比特币最成熟的二层解决方案:闪电网络的一些技术点

2024-03-03 17:51

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作者:胡飞瞳

闪电网络是比特币最成熟的第二层解决方案。其理论探索和工程建设已近10年。尽管还存在很多弱点,但与比特币其他创新的第二层解决方案相比,闪电网络不仅是最完整和成熟的,它也可能是其他第二层解决方案的基础。本文对闪电网络的技术进行简单介绍,希望能起到科普作用。

介绍

在比特币生态突然蓬勃发展,各种创新和项目如雨后春笋般涌现的当下,谈论闪电网络似乎有点过时了。但如果你仔细分析比特币生态系统中的各种创新,你不得不承认闪电网络在设计和工程实践方面是最完整的。闪电网络的概念于2015年提出,2016年初白皮书完成并发布。2018年,闪电网络诞生并实现,实现了你1BTC的链下转账支付。到2023年底,闪电网络节点数量将达到14000个以上,容量达到5000个BTC左右。

针对比特币TPS低、确认时间长、网络拥堵等问题,闪电网络希望通过链下交易以及比特币自身网络的安全性来解决这三大问题,即实现:

交易的即时性;

高吞吐量交易;

降低交易费用

当然,对于目前比特币第2层的一些解决方案,他们也希望解决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来说并不是什么大问题,因为它已经是一项成熟的技术。关键在于如何实现比特币资产的去中心化转移和确认,并依托比特币网络的安全性。从这个方面来说,目前还没有完美的解决方案可以替代闪电网络(状态通道)。

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支付渠道网络来实现上述三个目标。主要包括以下技术点:

支付通道:支付通道是闪电网络的核心概念。它允许两个用户进行多次交易,而不必每次都在比特币主链上发起交易。用户首先在比特币区块链上创建一个多重签名钱包,这需要两个用户的私钥来转移资金。然后他们将一定数量的比特币存入这个钱包,这笔存款交易在区块链上得到确认。

链下交易:支付通道一旦开通,双方无需与主链交互,即可进行无限数量的链下交易。这些交易通过签署新交易来更新通道内的资金分配。这些交易记录代表了通道关闭时资金应如何分配,但通道打开时这些交易不会广播到比特币网络。

通道关闭:当任何一方想要提取通道中的资金时,可以关闭支付通道。这是通过在比特币区块链上广播交易的最终状态来完成的。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在双方之间分配。

路由和多跳支付(路由和多跳支付):用户可以通过网络中其他用户的支付渠道发送支付,即使他们没有直接的支付渠道支付渠道连接。这是通过路由完成的,其中付款通过一个或多个中间节点。每个中间节点收取少量费用作为提供流动性的补偿。

哈希时间锁定合约(HTLC,哈希时间锁):为了安全地进行多跳付款,闪电网络使用HTLC。这允许创建有条件的支付,只有当接收者提供支付原像的证明(发送者生成的随机数的哈希值)时才能完成该支付。这确保了沿途的每个节点只有在确定会收到付款时才会转发付款。

网络容量和流动性:虽然闪电网络可以显着降低交易费用并提高速度,但其性能还取决于网络的容量和流动性。每个渠道的资金容量限制了可以通过该渠道发送的最大付款金额。此外,资金必须在网络中正确分配,以便支付能够找到有效的路径。

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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。

步骤 1: 寻找路由

Alice的客户端使用闪电网络的路由算法来找到一条到达Dave的路径。在这个例子中,最简单的路径是 Alice -> Bob -> Carol -> Dave。

步骤 2: 创建支付

Alice决定发送0.01 BTC给Dave。她的客户端创建一个支付请求,这个请求包含了支付的细节和一个特殊的数字——支付预像(Dave创建的随机数)的哈希值。

步骤 3: 使用HTLCs

为了安全地进行多跳支付,每个中间节点(Bob和Carol)都会创建一个HTLC。HTLC允许中间节点转发支付,但只有在他们知道支付预像的情况下才能最终获得资金。这确保了支付只有在完全到达Dave时才能被最终解锁。

步骤 4: 转发支付

  • Alice首先将支付发送给Bob,锁定在一个HTLC中。

  • Bob看到这个支付要被转发给Carol,所以他创建一个新的HTLC并发送给Carol。

  • Carol做同样的事情,创建一个HTLC并发送给Dave。

在每一步,支付都被锁在一个新的HTLC中,每个节点都只有在知道支付预像时才能解锁这些资金。

步骤 5: 解锁支付

  • 一旦Dave收到了支付,他会提供支付预像给Carol,解锁他那里的HTLC并获得资金。

  • Carol使用这个支付预像解锁Bob发给她的HTLC,并将支付预像发送给Bob来解锁她应得的资金。

  • Bob最后用支付预像解锁Alice给他的HTLC,完成整个支付过程。

步骤 6: 确认和关闭

一旦整个支付链完成,所有中间HTLCs都被解锁,每个人都收到了他们应得的资金。支付被确认,所有参与节点更新了他们的支付通道状态。

闪电网络的优劣势及发展前景分析

根据前面的介绍,我们可以说,闪电网络从技术上解决了比特币网络的一些问题,并具有一下优势:即时交易,低交易费用,高可扩展性和高交易频率,更好的隐私保护以及对微支付的支持。正因为如此,通过闪电网络等技术创新,比特币才有可能成为真正的电子现金,而不是仅仅作为储值货币。

但同时,我们也看到闪电网络的技术复杂性。同时一个网络的构建不仅仅是技术因素,用户的认可度和采用率也非常关键。尽管比特币得到更广泛的价值认可,但是,闪电网络总体容量还不高,在其发展过程中,下面一些弱点会是阻碍因素:

  • 在线要求:为了接收支付,用户的设备需要保持在线,以便实时响应可能的支付请求或欺诈尝试。

  • 资金锁定:在支付通道中的资金在通道关闭之前会被锁定,这意味着资金在一定时间内无法自由使用。

  • 复杂性和用户体验:设置和管理支付通道可能对普通用户来说比较复杂,尤其是涉及到通道的资金管理和路由选择等问题。

  • 网络流动性和路由挑战:虽然理论上闪电网络可以处理大量的交易,但实际上其效率高度依赖于网络中支付通道的分布和资金流动性。找到有效的支付路径有时可能是挑战。

  • 中央化风险:虽然闪电网络旨在是去中心化的,但存在大节点或中心化服务提供者可能控制较大流量的风险,这可能导致网络的某种程度中央化。

随着比特币生态的发展,尽管有各种 BTC Layer2 的方案出台,但同时,总体的发展也给闪电网络带来前所未有的机遇。如果闪电网络的布局者在用户体验、网络规模以及与其他技术相结合的方面有较大的突破的话,相信闪电网络会迎来一个春天。