比特币最成熟的二层解决方案：闪电网络的一些技术点

2024-03-04 09:54 0 比特币

作者：胡飞瞳

闪电网络是比特币最成熟的二层解决方案，其理论探索和工程构建已经有接近10年的时间，虽然仍然存在不少弱点，但相对于其他比特币创新的二层解决方案而言，闪电网络不仅及in是最完善和最成熟，可能也会是其他二层解决方案的一个基础。本文就闪电网络的技术进行一个简单介绍，希望起到一点科普的作用。

引言

在当前比特币生态突然繁荣、各种创新和项目如雨后春笋般涌现的时候，来谈闪电网络似乎有些过时。但如果仔细分析比特币生态的各种创新，你也不得不承认，闪电网络在设计上和工程实践上都最为完善。闪电网络概念从2015年提出，2016年初白皮书完善并发布，2018年闪电网络诞生落地，并实现你1个BTC的链下转移支付，到2023年底闪电网络节点达到14000个以上，容量达到5000BTC左右。

针对比特币的低TPS，超长确认时间，以及网络拥堵等问题，闪电网络希望能够通过链下交易，并借助比特币自身网路的安全性来解决这三大问题，也就是要实现：

交易的即时性；
高吞吐量的交易；
降低交易费用

当然，对于当前比特币Layer 2 的一些其他方案，还希望解决一个比特币网络的另一个重要问题 - 图灵完备合约。这本身对于区块链技术而言不是一个大问题，因为这已经是成熟的技术，关键在于如何做到去中心化地比特币资产转移和确认，并且借助比特币网络的安全性。从这个方面来讲，还没有一个能够替代闪电网络（状态通道）的完善方案。

闪电网络的一些技术要点

闪电网络通过在比特币区块链之上创建一个支付通道网络来实现前文所述的三大目标。它主要包含以下一些技术要点：

支付通道（Payment Channels）：支付通道是闪电网络的核心概念。它允许两个用户在不必每次都在比特币主链上发起交易的情况下进行多次交易。用户首先在比特币区块链上创建一个多签名钱包，这个钱包需要两个用户的私钥来进行资金转移。然后，他们将一定数量的比特币存入这个钱包，这个存款交易在区块链上进行确认。
链下交易（Off-Chain Transactions）：一旦支付通道开启，双方可以在不与主链交互的情况下进行无限次数的链下交易。这些交易是通过签署新的交易来更新通道内资金的分配。这些交易记录代表了在关闭通道时应该如何分配资金，但在通道开放期间，这些交易不会被广播到比特币网络。
通道关闭（Channel Closing）：当任一方想要取回在通道中的资金时，他们可以关闭支付通道。这通过在比特币区块链上广播最终状态的交易来实现。一旦交易被确认，通道中的资金将根据最后一次链下交易的状态被分配给两方。
路由和多跳支付（Routing and Multi-hop Payments）：用户可以通过网络中其他用户的支付通道发送支付，即使他们没有直接的支付通道连接。这是通过路由支付通过一个或多个中间节点来实现的。每个中间节点收取微小的费用作为提供流动性的补偿。
Hash Time-Locked Contracts (HTLCs，哈希时间锁)：为了安全地进行多跳支付，闪电网络使用了HTLCs。这允许创建条件支付，只有在接收方提供支付预像（一个由发送方生成的随机数的哈希值）的证明时支付才能完成。这保证了沿途的每个节点只有在确保自己能收到支付的情况下才会转发支付。
网络容量和流动性：虽然闪电网络可以大大降低交易费用并提高速度，但它的性能也取决于网络的容量和流动性。每个通道的资金容量限制了可以通过该通道发送的最大支付量。此外，资金必须在网络中正确分布，以便支付可以找到有效的路径。
安全和隐私：闪电网络提高了隐私，因为不需要将所有交易记录在公共区块链上。然而，它也带来了新的安全考虑，例如需要用户定期在线以响应潜在的欺诈尝试。

闪电网络支付的基本过程

支付通道是闪电网络中最关键的组成部分，允许两个参与者在不必每次都广播到比特币主链的情况下进行多次交易。双方通过闪电网络进行多次交易的过程可以分为三步：1）开启支付通道；2）多次链下交易；3）关闭通道。以下是从技术角度对支付通道及相关概念的详细解释：

支付通道的建立基于多签钱包，这是一个需要多个私钥签名才能进行交易的特殊类型钱包。在闪电网络中，通常是两个参与方各持有一个私钥，共同控制这个钱包。多签钱包确保没有一方可以单独移动资金，只有当双方同意时才能进行交易。

