作者:Magomed Aliev
时间:2021年9月13日
公众号:以太坊爱好者
闪电网络是一种去中心化的链下技术方案,可支持每秒上万笔交易并发,接近于 Visa 系统能做到的程度(举个例子)。而在当前的比特币(世界上最流行的密码学货币)区块链上,只能支持每秒处理约 7 笔事务,还要付出高昂的手续费,并等待很长时间来确认交易生效,这些因素都使得用比特币发送小额交易几乎不可能。而闪电网络把这两个问题都解决了。
引言
闪电网络是一种支付通道系统,与常见的多签名钱包没有任何区别。所谓开启通道,就是参与方创建一个多签名钱包,并向该钱包充入资金。这个钱包接收到的资金数量就成为这个通道的余额。再然后,参与方之间的后续交易就全部在区块链以外的环境中发生了。任一参与方都能随时关闭这个通道,这时候,最后一笔链下的交易(决定着该通道各参与方的余额)会被发送到区块链上,同时作废掉所有中间的交易,因为所有这些交易都使用同样的交易输出。结果是,我们只需一笔交易来开启通道、一笔交易来关闭通道,中间所有的中间交易都是即时收发的,无需记录在区块链上(因此无需等待)。
(译者注:比特币不是账户里面的余额,是一张张的支票;所有的支票都是由具体的某笔交易创造的;每一张支票都只用一次就会作废(也即只能用在一笔交易中)。交易可以任意分配所用支票的价值来生产任意数量的新支票。)
这样的通道所组成的网络使你可以向网络的另一个参与者发送资金,即使你们之间并无直接的通道。唯一的条件是你们之间要能形成一条 “路径”,即有通道能前后相接地把你和对方联系起来。此外,得益于特殊的智能合约(HTLC,哈希时间锁合约),你不需要信任网络中的任何人,合约会保证安全地交付你支付的资金。
要理解闪电网络是如何运行的,首先要理解的是支付通道的运行以及构成支付通道基础的 HTLC。这些话题都不小,所以我把文章分成了两部分,从解释支付通道的工作原理开始。
支付通道
如上所述,连接两个参与者的支付通道实质就是一个普通的多签名钱包。第一笔交易决定了一个通道的余额,我们称为 “充值事务” 或者 “锚点事务”。这笔交易需要广播到网络中并记录到区块链上,以表明通道开启。
做完了这一步之后,要更新通道双方的余额时,双方就需要手动交换签过名的 “承诺事务”。这些交易本身都是有效的,随时可以发送到比特币网络中,但双方都会暂时保存起来,不会广播出来,除非已准备关闭通道。如此一来,通道内双方的余额状态,一秒内变动几千次也没问题,更新的速度仅受限于双方创建、签名和向对方发送承诺事务的速度。
每次双方交换了一笔新的承诺事务,他们也就把通道的前一个状态作废掉;因此,只有最新的一笔承诺事务可以 “执行”。这样设计的目的是防止某一方欺诈对方,把一个过时的但对自己有利的状态发送到链上来关闭通道。下文我会讲解几种防止这种欺诈的机制。
最后,通道既可以双方一致同意关闭 —— 就是把一笔关闭事务(叫做 “结算事务”)发送到比特币网络中 —— 也可以单方决定关闭,就是把最后一笔承诺事务发送到网络中。这是为了防止某一方离线导致另一方在通道中的余额一直 “锁定” 的情形。
在通道存在的整个生命周期里,只有两笔事务被发到了比特币网络中并记录到了比特币区块链上(就是充值事务和结算事务)。在这两笔事务之间,双方可以交换无数次承诺事务,这些事务都不需要提交到区块链上。
一个简单的支付通道案例
在解释更加复杂的机制之前,我们先来考虑一个简单的、单向的通道的例子。为了简化这个解释,我们假设双方都是诚实的。后面我们会再考虑帮助我们阻止欺诈的机制。
假设一个通道有两个参与者,Emma 和 Fabian。Fabian 提供付费的视频流服务,而观看者通过通道来实现小额支付 —— 每观看一秒就要付出 0.00001 btc,相当于每小时 0.036 btc 。Emma 是一个想看视频的普通用户。
Emma 和 Fabian 使用一个特殊的程序来同步播放视频和运行支付通道。Emma 在自己的网络浏览器中启动这个程序,而 Fabian 在自己的服务器上使用同一个程序。这个程序具有一个普通的比特币钱包软件的所有功能,它可以创建和签名交易。支付通道的整个机制可以完全隐藏起来,用户看到的事实就是这个视频是按秒计价的。
现在我们来看看这个付费服务的具体工作流程。一开始,Emma 和 Fabian 要开启通道:建立一个 2-2 的多签名地址。从用户的视角来看,这个程序创建了一个 P2SH 地址(一个多签名钱包)并要求用户充入足以支付一个小时视频服务的资金。Emma 转了 0.036 btc 到这个地址,而这笔交易也就成了所谓的充值事务。
充值事务被打包到某个区块之后,这个通道就算开启了,视频也就开始播放。在第一秒钟,用户创建并签名了一条承诺事务,改变了通道内的余额:现在 Fabian 有了 0.00001 btc,Emma 还剩 0.03599 btc 。这笔事务使用了充值事务的输出,并创建了两个输出,含义就如我们这里所述。从服务商的角度看,程序收到了这笔事务,于是也签上名、连同第一秒的视频发回给 Emma。现在双方都有了一笔对方手动签过名的、反映通道最新状态的承诺事务;如有需要,任何一方都可以把这笔交易发送到比特币网络中。
