ICE:閃電網絡：詳解比特幣Layer2擴容方案

什么是閃電網絡?(Lightning Network)

閃電網絡是比特幣最具討論度的Layer2擴容方案之一，其背后的主要思想是設計一種支付協議，可用于比特幣所面臨可擴展性問題的鏈下解決方案。

究竟比特幣面對的問題是什么？閃電網絡又要解決什么問題?

以比特幣的交易速度來說，每秒只能處理2~7筆交易，想像一下用比特幣進行支付，就像需要去銀行排隊轉帳一樣，一但交易量暴增，銀行很難處理？這種支付方式明顯難以接受。

而閃電網絡就像行動支付，你可以把一部分的錢存到行動支付，與任何支援的商家或個人快速地進行轉帳。

某一天夜深人靜，阿平跟阿菜兩人無聊，決定比賽，用行動支付互相轉帳，每筆只轉一塊錢，看誰轉的比較多。

如果是傳統的銀行模式，兩人可能排隊排一夜只能玩個幾次，還需要花手續費，根本沒辦法玩。

透過行動支付一個晚上下來可以轉上千次，最終結果是阿菜比阿平手速快，一塊險勝。

而結算時行動支付會替他們去銀行排隊，然后跟柜臺說 : “阿平帳戶馀余額-1，阿菜帳戶余額+1”。讀到這就能大致了解閃電網絡解決方案的基本邏輯了。

重點來了，“閃電網絡”要如何運作才能保證資產能夠在無信任的前提之下進行交易，并保障交易能夠安全的回到比特幣主鏈上確認呢？

以下就來介紹幾項閃電網絡的關鍵技術的概念。

單向支付渠道

Coinbase：閃電網絡可以將比特幣擴展到\"每秒數百萬筆即時交易\":金色財經消息，BitcoinMagazine發推稱，Coinbase表示，閃電網絡可以將比特幣擴展到 \"每秒數百萬筆即時交易\"[2022/8/16 12:28:10]

單向支付渠道(One-Directional Payment Channel)

在閃電網絡出現之前，單向支付渠道的概念已經存在了一段時間了，但應用有限。

Alice向Bob開啟了一個單向支付渠道，在這渠道中Alice有10BTC，Alice可以向Bob支付鏈下交易，但這個渠道是單向的，也就是說Bob不能通過相同的渠道支付給Alice。

假如Bob在接收到1個比特幣后:

可以選擇關閉渠道，將交易廣播至主鏈，讓礦工做確認，即可從Alice那獲得1個比特幣。

或者，Bob知道日后Alice會繼續支付比特幣給他，選擇讓通道繼續開著。

問題來了，Bob擁有最后的簽名與廣播權，如果Bob是個無賴，讓通道一直開著，Alice就永遠沒辦法結算，10BTC就會被被綁架在這個支付渠道中。

所以一般而言，支付渠道都會搭配一個配套措施“時間鎖”。

時間鎖 CheckSequenceVerify（CSV）

所謂的時間鎖就是，在創建通道時會先約定好一個時間，時間一到，通道就必須強制關閉，有兩人簽名的交易將會上鏈做交易確認，沒有簽名的余額，會被返回給原持有人。

比特幣閃電網絡節點數量突破35,000個:2 月 26 日消息，據 1ml 最新數據顯示，比特幣閃電網絡節點數量已經突破 35,000 個，本文撰寫時為 35,009 個，過去 30 天增長率達到 4.1%。此外，比特幣當前網絡容量為 3,451.05 BTC，約合 135,848,827.22 美元；當前通道數量為 86,962 個，過去 30 天增長率為 1.3%。[2022/2/26 10:17:45]

Alice和Bob在創建時，約定好在1000個區塊后，通道必須關閉。

所以Bob必須要在時間到之前，簽名并廣播交易，才能拿到Alice給他的1個比特幣。

如果Bob遲遲不簽名廣播，一但約定時間到，Bob將一毛錢也拿不到。

雙向支付渠道

雙向支付渠道?(Bi-Directional Payment Channel)

單向支付渠道之所以簡單，是因為交易是單向的，只允許兩個人中的其中一個人發送交易，另一個人廣播交易，不會有信任問題，但應用場景相對有限。

由于單向渠道在應用上的不足，閃電網絡想要打造的是無信任的雙向支付渠道，讓渠道的雙方能夠自由進行交易。

那么閃電網絡要如何避免交易雙方產生信任問題，實現雙向支付渠道呢？

所謂的信任問題包括:

雙向支付渠道代表雙方都必須有部分資金在渠道，那資產會不會消失?

