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比特币二层技术闪电网络原理浅析

比特币二层技术闪电网络原理浅析

什么是闪电网络

闪电网络是针对比特币这类区块链的 Layer2 扩容协议，目的是为了实现更快，更便宜的交易，以解决 Layer1 的拥塞问题。其实现方式为比较类似于支付通道和状态通道。其在支付通道的基础上，通过 HTLC (Hashed Timelock Contract ) 和 RSMC (Revocable Sequence Maturity Contract) 等技术实现了支付通道之间的连接，从而形成了支付网络。而支付网络使交易可以通过跳步路由的方式跨通道发生。

和 Rollup 对比

和目前以太坊中比较火热的 Layer 2 方案 Rollup 相比，闪电网络基本上是在比特币里发光发热，主要是因为闪电网络虽然扩展性很强，但是由于通用性上存在局限，使其几乎只能应用于支付场景。导致在主打智能合约的以太坊等链上，几乎很难和 Rollup 方案扳手腕。

闪电网络的优点：

  • 扩展性强：通道数量理论上可以无限扩展
  • 保密性强：很难追溯支付流转路径
  • 速度快：支付不用链上确认，交易确认速度很快
  • 小额支付方便：支持最少 1 聪的支付，并且支付快捷
  • 跨通道支付：可以跨通道支付

缺点：

  • 如果作为智能合约链的 Layer2，通用性差，只支持支付场景
  • 流动性池枯竭
    • 由于每个通道的流动性池完全独立，而且又大多是由一系列的小节点组成，所以容易发生流动性枯竭的情况，从而导致链路断掉。
    • 如果采用较为中心化的具备大量资金的节点来承担枢纽工作，又会导致系统的抗审查能力弱。
  • 使用难度大
    • 用户需要运行闪电网络节点，并了解如何开启和关闭通道。
    • 无法二次充值，需要把旧的通道关闭后，再重新开启一个新的通道来实现。
    • 为了保护自身利益，节点需要持续监测链上事件，以便能快速发起反制。虽然也有守望塔机制解决这个问题，也就是委托监测的方式，但是也存在安全风险。
  • 交易失败率大
    • 链路中出现流动性枯竭或者掉线等问题，都可能导致链路不通，从而交易失败。
    • 并且转账也需要交易的双方都同时在线，不然也会失败。
    • 取消可能失败的交易也比较麻烦，且都会导致资金被锁定一段时间。
  • 易被通道堵塞攻击
    • 这是一种 DoS 攻击，攻击者通过在闪电网络通道上给自己支付，从而以低成本的手段占用正常的支付通道。
    • 看似闪电网络的支付效率在链下是不受限制的，但其实受到链路方向上的流动性池资金量的限制。

闪电网络的优势在于快，易扩展且保密性强。但是缺点在于，通道的开启和关闭操作都比较重。而且为了接收，发送以及防止通道被恶意关闭，用户节点需要长期在线。除此之外，交易的成功率其实并不可靠，特别是交易流转的链路越长，失败的概率就越高。不过，交易失败虽然一定程度上影响流动性，但是一般并不会造成资金损失。

技术点&流程

其核心和状态通道/支付通道技术比较类似，但是新增了 RSMC 和 HTLC 等技术来实现了双向支付和跨通道支付的特性，从而构建出支付网络。

以下是技术点叠加：

  • 支付通道(单向)：2-2多签以及时间锁
  • 支付通道(双向)：在单向的基础上新增 RSMC
  • 支付网路(闪电网络)：在双向的基础上新增了 HTLC ，一定程度上保证了跨通道支付的原子性

除此之外，闪电网络的每个支付通道本质上就是一个流动性池，支付就是资金在流动性池间流转。但是需要注意的是，不同通道的流动性池是彼此独立的，并不能直接进行资金流通。而且对于整个闪电网络来说，是不存在全局状态的。每个节点只需要关心自身运营的支付通道的状态。

