2项目背景

2.1 加密货币现状

据不完全统计,目前在各大交易所上市的加密货币已经超过1600种,而仅仅9年前,世界上第一种加密货币——比特币的概念才刚刚由中本聪提出。这些加密货币中有为了解决比特币的而出现的竞争币(如莱特币),也有基于区块链技术诞生的应用平台代币(如以太坊,以及基于以太坊开发的DApp生成的各种Token),还有基于侧链等新技术的币种。可以说,加密货币的繁荣很大程度上反映了技术界以及全社会对区块链技术的认可和期待。

然而,加密货币目前的应用场景却十分有限。由于种类繁多、币值不稳定,加密货币主要的交易都来自于币币交易以及法币兑换,相比流通货币而言,现在的加密货币更像是一种投资标的。毫无疑问,火热的投资市场让区块链技术为大众所熟知,这是有利于加密货币发展的,但这不会是未来的发展方向。加密货币终究要回归流通货币的本质,只有人们开始使用加密货币消费、商家使用加密货币结算,整个社会慢慢迁移到加密货币的流通体系上来,才能实现加密货币的最大价值。

加密货币的应用场景受到限制固然有社会各界认知不全面、传统利益集团阻碍等外部因素,但也有加密货币技术不完善、社区技术方案分歧较大等内部因素。而作为全球加密货币基石的比特币,也因其设计容量不足、处理速度慢、匿名性日渐降低等问题,基本无法作为流通货币使用,与大众的日常生活更是几乎没有关联。

2.2 小微支付难题——以比特币为例

一种合格的流通货币应该具备小额、即时支付能力,相比现金,数字货币在这方面有先天的优势。然而在主网(mainnet)已经成功运行了9年的今天,主流加密货币却逐渐丧失了迅速处理小额支付的能力,变成了一种价值符号和大额资产转移的通道,一如当年的黄金。小微支付之所以会成为比特币的一大难题,是因为为了确保分布式记账系统的一致性和稳定性,比特币在架构设计上对效率做出了牺牲。

比特币设计之初,为了确保交易的不可撤销性、提升恶意结点的攻击成本,引入了一种分布式记账系统。它将数据封装打包后用链表结构承载,并通过一种叫做「工作量证明」(Proof of Work, PoW)的机制保障全网的计算结点都自发一致地维护唯一的账目记录。而对于链条上每一个称作「区块」(Block)的数据包,引入了非对称加密算法,确保其中记录的每一笔交易都不可更改。这就是我们今天熟知的「区块链」(Blockchain)技术。

区块链技术现在已经成为各大巨头公司乃至各国政府都积极研究发展的前沿技术,价值潜力巨大,而比特币由于其货币属性,对自身区块链的能力进行了比较大的限制。一方面,为了保障系统的安全稳定和存储效率,比特币的区块大小被限制在1MB以内;另一方面,为了平衡矿工的收益,系统设计了一种动态难度机制,将系统的区块产出速度稳定在约10分钟/个;而每笔交易的平均大小为226B。这些因素导致了比特币网络处理交易的速度是大致不变的,约为7笔/秒,而实际的交易大小往往能够达到500B,这时候系统处理能力下降为3笔/秒。随着比特币交易量的不断增长,比特币主网拥堵的情况也日益严重,下图为撰文时(2018年01月16日)从blockchain.info截取的实时数据

可以看出全网平均每秒产生的交易笔数高达81.47笔,是处理速度的11倍多,而等待确认的交易数量超过了18万笔!即使立即停止所有交易,系统也需要6个小时以上才能处理完这些交易,可见比特币主网已经异常拥堵。

比特币主网的拥堵进一步加剧了小额支付到账延迟的情况。由于比特币转账手续费是固额收取而非按比例收取,小额支付者愿意付出的手续费无法跟大额支付者抗衡,而矿工会优先记录手续费高的交易以获取更高的收益,因此小额支付的记账优先级总是低于大额支付。事实上,目前一部分小额支付可能需要第二天才能到账。也就是说,如果你去星巴克买一杯拿铁,并直接使用比特币支付,那么运气不好的话,很可能坐到咖啡店关门的时候你还没喝到那杯拿铁。

另外,比特币系统还对过小的支付金额做了限制。因为主网的不堪重负,比特币核心团队在2013年提交了一个功能来禁止一定金额以下的比特币交易,这被称为「除尘补丁」。目前这个灰尘阈值(dust threshold)是546聪(5.46μBTC),对应币值峰值时约为14美分,而低于这个阈值的转账将会被直接丢弃(官方原文:won't be relayed, won't be mined)。鉴于全世界不同地区的物价水平不同,低于14美分的交易在实际生活中并不少见,而这些交易在比特币系统中属于不被支持的「不经济交易」(uneconomic dust)。

