閃電網絡深入解讀（下）：HTLC 與支付路由_BTC

閃電網絡深入解讀：支付通道

在上一篇文章里，我們詳細解釋了支付通道的運作，以及多種保證支付安全發生的方法。不過，這些功能，還不足以支撐一個可用的支付通道網絡：即使我們很確定在每個通道內每個參與者都是誠實守信的，也沒法保證通過多個通道來支付同樣是安全的。這就是我們需要“HTLC”這種智能合約的原因。在本文中，我們會講解HTLC工作的方式，并使用一個例子來展示多跳支付是如何在閃電網絡中實現的。

哈希時間鎖合約

HTLC的結構并不復雜，但非常高效。它使我們可以創建具有明確“過期時間”的支付。你可能也猜得到，HTLC合約由兩部分組成：哈希驗證和過期驗證。

我們先從哈希值開始。要創建一筆帶有HTLC的支付事務，你先要生成一個?秘密數值?R，然后計算出其哈希值。任何詞語、任何數字都可以充當這個秘密值，因為，對哈希函數來說，它們都是一堆數據的組合，沒有什么分別。

H?=?Hash(R)

這個哈希值H會放在事務輸出的鎖定腳本中。如此，只有知道H所對應的秘密值的人才能使用這個輸出。而R就是所謂的“原像”。

HTLC的第二部分是過期時間的驗證。如果秘密值沒有及時地公開，這筆支付就用不了了，發送者會收回所有的資金。

我們來考慮一個發給某人的HLTC支付事務：

#?檢查所提供的?R?是否為?H?的原像HASH160?<H>?EQUALIF????#?檢查公開?R?的人是否為事務最初的接收者????<Payee?Public?key>?CHECKSIGELSE????#?檢查時間鎖是否已終止????<locktime>?CHECKLOCKTIMEVERIFY????#?檢查請求返回資金的是不是事務最初的發送者????<Payer?Public?Key>?CHECKSIGENDIF

比特幣閃電網絡節點數量為37,193個:金色財經報道，1ML網站數據顯示，比特幣閃電網絡（LightningNetwork）的節點數量為37,193個，同比增長2.55%；通道數量為84,463個，同比減少1.8%；網絡容量為3,804.92BTC，同比增長5%。[2022/5/12 3:08:35]

在正確的R公開之后，我們進入IF流程，進一步驗證提供R的是不是這筆支付事務一開始的支付對象。在花費這個輸出時，接收方只需提供一個非常簡單的解鎖腳本：

<sig>?<secret?R>

如果解鎖腳本所提供的R是錯的，我們跳轉入ELSE流程，首先驗證時間鎖解鎖了沒有。如果時間鎖已然解鎖，發送者就可以收回所有的資金。收回資金這個操作的解鎖腳本也差不多，唯一的區別在于，為了進入ELSE流程，需要提供一個錯誤的秘密值：

<sig>?<wrong?secret>

當然，這只是HTLC的一個非常基礎的實現，代表著一個普通的時間鎖支付。你可以在腳本中加入任意多的其它條件，比如說，在IF流程中移除公鑰驗證，這樣只要知道秘密值R的人都可以使用這個輸出；也可以在其中加入多簽名限制，要求提供多個預設私鑰的簽名才能解鎖。

多說一句，在這個案例中，我們使用的操作碼是?CHECKLOCKTIMEVERIFY，這個操作碼使用絕對數值來定義時間鎖，意思就像：“這個輸出在區塊#546212之前是無法動用的”。而在閃電網絡中，還用上了另一種時間鎖，更“靈活”的一種：CHECKSEQUENCEVERIFY，它用到的是相對數值，意思近于：“這個輸出，在使用它的事務上鏈之后的1000個區塊內，是無法使用的”。

閃電網絡案例

現在，我們終于講解完所有元素了，可以嘗試理解閃電網絡運作的全景了。

我們假設現在閃電網絡有5個參與者：Alice、Bob、Carol、Diana和Eric，他們各自有一個支付通道相連，而每個通道的每一邊都有2btc的余額可用。現在，我們嘗試讓Alice通過通道鏈條給Eric支付。

