闪电网络协议设计思想剖析

1. 引言

闪电网络可能是比特币之上部署的最受期待的技术创新。闪电网络，为由 Joseph Poon 和 Tadge Dryja 于2015年首次提出的支付层，承诺支持：

• 用户之间几乎无限数量的链下交易，
• 几乎免费，
• 同时利用比特币提供的安全性。

2016年时，至少三个公司——Poon 和 Dryja 的 Lightning、 Blockstream 和 Blockchain—— 目前正在致力于该技术的实施。但除了这个小型技术前沿之外，很少有人完全了解“小额支付的未来”将如何提升比特币的能力。

本文分3大块来介绍闪电网络协议

• 第一部分列出了闪电网络的基本构建块，并展示了如何将这些构建块组合起来创建“智能合约”，该合约可用于实现闪电网络的第一个要求：双向支付通道。
• 第二部分解释了双向支付渠道如何转变为网络，以及哈希时间锁合约（HTLC）如何将网络中的不同通道连接在一起。
• 第三部分解释了如何将 HTLC 放置在双向支付通道中，以确保交易可以完全在链下进行。

2. 闪电网络基本构建块

2.1 构建模块 #1：未确认的交易

从本质上讲，比特币协议由交易组成，这些交易通常与之前的交易相关联，也可能与未来的交易相关联。每笔交易都包含 输入（指比特币发送的地址） 和输出 （指比特币发送到的地址）。此外，输入必须包括发送比特币的要求，如证明输入地址“所有权”的签名。与此同时，输出建立了新的要求，这些要求必须包含在后续 交易的输入中 。

作为其主要功能之一，闪电网络是由或多或少的常规比特币交易构建的。只是这些交易通常实际上并不通过比特币网络广播。相反，它们存储在用户的本地节点上 - 但闪电网络交易可随时通过网络广播。

本文中：

• 黑色边框表示的是已确认交易
• 蓝色边框表示的是：仅当其前序交易已被确认后，可由Alice广播的交易
• 红色边框表示的是：仅当其前序交易已被确认后，可由Bob广播的交易

如上图中所示：

• Alice可随时签名并广播其未确认交易，并给Bob发送2个BTC
• 仅当Alice已签名并广播交易且得到确认之后，Bob才可以签署属于他的2个BTC，将其中一个BTC发送给Carol，另一个BTC留给Bob自己。

2.2 构建模块#2：双花保护

闪电网络的第二个构建模块可能不需要太多解释，因为它可以说 是比特币本身存在的理由 ：双花保护。如果两笔交易（或：输入）依赖于相同的输出，则只有一笔交易可以确认。
这里要记住的重要一点是，即使是未经确认的交易也可能是冲突的，这意味着只有1笔交易可被确认。

如上图中所示：

• Alice必须选择其中一笔交易来签名并广播，无法同时签名和广播2笔交易（若同时，也只有一笔交易会被确认，即变成黑框表示）。

2.3 构建模块 #3：多重签名

闪电网络的第三个构建块也是一个简单的构建块：多重签名（multisig）地址。（或者更一般地说：P2SH 地址。）

多重签名地址是比特币地址，顾名思义，需要多个私钥才能“解锁”并从中花费比特币。多重签名地址可以在各种条件下设置。例如，需要三个可能的密钥中的两个，或者十五个中的十五个，或者几乎任何其他组合。

闪电网络通常使用2-of-2多重签名设置。从 2-of-2 多重签名地址解锁比特币需要来自两个专用密钥的两个签名。

如上图中所示：

• Alice和Bob之前设置了一个multisig地址，2人分别有一个密钥
• 若无Bob的签名，Alice没法自行花费该multisig地址
• 需注意，当某签名添加到某交易之后，无法修改该交易内容。
• 在密码学中，签名是交易和seal的混合，且是一长串独特的数字字串。