除了延迟到账问题,高昂的手续费也使得小额交易失去了意义。去年12月比特币的交易手续费一度达到1000聪/字节,按照226字节的交易大小和1 BTC≈15000 USD的时价来计算,一笔交易所需的手续费已经高达30美元,这不是一笔小额消费能够承受的手续费金额。

我们可以得出结论,比特币网络在处理小微支付时无法满足其小金额、低延迟、低手续费的固有要求,甚至可能把较小的支付金额直接过滤掉,这导致比特币无法将应用场景拓展到日常生活消费中来,极大的限制了加密货币的发展。

2.3 比特币的曙光——闪电网络(Lightning Network)

从2015年比特币维护者加文.安德烈森(Gavin Andresen)指出主网扩容的迫切性以来,比特币核心团队和整个社区都在争论什么方案才是比特币的未来。其中一派的主要意见为直接扩大区块的容量(2MB、8MB甚至不设上限),而这将不可避免地导致比特币硬分叉,进而严重影响当前格局的稳定性;另一派主张保留1MB的区块大小,通过链外的方式更长久地解决容量和延展性问题,而且这种方式有可能通过软分叉就能解决。经过激烈的博弈,原定于2017年11月(区块高度494,784)的SegWit2x硬分叉计划终止,而3个月前成功激活的隔离见证作为软分叉解决方案被固定了下来,比特币最终选择了一条平稳而长远的道路。

隔离见证(SegWit)的原理是将区块中用于验证交易的见证信息(占交易容量的40%左右)在区块中的存储方式进行了调整,使得结点验证区块大小时不计算这部分内容,从而使得在逻辑上保持1MB容量限制的同时,达到在实际上增加区块空间到约2MB的效果。隔离见证的另一个重要意义是解决了「交易延展性」(Transaction Malleability)问题,即一笔交易的ID(TxID)有可能在最终确认前被第三方改变的问题。交易延展性虽然不会造成系统性的恶果,但是它的解决为比特币最受期待的升级方案铺平了道路——闪电网络。

闪电网络(Lightning Network)可以说是万众期待的比特币网络「第二层」升级,是比特币网络的升维操作。它的基本逻辑由两个智能合约(RSMC和HTLC)构成,在保证链上支付一样的安全性的同时,巧妙地实现了比特币支付的链外运行。闪电网络在解决比特币困境上具有以下优点:

  • 资金安全:用户可随时关闭交易通道并申请提现,这一过程由智能合约保证;

  • 快速交易:交易双方只需在打开通道和关闭通道时各提交一笔主网交易,期间双方在通道中的所有交易在链外进行,每一笔交易无论金额大小都能在毫秒级时间完成,系统处理速度可达每秒几百万笔;

  • 低手续费:主网依赖专业矿工组织通过大规模计算进行交易维护,而闪电网络中的每个结点都可以作为交易传递链路,这种传递是全自动、极低成本的,因此只需非常少量的手续费,交易就能急速地在闪电网络中传递。

  • 隐私保护:由于通道内的交易不会记录到主网,而传导链路上的每个结点只能获知它的上下游结点信息和金额信息,无法掌握交易全貌(如发起人、支付人、交易总金额),这使得交易双方的隐私得到了极大的保障。

另一方面,闪电网络目前还停留在方案实现阶段,距离闪大规模部署和使用还有一段距离。结合小微支付场景来看,目前闪电网络还存在如下课题:

  • 跨链通道:需要更多的主链对闪电网络加入支持;

  • 智能路由:支付通道的限额由通道链路上最小的一环决定,每笔交易都需要寻找一条限额高于自身金额的通路才能到达收款方;

  • 完全匿名:需要借助额外的加密协议来实现;

  • 轻结点:闪电网络设计中要求每一个结点都运行一个比特币网络全结点,这无疑极大的限制了闪电网络的应用场景,需要设计一种可以运行在移动设备上的轻结点才能适应日常支付场景的要求。

  • 中心化倾向:由于闪电网络支付通道的开启和关闭都要消耗一定手续费,而通道容量有大小,因此有出现中心化大结点的风险。可以通过对协议进行自定义实现来加入一些反馈调节等机制,从而依靠自适应算法维持一个健康的拓扑结构和去中心化的网络。LITEX就使用了双层网络的结构实现了复杂路由和网络健康程度的自我调节,从而最大限度地避免中心化风险。

闪电网络是目前最有前景的升级方案,已经有一些科技公司投入到了闪电网络基础技术和应用场景的探索中。随着半个多月前Blockstream宣布闪电网络RC1在主网测试成功,我们可以预见更多的团队将会加入到完善加密货币生态的行列中来。

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