支付通道开启

两个用户 A 和 B 之间可以开启一个资金可双向流动的支付通道。在开启支付通道的时候，A 和 B 都需要给支付通道押入一笔初始资金（假如都押入了 5 btc）。这时，A 和 B 都会收到一笔被对方签名的【承诺交易1】。拿着这笔【承诺交易1】，A 和 B 随时都可以去链上关闭通道。

A 手上的【承诺交易1】的内容是：B 立马获得 5 btc，A 延迟 T 个区块后获得 5 btc 。而 B 手上的则内容相反。

至于为什么自己的资金退出需要延迟执行，目的是为了防止有人恶意的将旧的【承诺交易】上链，从而谋利。关于这点，这就要说到 RSMC 机制了。为了防止旧的承诺上链，RSMC 实现了 “可撤销承诺” 机制，也就是每笔【承诺交易】都会带上一个只有发起人自己知道的【承诺密钥】。

比如 A 手上的【承诺交易1】的内容是 “B 立马获得 5 btc，A 延迟 T 个区块后获得 5 btc” 。这时的承诺密钥为 x1 ，只有 A 知晓，如果 B 知晓 x1 ，则 B 在 T 区块延迟内可以随意使用 A 的这 5 btc。

如果现在 A 想要转账 1 btc 给 B。那么 A 就需要构建新的【承诺交易2】，内容是 “B 立马获得 6 btc，A 延迟 T 个区块后获得 4 btc，上一个承诺密钥为 x1“。并更新新承诺密钥为 x2 ，依旧只有 A 知晓，如果 B 知晓 x2 ，则在 T 区块延迟内可以随意使用 A 的这 4 btc。

现在我们可以看到，如果 A 想要作恶，使用旧的【承诺交易1】上链关闭通道，由于 B 这时已经知晓了 x1 ，则可以在 T 区块延迟内将 A 的所有钱拿走。所以 A 不敢这样作恶。反之，B 也是一样的。

所以，闪电网络通过【可撤销的承诺交易】这种机制，解决了恶意提交旧承诺来作恶的问题。

支付交易

在闪电网络的支付过程中，可能发生【跨通道支付】，而所谓的【跨通道支付】实际上是由多笔【通道支付】组成的。也就是当前只存在 A → B 和 B → C 两个通道的情况下，如果 A 想要转账给 C ，那么实际上的发生逻辑是 A 先通过 ”A → B“ 转账给 B ，B 再通过 "B → C" 转账给 C 。为了让这两笔支付交易具备原子性，闪电网络采用了 HTLC (哈希时间锁) 技术。HTLC 的核心思想是：Alice 将 10 BTC 使用密文 Hash(s) 锁在 HTLC 内 x 天，等待 Bob 来取。在这 x 天内，掌握明文 s 的 Bob 可以通过 hash 匹配的方式取走 HTLC 锁内的资金。如果等待 x 天后，Bob 资金没有被取走，那么Alice 可以将资金取回。