報告：受益于Cash App和Chivo，過去一年閃電網絡支付額增長逾400%:4月14日消息，根據市場分析公司Arcane Research發布的報告，過去一年閃電網絡上發生的支付數量翻了一番，而這些支付的總價值（以美元計算）翻了兩番。該報告警告稱，用于衡量閃電網絡采用情況的熱門公共指標（最常見的是TVL）低估了其網絡規模，因為它們無法計算私有通道和不可見節點。此外，這些指標并不能反映現實世界中閃電網絡的使用情況，而明確查看支付量可以更清楚地了解閃電網絡的實際應用情況。

支付激增的部分原因是最近獲得閃電網絡訪問權限的用戶數量大幅增加。這是通過薩爾瓦多的Chivo Wallet和美國支付應用程序CashApp等應用程序實現。

Arcane Research估計，在2021年8月，大約100000名用戶可以使用閃電支付。截至今年3月，超過8000萬人能夠通過閃電網絡進行支付，這表明有很大的潛在用戶群。

報告發現，大約50%的支付金額來自個人之間的直接交易，也就是點對點（P2P）交易。近三分之一的支付金額來自交易所充值和提現，其余20%來自通過某種形式利用供應商進行的購買交易。（Cointelegraph）[2022/4/14 14:23:39]

一系列相連的雙向支付通道，組成了閃電網絡，可以轉介Alice對Eric的支付?

假設Alice現在要給Eric支付1btc。但是，如我們所見，他們并無直接的通道相連，而開設通道需要時間和金錢。幸運的是，Alice連接著閃電網絡，可以在一系列HTLC合約的幫助下完成間接支付。我們一步一步拆開來看。

閃電網絡節點數量已達14040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14040個，相較30天前數據，環比上漲2.35%；通道數量為37344，相較30天前數據，環比上漲2%；閃電網絡承載能力目前為1102.08BTC，約合1177.13萬美元。[2020/10/6]

逐步分解閃電網絡中的支付路由?

Eric生成了一個秘密值R，并把其哈希值發給了Alice

Alice使用這條哈希值創建了一個HTLC，而時間鎖設置成未來10個區塊，輸出的數額是1.003btc。這額外的0.003btc是給支付通道鏈條中間方的手續費。那么，Alice現在用HTLC鎖住了1.003btc，而HTCL的具體條件以大白話表述如下：“Alice會給Bob支付1.003btc，只要他能在10個區塊內交出秘密值R，否則這些錢會返回給Alice”。他們之間的通道的余額也會因為這筆承諾事務而發生這般變化，現在Bob在通道內擁有2btc，Alice有0.997btc，還有1.003btc鎖在HTLC里面

到了Bob這里，他可以隨意處置Alice的承諾事務。他在自己跟Carol的通道中創建了一個HTLC輸出，數額是1.002，時間鎖設定為9個區塊，使用了跟Alice所提供的同樣的哈希值。Bob知道Carol如果想獲得這筆錢，就不得不找出秘密數值R來解鎖這個HTLC，而一旦她這么做了，他就會知道這個R，因此也能解鎖Alice的HTLC，拿到1.003btc。如果Carol沒法找到這個秘密值R，Bob和Alice都能在時間鎖解鎖后拿回自己的錢。注意，Bob發送的資金數額比自己能夠得到的數額小0.001btc，這就是他收取的手續費數額。Bob和Carol在通道內的余額變成：Carol擁有2btc，Bob擁有0.998btc，還有1.002btc鎖在HTLC中

Carol獲得Bob發出的承諾事務之后，也如法炮制，在與Diana的通道中創建一個HTLC，使用的哈希值與Bob提供的無二，時間鎖設置為8個區塊，數額為1.001btc。如果Diana能在8個區塊以內揭示這個秘密數值R，就能解鎖這個HTLC，獲得1.001btc，相應地，Carol也會知道這個秘密數值，解鎖Bob給她的HTLC，獲得1.002btc，賺得0.001btc。Carol和Diana通道內的余額變成：Diana擁有2btc、Carol擁有0.999btc，還有1.001btc鎖在HTLC里面

報告：閃電網絡節點分布不均衡 網絡抗風險性趨弱:7月3日消息，IOP物理研究所最近發布的一項研究表明，比特幣在網絡上的分布非常不平等。研究指出，閃電網絡有許多類似恒星的子結構。與此同時，節點（只能根據本地信息創建渠道）盡可能在閃電網絡中成為盡可能重要的中心，以便最大化地賺取交易費。研究稱，閃電網絡節點強度的平均基尼系數為0.88，導致10%的節點持有80%的比特幣（平均而言，整個時期里）。因此，這些結果表明，閃電網絡架構正變得分布變得越不平等，這不可避免地使其在面對攻擊和故障時變得極其脆弱。（AMBCrypto）[2020/7/3]