閃電網絡節點數量已達14765個:金色財經報道，據1ML.com數據，目前，支撐網絡的節點數量達到14765個，相較30天前數據，環比上漲3.75%；通道數量為35629，相較30天前數據，環比下降0.4%；閃電網絡承載能力目前為1049.93BTC，約合1975.11萬美元。[2020/11/21 21:36:31]

如何保證最終結算不會有誤?

支付渠道是P2P網絡，沒有驗證機制，誰來保護帳本?

單向支付渠道透過時間鎖解決無法順利結算的問題，為了擴大應用場景的雙向支付渠道。

我們要介紹的是若要做到雙向支付渠道所需的技術同時也是閃電網絡的核心技術，RSMC以及HTLCs。

RSMC可撤銷順序成熟度合約

RSMC可撤銷順序成熟度合約(Revocable Sequence Maturity Contract)

RSMC 其實就是資金池，打開支付渠道時，雙方將資產放入這個資金池中，封起來各自用一把鑰匙鎖上，交易時不會真的動用到該筆資金，而是用合約的方式紀錄兩人在資金池裡的剩馀資產，等到關閉通道時，才會打開這個資金池做結算。

雙向支付通道如何運作？

從頭到尾，涉及的雙方只需要與比特幣區塊鏈進行兩次互動。

閃電網絡節點數量已達13185個:金色財經報道，據1ML.com數據，目前，支撐網絡的節點數量達到13185個，相較30天前數據，環比上漲2.11%；通道數量為37464，相較30天前數據，環比上漲1.4%；閃電網絡承載能力目前為997.52BTC，約合949.71萬美元。[2020/7/24]

一次打開支付渠道而另一次是關閉渠道，在這之間發生的所有其他交易都不直接與主鏈接觸，這意味著，只有在雙方都同意并簽名的狀態下，交易才會被確認。

假設Alice和Bob打算頻繁進行交易，雙方同意開開雙向支付通道，并約定好在1000個區塊后強制結算。

Alice和Bob必須先在鏈上開啟一個多重簽名錢包，才能開開雙向支付通道。

此時雙方會各自生成一組Secret Key (鑰匙) 以及Hash (鎖頭)，Hash會交給對方，Secret Key自行保管。

在開放雙向支付渠道后，Alice和Bob每次支付都像簽一次合約，在簽新合約之前會廢棄掉舊合約，要注意的是當舊合約作廢的同時彼此將取得對方舊合約的Secret Key，而合約的內容就是關于如何重新分配資金池的資產。

Blockstream新推出閃電網絡應用程序解決閃電支付的小費問題:Blockstream發布公告宣布推出新應用Nanotip LApp。Nanipip LApp通過創建一個簡單的Web服務器，即時編寫閃電支付請求，解決了閃電支付小費支付的請求問題。它為每個內容提供商提供了他們自己的的支付機器人（tip-bot），但是這樣做的方式可以讓這些創作者完全控制消費致富，同時賦予他們比傳統比特幣支付小費更強的隱私。這是Blockstream推出的第三款閃電網絡應用程序。[2018/3/27]

共同簽名錢包裡的錢只能在三個條件下解鎖：

1.?鎖定時間到了

2.?任何一方通過對方的Secret Key從他們設置的多重簽名錢包中解鎖資金

3.?合約有雙方簽名，且其中一方廣播

要注意的是，如果一方決定關閉支付渠道并廣播交易，廣播的那一方將不得不等待到交易簽名時設置的預定時間到，才能收到他那部分的資金。

會不會有人作惡？

例如：閃電網絡中的其中一位參與者廣播對于自己有利的舊合約來進一步圖利，而非依照正常程序廣播最新的合約。

此時，上述的兩個值得注意的點就派上用場

當舊合約作廢的同時彼此將取得對方舊合約的Secret Key

如果一方決定關閉支付渠道并廣播交易，廣播的那一方將不得不等待到交易簽名時設置的預定時間才能收到他那部分的資金。

假如Alice企圖廣播舊合約惡意結算關閉通道，依照上述閃電網絡的機制，Bob與Alice都擁有對方舊合約的secret key，且Alice必須等到預定的時間到，才能拿到舊合約中Alice的那份BTC。