现在假设 Alice 要给 Eric 支付 1 btc，但是 Alice 和 Eric 之间没有支付通道，那么正常情况下的支付流转过程详情如下：

  1. Eric 生成了一个秘密值 R，并把其对应的哈希值发给了 Alice（Eric 不会把 R 展示给其他人）
  2. Alice 使用这条哈希值创建了一个 HTLC，而时间锁设置为未来 10 个区块，输出的数额是 1.003 btc 。这额外的 0.003 btc 是给支付通道链条内的中间方的手续费。那么，Alice 现在用 HTLC 锁住了 1.003 btc，而 HTCL 的具体条件以大白话表述如下：“Alice 会给 Bob 支付 1.003 btc，只要他能在 10 个区块内交出秘密值 R，否则这些钱会返回给 Alice”。他们之间的通道的余额也会因为这笔承诺事务而发生相应变化，现在 Bob 在通道内拥有 2 btc，Alice 有 0.997 btc，还有 1.003 btc 锁在 HTLC 里面。
  3. 流转到了 Bob 这里，他可以随意处置 Alice 的承诺事务（这笔 HTLC 事务是通过他们之间的通道来发送的）。他在自己跟 Carol 的通道中创建了一个 HTLC 输出，数额是 1.002，时间锁设定为 9 个区块，使用了跟 Alice 所提供的同样的哈希值。Bob 知道 Carol 如果想获得这笔钱，就不得不找出秘密数值 R 来解锁这个 HTLC，而一旦Carol 她这么做了，Bob 也就会知道这个 R，因此也能解锁 Alice 的 HTLC，拿到 1.003 btc。如果 Carol 没法找到这个秘密值 R，Bob 和 Alice 就都能在时间锁解锁后拿回自己的钱。注意，Bob 发送的资金数额比自己能够得到的数额小 0.001 btc，这就是他收取的手续费数额。Bob 和 Carol 在通道内的余额变成：Carol 拥有 2btc， Bob 拥有 0.998 btc，还有 1.002 btc 锁在 HTLC 中。
  4. Carol 获得 Bob 发出的承诺事务之后，也如法炮制，在与 Diana 的通道中创建一个 HTLC ，使用的哈希值与 Bob 提供的无二，时间锁设置为 8 个区块，数额为 1.001 btc。如果 Diana 能在 8 个区块以内揭示这个秘密数值 R，就能解锁这个 HTLC，获得 1.001 btc，相应地，Carol 也会知道这个秘密数值，解锁 Bob 给她的 HTLC，获得 1.002 btc，赚得 0.001 btc。Carol 和 Diana 通道内的余额变成：Diana 拥有 2btc、Carol 拥有 0.999 btc，还有1.001 btc 锁在 HTLC 里面。
  5. 最终，当 Diana 将一个 HTLC（使用同一个哈希值作为锁）通过通道发送给 Eric 时，她把数值设为 1 btc，时间锁设为 7 个区块。Diana 和 Eric 的通道内余额变成：Eric 拥有 2btc、Diana 拥有 1 btc，还有1 btc 锁在 HTLC 里面。
  6. 现在，我们来到了这个连锁支付的终点。Eric 拥有这个秘密值 R，这个 R 的哈希值用在了所有的 HTLC 承诺事务中。Eric 可以解锁 Diana 发给他的 HTLC，获得 1 btc；而 Eric 取回资金之后，Diana 也会知道这个 R。Diana 与 Eric 的通道内余额会变成：Eric 拥有 3 btc，Diana 拥有 1 btc。
  7. Diana 收到这个秘密之后，也拿来解锁 Carol 发给她的 HTLC，获得 1.001 btc 的同时也向 Carol 公开了秘密值。他们通道内的余额变成了：Diana 拥有 3.001 btc，Carol 拥有 0.999 btc。
  8. Carol 收到秘密值 R 之后，解锁了 Bob 发过来的 1.001 btc，因此 Bob 也知道了这个秘密值。他们通道内的余额变成了：Carol 拥有 3.002 btc 和 Bob 拥有 0.998 btc 。
  9. 最后，Bob 使用秘密值 R 获得了和 Alice 通道中的 1.003 btc。于是通道内的余额变成了：Bob 拥有 3.003 btc，Alice 拥有 0.997 。

这样一个流程下来，Alice 就给 Eric 支付了 1 btc，无需在彼此间另开一个直接相连的通道。整个支付链条中，也没有人需要信任另一个人，而且他们还因为中介服务赚到了 0.001 btc 。即使支付在某个环节卡住了，也没有人会遭受损失，因为资金还锁在那里，时间过了就可以取回。

最后，在关闭通道时，通道的任何一方都可以随时使用【最新的承诺交易】来关闭通道。如果想要恶意的使用【旧的承诺交易】来关闭通道则会面临上面描述的惩罚。