最終，當Diana將一個HTLC通過通道發送給Eric時，她把數值設為1btc，時間鎖設為7個區塊。Diana和Eric的通道內余額變成：Eric擁有2btc、Diana擁有1btc，還有1btc鎖在HTLC里面

現在，我們來到了這個連鎖支付的終點。Eric擁有這個秘密值R，這個R的哈希值用在了所有的HTLC承諾事務中。Eric可以解鎖Diana發給他的HTLC，獲得1btc；而Eric取回資金之后，Diana也會知道這個R。Diana與Eric的通道內余額會變成：Eric擁有3btc，Diana擁有1btc。

Diana收到這個秘密之后，也拿來解鎖Carol發給她的HTLC，獲得1.001btc的同時也向Carol公開了秘密值。他們通道內的余額變成了：Diana擁有3.001btc，Carol擁有0.999btc。

Carol收到秘密值R之后，解鎖了Bob發過來的1.001btc，因此Bob也知道了這個秘密值。他們通道內的余額變成了：Carol擁有3.002btc和Bob擁有0.998btc

最后，Bob使用秘密值R獲得了和Alice通道中的1.003btc。于是通道內的余額變成了：Bob擁有3.003btc，Alice擁有0.997。

LongHash：Liquid側鏈比特幣持有量超過公共閃電網絡通道:金色財經報道，根據LongHash文章，本月早些時候，Liquid上的比特幣持有量超過了閃電網絡通道。目前Liquid側鏈上有952.9435822枚BTC，公共閃電網絡通道上大約有918枚BTC。BitMEX Research曾揭示2月份閃電網絡的真實數據。根據他們的區塊鏈數據集，閃電網絡上的BTC有88%是在公共通道上的。根據這些信息，整個閃電網絡（包括專用通道）上的BTC總量可以粗略估計為1043個BTC左右，這比目前Liquid側鏈上的BTC更多。盡管如此，在不久的將來，Liquid側鏈通道的數量肯定會超過公共和私有閃電網絡通道所擁有的BTC總量。[2020/3/27]

這樣一個流程下來，Alice就給Eric支付了1btc，無需在彼此間另開一個直接相連的通道。整個支付鏈條中，也沒有人需要信任另一個人，而且他們還因為中介服務賺到了0.001btc。即使支付在某個環節卡住了，也沒有人會遭受損失，因為資金還鎖在那里，時間過了就可以取回。

清除故障

在我們這個例子中，整個流程都是很平滑、沒有阻礙的，但在現實生活就像所謂的“墨菲定律”：如果某種壞事可能發生，那這種壞事就一定會發生。于是我們要考慮閃電網絡的“保護”機制。

從實踐來看，支付鏈條越長，最終無法交付資金的概率就越大：某些參與者可能會關閉通道，或者某些節點會掉線。我們來考慮兩種可能的出錯情形。

通道故障

先考慮一種情形：我們假設資金已經達到了目的地，但在秘密數值一路返回到支付起點的過程中，某個參與者拒絕合作或者無法配合。假設是Bob。

因為一個通道關閉，資金無法交付?

當Diana收到了秘密值時，就立即取回了資金，并把秘密值暴露給了Carol。Carol也想從Bob發出的HTLC里面拿回資金，但Bob沒有響應，為了避免風險，她關閉了通道，將自己手上的最后一筆承諾事務廣播到了比特幣網絡中，而且，因為她知道秘密值，所以能取回資金。此時，Bob還有三天時間可以從Alice處拿回自己的錢。否則，等時間鎖一解鎖，Alice就可以收回資金。

可以看出，即使某個參與者因為某種原因離開了網絡，TA自己是唯一一個可能損失資金的人，而其他人的資金都是安全的。

重新路由

在第二種情形中，我們假設資金無法到達目的地，也是因為某個參與者出了錯。假設是Carol。

第一種也是最明顯的解決方法是，等待HTLC的時間鎖過期，然后各參議者各自拿回自己的資金。

支付路徑中的某個節點沒有響應?

但如果Alice就是著急支付，該怎么辦呢？當然，Alice可以通過另一條路徑發起新的支付，不需要死等資金返回，但要是Carol突然之間又回來了，跟Bob把鏈條續上了呢？那Alice不就發送了兩倍資金了嗎？

Alice如果使用另一條路徑?