2.4 构建模块#4：时间锁

第四个组成部分是时间锁。时间锁可以在输出中“锁定比特币”，使它们仅在未来的某个时刻才可被花费（包含在后续输入中）。
有两种不同类型的时间锁：

• 绝对类型，称为 CheckLockTimeVerify (CLTV)：CLTV 将比特币锁定到未来（或多或少）的具体时间：实际时间和日期，或特定的区块高度。
• 以及相对类型，称为 CheckSequenceVerify (CSV)：CSV 使用相对时间。一旦 CVS 输出被记录在区块链上，从该 点开始需要一定数量的区块 才能再次被花费。【在闪电网络中，常将CSV表示为clock，用作delay】
  

2.5 构建块#5：哈希值和秘密

第五个也是最后一个构建块——密码学——是比特币本身最基本的构建块。但在闪电网络中，它以一种新的方式应用。

简而言之，“value”或“secret”是一长串独特的数字，即使对于具有无限尝试的计算机来说，实际上也无法猜测。通过特殊的计算，这个value（或secret）可以被“哈希”成不同的数字字符串，即“哈希值”。
诀窍是：

• 任何知道该value的人都可以轻松地重现哈希值。但反过来则不然。这是一条单行道。

这个技巧可用在比特币本身，再次“锁定比特币”。（事实上​​，这确实是比特币的工作原理。）如，哈希值可以包含在输出中，并要求后续输入包含相应的value才可被花费。

如上图中所示：

• 本文以带颜色的钥匙🔑来表示value或secret，相应的哈希值以相同颜色和相同数字的锁🔐来表示

2.6 第一个挑战：双向支付渠道

甚至在闪电网络出现之前， 支付渠道的概念 就已经存在了一段时间。典型的支付渠道对于某些目的很有用，但也有局限性：它们是单向的。Alice可以向Bob支付几笔链下交易，但Bob根本无法通过同一通道向Alice支付。

作为闪电网络的一个关键特征，Poon 和 Dryja 提出了无需信任的双向支付通道。

2.6.1 打开通道

要建立双向支付通道，双方必须首先就opening交易达成一致。此opening交易决定了各自存入通道的比特币数量。

假设Alice想向Bob发送一枚比特币。由于Alice和Bob希望更频繁地进行交易，因此他们决定开放一份双向支付通道，并用它来发送比特币。（发送一整个比特币对于支付渠道来说可能会很多，因为这对于小额支付可能更有用 - 但这是完全可能的。）
为了打开通道，Alice 和 Bob 各发送 5 个BTC到 2-of-2 多重签名地址。这就是“opening交易”。只有当Alice和Bob都签署后续交易时，才能从该地址花费比特币。

此外，Alice 和 Bob 都创建一个秘密（一串数字），并交换哈希值。

Alice 现在立即从opening交易中创建后续交易。这是“commitment交易”。通过commitment交易，Alice向自己发送了4个BTC，并向第二个多重签名地址发送了6个BTC。第二个多重签名地址有点奇怪。它可以由Bob自己解锁，但只有在它被包含在区块链上并开采了1000个额外的区块之后才能解锁；它包括一个 CSV 锁。 或者，它可以由 Alice 自己打开，但前提是她 还 包含 Bob 刚刚向她提供哈希值的秘密。（当然，Alice不知道这个秘密是什么——Alice只知道哈希值——所以Alice现在无法使用这个选项。）

Alice签署了其commitment交易，但不光播！相反，Alice将其签名后的commitment交易给了Bob。

与此同时，Bob也做了同样的事情，但是是镜像的。Bob还创建了一笔commitment交易，从中将 6 个比特币发送给自己，并将 4 个比特币发送到一个时髦的新多重签名地址。如果 Alice 再等待 1000 个区块，她就可以解锁该地址，或者 Bob 可以使用 Alice 的秘密来解锁该地址。
Bob签署了其创建的commitment交易，并将其创建并签名的commitment交易交给Alice。

在交换“half-valid” commitment交易和秘密哈希值之后，他们都签署并广播opening交易，以确保其记录在区块链上。该通道现已正式开通。

此时，Alice 和 Bob 都可以签署并广播他们从对方获得的半有效commitment交易。如果Alice这样做了，Bob会立即获得6个BTC。如果Bob这样做了，Alice会立即获得4个BTC。但无论谁签署并广播该交易，都必须等待 1000 个区块才能解锁后续的多重签名地址，并领取剩余的BTC。