到了第二秒,Emma 这边的程序又创建了一笔新的承诺事务,使用的同样是充值交易的输出(跟第一笔一样),这一次,承诺事务的第一个输出给了Fabian 0.00002 btc,把 0.03598 给了 Emma。这笔事务用来支付第二秒的视频下载。
我们假设,Emma 看了 10 分钟的视频,然后就退出了。在这段时间里,她签名并发送了 600 笔承诺事务(600 秒的视频)。最后的一笔有两个输出:0.03 btc 给 Emma,和 0.006 给 Fabian。Emma 关闭了通道,把最后一笔承诺事务广播到了比特币网络中作为 结算事务。如此,这个通道只有一头一尾两笔事务记录到了区块链上。
免信任的通道
当然,从这个例子来看,一切都好,但这是因为双方都是诚实的。不难想象某些时候,其中一方会欺骗对方,像上面这么简单的设计可能就不够用了。
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虽然通道开启着,Emma 还是需要 Fabian 的签名来取出资金,因为这个通道是 2-2 的多签名地址。如果 Fabian 消失了,Emma 的资金可能会永远锁在这个通道里面。 -
虽然通道开启着,Emma 可以使用任何一笔双方都签过名的承诺事务。在观看视频 10 分钟之后,她可以拿第一笔承诺交易上链,完全不需要经过 Fabian 的再次同意。
时间锁
![](https://startbitcoin.org/wp-content/uploads/2021/09/1517661d-01f7-49a9-b004-ad5402a5fd13.png)
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第一笔承诺事务的时间锁限制了这个通道的寿命。如果这个时间锁设置的时间太长(比如 1 年),通道可以存在很久,但如果某一方玩失踪,另一方就不得不等待很长时间才能广播最后一笔承诺事务、取回自己的资金。 -
第一笔承诺事务的时间锁也限制了可以在通道内发生的交易次数。在我们的例子中,这个数值是 4320,这个通道内只能发生 4320 笔事务,因为每一笔新事务都会把时间锁的时间减去 1 个区块。而且,以区块(10 分钟)为间隔,等于是强迫参与方要追踪比特币网络的区块,以免错过什么,以及在情形不对时尽早把最后一笔承诺事务上链。当然,这个间隔是可以延长的,但代价是通道内可以发送的交易数量会变得更少。
不对称的可撤销承诺
- Input: 2-of-2 funding output, signed by Irene
- Output 0 <5 bitcoin>:
- <Irene’s Public Key> CHECKSIG
- Output 1:
- <1000 blocks>
- CHECKSEQUENCEVERIFY
- DROP
- <Hitesh’s Public Key> CHECKSIG
- Input: 2-of-2 funding output, signed by Hitesh
- Output 0 <5 bitcoin>:
- <Hitesh’s Public Key> CHECKSIG
- Output 1:
- <1000 blocks>
- CHECKSEQUENCEVERIFY
- DROP
- <Irene’s Public Key> CHECKSIG
![](https://startbitcoin.org/wp-content/uploads/2021/09/8770fdc1-d992-48f2-b604-c8860ff0990b.png)
- Input: 2-of-2 funding output, signed by Irene
- Output 0 <5 bitcoin>:
- <Irene’s Public Key> CHECKSIG
- Output 1 <5 bitcoin>:
- IF
- # Revocation penalty output
- <Revocation Public Key>
- ELSE
- <1000 blocks>
- CHECKSEQUENCEVERIFY
- DROP
- <Hitesh’s Public Key>
- ENDIF
- CHECKSIG
结语
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“Mastering bitcoin” — Andreas M. Antonopoulos -
Segregated witness for dummies -
Lightning network whitepaper -
Lightning network in depth, part 2: HTLC and payment routing
(完)
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原文链接:
https://medium.com/softblocks/lightning-network-in-depth-part-1-payment-channels-b943607950dd
作者: Magomed Aliev