這是否意味著，但凡出現了支付失敗的情形，都應該乖乖等時間鎖超時，然后再發起新的一筆支付呢？

好在，要避免這種等待，我們可以“取消”這一次的支付。Diana要發送等量的一筆資金給Alice，也使用跟原來一樣的哈希值，也可以使用另一條路徑。現在，如果Carol重新上線并參與中介，那么資金會走完一個環路，這就意味著那筆原來失敗的支付被抵消了，Alice可以安全地使用另一個路徑來支付了。

Alice“取消”了舊的支付，新的支付現在可以安全地發送了?

支付數額

你可以也注意到了，當Alice“取消”其第一筆支付時，現在的確是可以安全地發起新的一次支付了，但這并沒有改變一個事實：她的第一筆支付的資金現在仍然是鎖定的，而她可能沒有足夠的錢來發起第二次支付了。這就是為什么在使用閃電網絡時，用HTLC來支付時資金額度應該更小。因為承諾事務不會上鏈，數額可以分割成多個很小的額度。這樣，無論什么時候一個路徑不通了，都只有一小部分資金會被凍結。

傳輸協議

閃電網絡的另一個非常重要的特點是：有關這個路徑的所有信息都是完全匿名的。也就意味著對于任何一個參與者來說，TA都只知道跟自己有關的這部分，比如，對于Carol來說，這筆支付就像是Bob在給Diana轉賬，她不知道Bob會從Alice處收到資金，也不知道Diana會繼續轉賬給Eric。

閃電網絡使用Sphinx多重加密協議。在使用閃電網絡時，Alice會為網絡的每一部分都做一層加密，從支付路徑的末端開始。她使用Eric的公鑰為Eric加密了消息。這條加密消息會被嵌套在給Diana的消息里，并用Diana的公鑰對整個消息再做一次加密。再然后，這條給Diana的消息又會嵌套在給Carol的消息里，也用Carol的公鑰對整個消息再做一次加密。如此不斷重復，得出可以交給下一個人的消息。這樣一來，Bob只能解密消息的最外一層，得到本意發給他的內容；然后把消息轉給Carol；Carol也是如此。每經過一個人，都只會公開絕對必要的消息：支付的數額、傭金的數額、時間鎖的內容，等等。

為了讓人不能從消息的長度中推測鏈條的長度，消息的長度都是一樣的，總是像有20個人參與這個鏈條一樣。每個人，包括最后一個，得到的都是同樣大小的圖像，都以為除了自己以外還有20個伙伴。

閃電網絡的好處和應用場景

當然，閃電網絡的好處并不像很多人以為的那樣，只有可擴展性一項。我們想想閃電網絡到底帶來了哪些可能。

即時交易。使用閃電網絡時，事務幾乎是即時完成的。所以用比特幣來買咖啡就變得可行了

交易所套利。當前，從一個交易所轉出資金并轉入另一個交易所是很不方便的，需要等待3至6個區塊來確認交易。如果交易所能使用閃電網絡，那用戶就能即時轉入資金、參與套利。交易所也不再需要冷錢包來存儲資金，極大地降低了盜竊風險。

小額支付。比特幣區塊鏈的手續費對小額支付來說太高了。很難想象誰會愿意支付0.001btc就為了轉賬同等數量乃至更少的金額。有了閃電網絡，你就可以即時轉移任意大小的金額，舉個例子，你可以按MB來支付網費。

金融智能合約和交易。金融合約對時延是極度敏感的，而且通常需要許多計算。把大多數負擔移到了區塊鏈外，我們就有機會能創建非常復雜的事務以及合約，而無需把這些都記錄到區塊鏈上。

跨鏈支付。如果使用不同共識規則的區塊鏈使用同一種哈希函數，就有可能使用閃電網絡來跨鏈支付。參與者無需信任任何人，也無需使用中介。

隱私。在閃電網絡中，事務比起在比特幣區塊鏈上要更加隱秘，因為支付鏈條的參與者并不知道交易的發起方和目的地。

結論

我們已經講完了閃電網絡。在下一篇文章中，我會告訴你如何使用HTLC來執行一次跨鏈的原子互換，用btc交換ltc。

鏈接

Lightningnetworkindepth,part1:Paymentchannels

“Masteringbitcoin”—AndreasM.Antonopoulos

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