然而，这是支付渠道的关键技巧：

• 既不签署也不广播自己的那份交易。

2.6.2 更新通道

过了一会儿，Bob想给Alice发回一个比特币。他们想要更新通道状态，使余额再次达到五比五。为了实现这一目标，Alice和Bob做了两件事：

• 首先，两者都重复上述过程（除了开仓交易已记录在区块链上；该部分被跳过）。这次，Alice和Bob都将5个BTC归为自己，并且都将5个BTC归为时髦的多重签名地址。这些多重签名地址的条件相似，只是它们需要 新的 秘密：Alice 和 Bob 都互相提供新的 哈希值。他们都签署了新的一半有效的commitment交易，并将其交给对方。
• 其次，Alice和Bob互相传递他们在 第一个 设置中所使用的 第一个 秘密。

此时，Alice 和 Bob 都可以签署并广播他们刚刚获得的新的“半有效”commitment交易。他们的交易对手将立即获得 5 个比特币，而广播方则必须等待 1000 个区块。因此，通道已更新。

但是是什么阻止Bob广播旧的commitment交易呢？该commitment交易导致了一条向他支付 6 个比特币的路径，而不是 5 个……。

当然，阻止Bob的是他的第一个秘密，他现在已经把这个秘密告诉了Alice。

Bob无法再安全地签署和广播旧的commitment交易，因为Alice现在知道Bob的第一个秘密。如果Bob要签署并广播该commitment交易，他将立即向Alice发送 4 个BTC……而他必须等待 1000 个区块才能领取自己的 6 个BTC。这是一个问题，因为现在Alice知道了他的秘密，Alice可以利用这段时间击败Bob，并夺取另外6个BTC！

由于Bob也拥有Alice的秘密，因此反之亦然。如果Alice尝试签署并广播旧的commitment交易，Bob可以窃取通道中的所有BTC。
这当然意味着Alice和Bob都有强烈的公平竞争动机，并且只签署和广播通道的最新状态。

3. 将双向支付通道扩展为支付网络

接下来，这种双向支付渠道设置需要扩展以允许通过网络进行支付。

Alice 和 Bob 建立了一个双向支付通道。现在，Alice想向第三人Carol支付1 BTC。

为此，Alice和Carol可以在他们之间开辟一条支付通道。但他们实际上并不需要这样做。事实证明，Bob 和 Carol 已经有一个双向通道，因此 Alice 可以通过 Bob 向 Carol 付款。

具体来说，Alice可以向Bob支付1 BTC，Bob可以向Carol支付1 BTC。

然而，Alice并不真正信任Bob——或者Carol：

• Alice担心如果她付钱给Bob，Bob永远不会真正付钱给Carol。
• 或者Bob可能会付钱给Carol，但Carol会声称她从未收到过这笔钱，而Alice不知道该责怪谁。

因此：

• 如果Bob也向Carol支付了1 BTC，Alice希望确保她只向Bob支付1 BTC。

这是通过简单的加密技巧（部分）完成的。

• 当Alice想要向Carol发送BTC时，她告诉Carol创建一个value（随机数字字符串）并向她发送哈希值。Alice还告诉Carol用原始value与Bob交换比特币。
• 与此同时，Alice从Carol那里拿到了哈希值，转向Bob，并告诉Bob，如果Bob向她提供相应的value（只有Carol有），她就会给Bob一个比特币。
• 因此，Bob转向Carol，并给了Carol 1BTC以换取value。
• 然后，Bob将这个value返回给Alice。Alice知道Bob一定是从Carol那里得到了value以换取BTC，因此得出结论Carol得到了她的BTC。所以Alice可以放心地给Bob 1BTC。

几乎每个人都很高兴。

在这种“天真的”场景中，中间人Bob仍然必须信任Alice和Carol：

• Bob必须相信Carol在向她发送了比特币后确实给了他value，
• 而Bob必须相信Alice在向她提供了value后确实给了他1 BTC。

因此，bitcoin -for-value trade必须在网络上得到绝对保证。更具体地说：如果Bob给Carol 1 BTC，他必须保证从Alice那里拿回1BTC。