开启支付通道：

资金存入：参与者共同创建一个多签钱包，并从各自的常规钱包向这个多签钱包发送比特币。这个交易在比特币主链上广播并确认，表明他们共同对这些资金有控制权。

交易记录：双方各自保留一份交易记录，记录当前的资金分配。这个交易不会广播到比特币网络，只在双方之间共享。

链下交易：

一旦通道建立，参与者可以进行无限次数的链下交易。

交易更新：每进行一次链下交易，双方就更新他们各自保存的最新交易记录，这个记录代表了在关闭通道时资金的最终分配方式。

私密性和速度：这些交易仅在双方之间进行，不需要比特币网络的确认，所以几乎是即时的，并且保持私密。

关闭通道：

广播最终状态：当任一方想要退出通道时，他们可以广播他们同意的最后一笔交易到比特币网络。

结算资金：这个交易一旦被网络确认，多签钱包中的资金将根据最后的交易记录被分配给两方。

支付通道和链下交易是闪电网络提高比特币交易速度和扩展性的关键技术。通过这种方式，只有在通道的建立和关闭时，交易才需要在比特币主链上进行确认，而通道一旦开启，参与者就可以进行无限次数的快速、低成本交易。

那么大家很自然地可以想到，资金的安全如何保证？因为资金只会在关闭通道的时候才回到各自的钱包，那么如果一方提前关闭通道，或者某方不愿意关闭通道，就不能实现一个期望的结算过程。

闪电网络的用户资金安全主要由如下两个机制来保障：

时间锁：为了防止欺诈（例如，一方尝试广播一个过时的交易以获取更多资金），支付通道通常包含时间锁定机制。如果一方尝试广播旧的交易，另一方有时间来反应并广播最新的状态。
监控：参与者需要定期监控网络，以确保对方没有尝试广播旧的交易。

基本过程例子和结算安全

我们以一个例子来看说明这个基本过程，在这个例子中，用户A和B希望通过闪电网络来进行多次交易。

第一步 - 建立支付通道：交易双方（例如，Alice和Bob）共同创建一个多签名（multisig）地址，并向该地址存入初始资金（比如，Alice存入5BTC，Bob存入3BTC）。这一初始交易在比特币主链上确认，标志着支付通道的建立。

第二步 - 双方进行链下交易：一旦支付通道建立，双方可以开始进行无限次数的链下交易，无需每次都在比特币主链上记录。对于每次链下交易，双方更新一个共同维护的平衡表，来反映当前的资金分配。例如，发生了三次交易：1）A转给B 1.0BTC；2）B转给A 0.5BTC；3）A再次转给B 0.2BTC。

在这些交易之后，根据平衡表，A总共转给B 0.7BTC，即 A：4.3BTC, B:3.7BTC

第三步：A 或 B 都可以发送这最后一个结果，A 转 B 0.7 BTC给多钱地址来关闭通道；

第四步：等待时间锁结束；在时间锁结束前，A 或 B 都可以发送更晚的双方签名的交易结果来防止任何一方不是发送的最终的交易结果来获利；

第五步：时间锁结束，关闭通道。多签地址处理最后的交易，并返回资金给 A 和 B；在这个例子中，A 将获得4.3BTC，B 将获得3.7BTC 。

为了防止不诚实方提交旧的状态，闪电网络鼓励用户保持在线或委托第三方监控服务（如“监控塔”）来监视网络中的不诚实行为。如果B发现A试图提交一个旧的状态，B可以使用他持有的包含A签名的最新状态作为证据，提交给网络以纠正并惩罚A的不诚实行为。

如果A提交了非最新状态，而B能够证明存在一个更新的状态，那么闪电网络协议允许B不仅收回自己的资金，还可能获得A的部分或全部资金作为惩罚。这种机制极大地增加了尝试欺诈的成本，从而保护了网络的诚实行为。

路由和多跳支付

前面讨论了两方通过支付通道（状态通道）来通过链下支付提高效率和吞吐量，建立交易费的过程。我们知道，不可能让有交易的用户都去建立支付通道，闪电网络可以通过路由和多跳支付来解决这个问题。这类似我们当前的网络系统，每个最终用户只需要数个自己认可的服务商（相当于网关）来建立状态通道，而这些服务商之间再建立起状态通道，这样形成一个网络，从而通过多跳支付来实现整个闪电网络中用户之间的任意交互和转账。

让我们通过一个简单的例子来说明闪电网络中的路由和多跳支付是如何工作的：假设有四个用户在闪电网络上：Alice（A）、Bob（B）、Carol（C）和Dave（D）。Alice有一个支付通道直接连接到Bob，Bob有一个通道连接到Carol，Carol又有一个通道连接到Dave。现在，Alice想要发送一笔支付给Dave，但她和Dave之间没有直接的支付通道。