利用智能合约功能在以太坊上开发。而比特币虽然是加密市场流动性最高的加密货币，但其主链并无支持智能合约，因此比特币金融上的衍生功能始终难以扩大生态。目前比特币有三种方法可以实现去中心化金融：第一，利用去中心化交易所的链上托管及跨链原子交换功能进行去中心化金融服务。第二，利用侧链发行Token并双向锚定比特币。第三，利用比特币主链构建的中间层通道，如闪电网络。闪电网络许多开发团队正在尝试创造与实体资产挂钩的比特币衍生品。而让比特币衍生品上线闪电网络的方式为DiscreetLogContracts(DLC)，由麻省理工学院数字货币计划提出。DLC是一种能将外部讯息引入比特币网路的方法，能够将类似智能合约的功能与闪电网路相结合。DLC实现具体有三个步骤：首先，交易双方协定注的内容并向支付通道中抵押一笔注的资金，资金由2-of-2双方签名锁定。接着，双方在链下各自发起交易并由对方签名，指明了双方获得注金额的条件，条件成立与否由预言机判定。最后，预言机广播结果，条件成立的交易方可以完成签名并取回资金关闭通道。
DLC有几个好处：第一，灵活性高。利用DLC和闪电网络可以让这些金融衍生品合约和预测市场能够基于比特币创建。第二，DLC利用Schnorr签名隐藏预言机的合约细节，确保预言机无法更改合约的输出，且能够保证用户隐私。第三，可扩展性强，大部分的交易数据不必存储在比特币主链上。但是目前DLC和闪电网络结合的实施层面上有许多缺陷，其主要的关键在于预言机的可信程度。预言机涉及真实世界资讯与区块链的连结，如果外界资讯以不受审查的方式进入，将有真实数据不可信的问题。而如果将预言机交由第三方托管，则抗审查能力受到限制。除此之外，闪电网络尚未经过严重的安全性考验，通道的安全程度是否能承载大额资金尚未可知。
闪电网络应用发展及瓶颈
应用发展
随着闪电网络节点量及通道数逐渐上升，2020年开始，支持闪电网络的应用也有不少进展。加密货币交易所Bitfinex宣布对闪电网络上的出入金业务提供支持，多个闪电网络钱包和商户合作也有所进展。
在闪电网络传统支付功能上，高效支付和低手续费的特性为用户提供更友善的比特币购物体验。许多网上商户开始支持闪电网络支付，如Bitrefill、Paid.co及CoinMall等。此外，传统电商也开始支持基于闪电网络的电子商务平台，如Nanopos、Amazon、Starbucks等。在闪电网络游戏上，Donnerlab发布了一款在线的射击游戏，玩家可以通过掉落物品、对其他玩家击杀后得到的赏金和其他任务来收集比特币。游戏的后端完全运行在闪电网络上，且该游戏娱乐性相当高。未来闪电网络有潜力作为游戏运行的平台，并利用比特币作为激励工具，开展整个游戏生态。除此之外，闪电网络之上还活跃着大量其他应用，如小费支付、广告，甚至还有嵌入硬件的一些试验。
瓶颈
虽然闪电网络应用持续进展，但目前尚有三个瓶颈未克服。
节点与资金集中
由于闪电网络开关通道费用的设计，用户多开一个通道就多一笔开关通道费，且各节点的服务高度同质化，不同之处主要是连接其他节点数量多寡。因此，用户倾向找一个较多连接其他节点的节点，这样不仅交易较容易成功，所需支付的通道费也越低。从经济层面考虑，中心化超级节点是用户较为理想的选择。但超级节点也导致资金集中的问题，据统计数据表示，闪电网络从2018年至2019年中资金分布并不均衡:10%的节点承载了80%的资金，而50%的节点持有了99%的资金。集中化的节点也会造成路由路径缩短，虽然能够提升交易效率，但也导致隐私及单点故障问题。
网络安全及稳定性
闪电网络节点之间由多个首尾相连的支付通道串联起来形成的支付路径，并通过哈希时间锁定合同进行条件支付。HTLC允许参与者通过无信任的中间节点来付款，以确保他们中的任何一个都不会窃取资金。如果中间节点试图窃取资金，则另一方可以在有限的时间内将交易广播至区块链以索取资金。
攻击者可以通过同时创立源节点及目标节点(交易双方)，来窃取中间节点的资金。假设Bob设立两个节点意图窃取中间节点Carol资金，Bob会向Carol提供原像R，以获得Carol资金。并且，Bob会在Carol向同样是Bob设立的源节点提供R并试图获取资金时，直接关闭通道拒绝交易，迫使Carol需要在一定的时间内将交易广播至区块链索要资金。而当Bob向多条路径同时发起攻击时，将会有大量中间节点向比特币主链索要资金，区块链将会拥塞。Bob便可利用区块链拥塞来窃取在截止日期之前未领取的资金，完成攻击。希伯来大学工程与计算机科学学院的副教授AvivZohar论文模拟指出，即使向受害者的拥塞的交易分配了区块中所有可用空间，目前攻击者只需同时发起85个通道攻击便可以成功窃取资金。
图4：HTLC攻击示意图
除此之外，通过闪电网络支付的成功率会随着金额的增加而逐渐下滑，平均的支付成功率只有50%左右，稳定性并不高。
路由可扩展性
闪电网络为高隐私性而实行洋葱路由。在洋葱路由下，每个节点只知道前后两个节点的地址，没法重新还原整条链或确定收款人的身份，中间方只在掌握须知信息的基础上进行传输。实际操作中的问题在于，无法得知究竟哪个节点在线，哪个节点能连通到目的用户。一旦中间有节点发送失败，发起交易的用户除了要重新发送交易以外，还要从起始节点开始重新计算费率，导致时间浪费及用户体验下降。当网络规模扩大后，全网节点的连接信息和可支付金额信息如何实时更新会成为一大挑战，且路径余额分配的选择等等都会带来扩展性问题并制约闪电网络的发展。
闪电网络从技术角度设计和实现仍处于相对早期的阶段，今年c-lightning发布的新版本中也支持了大通道支付，移除了0.16个BTC的付款上限，为闪电网络未来金融应用提供了有力的基础。未来的技术发展重心将聚焦在支付网络的稳定性、隐私性及可用性，逐渐向主流金融行业及企业应用发展。
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