这就是哈希时间锁定合约（HTLC）的用武之地。

3.1 Hash Time-Locked Contracts哈希时间锁定合约

所以Alice和Bob想通过HTLC完成bitcoin -for-value trade。（Bob和Carol也想以相同的value进行bitcoin -for-value trade- 但现在先不关注，后续会讲。）

为此，Alice 不是直接向 Bob 发送BTC，而是将BTC发送到一个新的（又是时髦的）多重签名地址。锁定在该地址上的BTC可以通过两种不同的方式解锁。

• 第一个选项是Bob包含他的签名和value。
• 第二种选择是Alice包含她自己的签名。然而，这个选项有一个CLTV 时间锁：Alice 只能在（比如）两周后签署并广播交易。

这意味着Bob有两周的时间来创建后续交易，其中包含他的签名和value，并将其广播以将比特币从时髦的多重签名地址发送给自己。因此，这笔交易是有保障的。Bob只有在提供value的情况下才能索取Alice的BTC：通过比特币网络广播它，使其公开可见，Alice可以看到。

如果Bob没有及时提供value，Alice可以通过“超时替代方案”取回她的比特币。简单的。

回到网络，因为这就是需要 HTLC 设置的真正原因。

如前所述，不仅 Alice 和 Bob，Bob 和 Carol 也建立了 HTLC。因此，如果Carol向Bob索要她的比特币，Bob将获得value作为回报；该value将在区块链上可见。

因此，如果发生这种情况，Bob也能从Alice那里得到比特币。Bob 可以获取 Carol 在区块链上公开显示的value，将其包含在他与 Alice 的 HTLC 中，并为自己索取BTC。两个通道有效衔接。

最后一个细节是，在Alice从Bob那里收回她的BTC之前，Bob必须从Carol那里获得value，这一点很重要。如果Bob在Alice收回其付款之后才从Carol那里获得value，那么Bob毕竟被困在中间。因此，Bob 和 Carol 的 HTLC 中的超时必须在 Alice 和 Bob 的 HTLC 中的超时到期之前到期。（如，正好十天之后，而不是两周。这也是 HTLC 需要 CheckLockTimeVerify (CLTV) 而不是 CheckSequenceVerify (CSV) 的原因。）

最后，还有一个问题需要解决：为了使闪电网络发挥作用，所有这些都必须在链下完成。

4. 闪电网络

到目前为止，Alice 和 Bob 开通了一个双向支付通道，他们都用 5 BTC为其提供资金。他们来回进行了两笔交易，在当前的通道状态下，Alice 和 Bob 都可以通过在区块链上“dropping删除通道”来为自己申领 5 BTC。

现在，他们希望在通道中包含 HTLC。这是为了确保如果Carol向Bob索要BTC以换取她的value，那么Bob也能从Alice那里得到比特币作为回报。

与上一步一样，Alice 和 Bob 首先创建一个新的commitment交易。在很多方面，这些commitment交易与之前的commitment交易非常相似，它们包括：

• 一个普通输出，
• 以及一个带有 CSV（CheckSequenceVerify）时间锁和特殊哈希锁的时髦多重签名地址的输出。

同样，与上一步一样，Alice 和 Bob 交换他们的旧秘密，以有效地使旧通道失效。而且，一旦交换，Alice和Bob都可以签署他们那份commitment交易，并可能随时将它们放到区块链上。

都是熟悉的领域。除了一处变化。Alice 和 Bob 的commitment交易现在都包含一项新输出，价值 1 BTC。（这使得余额为 4-5-1；Alice 为 4 个，Bob 为 5 个，新输出为 1 个。）

这个新输出本质上是 HTLC。它甚至比迄今为止的所有其他输出更时髦，因为有三种方法可以解锁HTLC输出：

• 1）首先，新的输出（在 Alice 和 Bob 的commitment交易中）会释放BTC，前提是 Bob 的签名和value包含在后续交易中。因此，无论 Alice 还是 Bob 签署并广播commitment交易，只有 Bob 可以解锁该输出——如果他包含该value。但这两个commitment交易之间有一个小区别：