所以Alice只要廣播舊合約，Bob即可在Alice等待的時間中使用舊合約的secret key將Alice的那份BTC取走，這樣一來Alice不但沒有成功廣播對他有利的舊合約，還為他的惡意行為付出代價。

我們把雙向支付通道的運作方式全都說完了，接下來要介紹的是，雙向支付通道如何編織成為支付網絡。

支付網絡

現在，除了Alice和Bob之間有支付通道之外，Bob也和Carol開了支付通道。

Alice如果要向arol支付1個比特幣，該怎么做呢?

Alice可以選擇直接跟Carol，建立一個支付渠道，但是這樣做對Alice跟Carol來說，必須在主鏈上建立多重簽名錢包還要打幣，不僅麻煩而且又需要額外成本。

相信大家都想到解決方法了，Alice只要透過現有的支付通道，先把1BTC打給Bob，Bob在將1BTC打給Carol，這樣就可以在不用負擔額外成本的情況下完成交易了。

但是，這同時也存在幾個信任問題。

Bob不老實，拿了Alice的BTC之后私吞，不交給Carol。

Carol拿了錢，卻跟Alice說他沒拿到錢。

如何解決這部分的信任問題，就要仰賴閃電網絡的另一項核心技術“HTLCs”。

HTLCs哈希時間鎖合約 (Hash Time-Locked Contracts)

要解決上述的信任問題就必須做到兩點:

1.?Alice要確定Carol本人確實有收到比特幣

2.?必須確定Bob不會拿走這筆比特幣

這里又一個公鑰與私鑰的概念，HTLCs就是用同樣的概念下去延伸，我們把鑰匙想成私鑰，鎖頭就是公鑰。

假設Alice需要付給Carol1個BTC，收款方Carol會創建一個Value (鑰匙) 和對應的哈希值 (鎖頭)，然后把鎖頭交給Alice。

” 只要拿得出鑰匙就代表他是Carol “

” 只有Carol擁有鑰匙，換言之，只有Carol能夠打開鎖頭 “

在這個前提下，Alice和Bob提出一份合約，如果Bob在3天內（Lock time=3day），提供哈希值對應的Value，Alice就給Bob1.0001BTC，超過3天，BTC原路返回給Alice。

Carol也同樣跟Bob簽訂一個合約，只要Carol提供哈希值對應的Value，就必須給Carel 1BTC。

于是，Carol向Bob提供Value，從Bob那獲得了1BTC。

Bob將這個Value交給Alice，從Alice那獲得了1.0001BTC，這當中的價差0.0001BTC就給Bob作為手續費。

閃電網絡的優勢

閃電網絡致力于比特幣可擴展性問題的鏈下解決方案。

如果成功，可能會大幅減少比特幣區塊鏈的負載，增加比特幣的實際應用可能。

通過使用雙向支付渠道，閃電網絡可以實現近乎即時且極低成本的交易。

閃電網絡的局限性

與鏈上交易不同，如果接收方處于離線狀態，沒辦法做交易確認，無法進行支付。

網絡的參與者可能需要定期監控支付渠道，以保證他們的資金安全。

閃電網絡較難支援大額付款。

閃電網絡交易時有時需要仰賴中間人，舉個例子，閃電網絡中存在Alice、Bob和Carol三人，Alice要發送1BTC的交易給Carol ，這中間需要經過Bob。

如果Bob的余額不足1BTC ，這筆交易便無法順利完成，因此交易金額會受限于中間人的資產余額。

閃電網絡的實用性取決于網絡大小，若使用人數不足，閃電網絡便難以發揮其價值。

越多的人加入，閃電網絡才會更加健全且完善，流動性也才能隨之提升。

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