  • 如果 Bob drop删除通道，则会涉及 CSV 时间锁。他需要等待 1,000 个区块。（如果Alice放弃频道，Bob可以立即领取这1 BTC。）

• 2）如果 Bob 放弃通道，他必须等待 1,000 个区块的原因与之前看到的非常相似：它允许 Alice 拿走这1 BTC，以防 Bob 试图签署和广播旧的通道状态。这就是解锁输出的第二种方法的用武之地。如果Alice提供Bob的（最新）秘密，她就可以“窃取”资金。
  两个人可以玩这个游戏：如果Alice试图欺骗并广播这个已经过时的通道，Bob可以使用Alice的秘密索取这个1 BTC。（他甚至不需要提供该value。）

• 3）第三，与任何其他 HTLC 一样，两项commitment交易还包括 Alice 常见的 CLTV 超时回退。如果Bob在两周内没有包含该value（如因为他没有从Carol那里得到它），Alice可以收回她的BTC。同样，Alice 或 Bob 是否断开通道对于此选项并不重要。

那么这一切给带来了什么？

• Alice和Bob都持有半有效的承诺交易。如果Alice在区块链上放弃了她的commitment交易，她会立即向Bob发送5 BTC。此外，她还可以等待 1,000 个区块，并为自己领取 4 个比特币。另外，Bob 有两周时间提供value，并在“HTLC 输出”中领取BTC。（如果他在两周内没有提供value，Alice可以收回这个BTC。）
• 与此同时，Bob也可以随时放弃他的commitment交易，并立即向Alice发送4 BTC。然后，他需要等待 1,000 个区块才能从一个地址再索取 5 个比特币，如果他提供了该value，还可以从 HTLC 输出中索取另1 BTC。（如果他在两周内没有提供该value，Alice 可以收回这1 BTC。）

当然，如果Alice或Bob在未来的任何时候试图作弊，并在该通道过时时对其进行签名和广播，那么双方都可以完全阻止对方，并窃取该通道中的所有比特币。

4.1 Settling the Status

此时，Bob保证会收到BTC以换取该value（假设他拥有value）。他所要做的就是签署并广播他从 Alice 那里获得的commitment交易，将其价值包含在后续交易中，并签署并广播该交易。
Alice知道这一点。她不可能骗走Bob的BTC——即使她通过其他方式知道了该value。

因此，两人不妨在通道之外“settle”。Bob可以简单地将value交给Alice，Alice可以同意将通道状态更新到更正常的状态，而无需HTLC和超时期限。

假设双方都希望保持通道开放，那么他们自然会这么做：这比必须将通道放到区块链上要不那么麻烦得多。

4.2 通道关闭

最后，这是闪电网络的真正力量：

• 至此，以上描述的几乎所有内容通常都根本不需要访问比特币区块链。

如果 Alice 和 Bob 都想“和平”地关闭通道，他们可以简单地从原始opening交易中创建一个交易，以覆盖自opening交易以来发生的所有事情。从这次结束交易中，他们向自己发送了通道的公平份额——即表示最新的通道状态。
具体来说，这意味着如果Alice想要关闭通道，她此时可以简单地创建一个交易，向自己支付 4 个比特币，向Bob支付 6 个比特币，并要求Bob签署并广播该交易。既然他没有理由不这样做，那么他很可能会配合并关闭通道。

最终，只有两笔交易会通过比特币网络广播并包含在一个区块中：

• opening交易
• 和closing交易。

即使Alice和Bob之间交易一百万次，这也将成立，从而从区块链上卸下巨大的负担。

参考资料

[1] 2016年5月31日 Bitcoin Magzine博客UNDERSTANDING THE LIGHTNING NETWORK, PART 1: BUILDING A BIDIRECTIONAL BITCOIN PAYMENT CHANNEL
[2] 2016年6月7日 Bitcoin Magzine博客UNDERSTANDING THE LIGHTNING NETWORK, PART 2: CREATING THE NETWORK
[3] 2016年6月17日 Bitcoin Magzine博客UNDERSTANDING THE LIGHTNING NETWORK, PART 3: COMPLETING THE PUZZLE AND CLOSING THE CHANNEL文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-841927.html

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