比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)是什么？閃電網(wǎng)絡(luò)是如何工作的？作為構(gòu)建在比特幣區(qū)塊鏈之上的 P2P 網(wǎng)絡(luò)，閃電網(wǎng)絡(luò)不僅能夠有效解決比特幣 “又慢又貴” 的難題，而且在加密支付領(lǐng)域有著其他解決方案無可比擬的優(yōu)勢，是我們實(shí)現(xiàn) P2P 經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，也是我們憧憬的 Web5 世界的重要組成部分。

今天腳本之家小編給大家分享的這篇文章，將為我們詳細(xì)介紹閃電網(wǎng)絡(luò)，講清楚閃電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行原理和相關(guān)技術(shù)。下面一起看看吧！

閃電網(wǎng)絡(luò)的基本原理

閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network，以下簡稱 LN）是最古早的比特幣二層拓展方案之一，其主要應(yīng)用場景在于實(shí)現(xiàn)快速且低成本的比特幣點(diǎn)對點(diǎn)支付。

閃電網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)核心是狀態(tài)通道，狀態(tài)通道是中本聰在比特幣白皮書提到的比特幣拓展方案。比特幣開發(fā)者 Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 基于狀態(tài)通道發(fā)布了閃電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)論文，最終，由 Lightning Labs、Blockstream、ACINQ 等團(tuán)隊(duì)開發(fā)落地，并受到 Jack Dorsey 等一眾比特幣 OG 的支持和追捧。

狀態(tài)通道應(yīng)用于閃電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了快速的、近乎零成本的點(diǎn)對點(diǎn)支付功能。

現(xiàn)在，我們先梳理下狀態(tài)通道的基本運(yùn)作原理：

當(dāng)交易雙方建立狀態(tài)通道進(jìn)行交易，只有第一筆（建立狀態(tài)通道）和最后一筆交易（關(guān)閉狀態(tài)通道）會在比特幣鏈上進(jìn)行，剩余的所有交易都在比特幣鏈外進(jìn)行，也就是在狀態(tài)通道內(nèi)進(jìn)行。

在狀態(tài)通道內(nèi)進(jìn)行的比特幣交易（可以理解為此時的 BTC 并非比特幣一層的 BTC，而是在狀態(tài)通道這個 “比特幣二層上的 BTC”），交易快速便捷，成本幾乎為零，這里交易雙方的賬本會出現(xiàn)實(shí)時變化的 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表”，而且每次交易都需要簽名，以保障交易的合法性和準(zhǔn)確性。

當(dāng)雙方任意一方關(guān)閉狀態(tài)通道，系統(tǒng)就會把最新的 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表” 提交到比特幣一層去驗(yàn)證，這個驗(yàn)證一般會設(shè)置 7 天的驗(yàn)證期，或者叫 “檢舉期”，本質(zhì)就是雙方在這 7 天內(nèi)都可以發(fā)起檢舉，時間到期后，A、B 雙方將根據(jù)最新的 ‘BTC 資產(chǎn)負(fù)債表” 拿到屬于自己的 BTC 數(shù)量。如果雙方都能及時確認(rèn)，則交易可以立即完成。（以太坊的二層拓展方案 OP-Rollup 就是仿照了狀態(tài)通道的原理，所有交易在二層進(jìn)行，然后再向以太坊一層提交驗(yàn)證 , 同時有 7 天的挑戰(zhàn)期）

我們舉例說明：

假設(shè)有 A、B 兩個 LN 節(jié)點(diǎn)要使用狀態(tài)通道進(jìn)行 BTC 交易，具體步驟如下：

1、A、B 兩個 LN 節(jié)點(diǎn)建立狀態(tài)通道。

A、B 雙方都需要向狀態(tài)通道存入預(yù)先設(shè)定的 BTC 數(shù)量，比如，A 存入 10 個 BTC，B 存入 5 個 BTC，此時，會生成一個新的比特幣多簽地址，A、B 雙方鎖定的 BTC 數(shù)量就在 C 地址體現(xiàn)出來（C 地址是 AB 雙方生成的多簽地址，類似一個無私鑰的智能合約地址）。

此時 A、B 雙方的 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表” 是：

A：10BTC

B： 5BTC

C：15BTC

2、當(dāng) A 和 B 之間開始交易，A、B 的 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表 “開始更新

假設(shè)，第一筆交易，A 執(zhí)行簽名向 B 發(fā)送 1 個 BTC，

BTC 資產(chǎn)負(fù)債表更新為：

A ：9BTC

B ：6BTC

C ：15BTC

第二筆交易，B 執(zhí)行簽名向 A 發(fā)送 5 個 BTC

BTC 資產(chǎn)負(fù)債表更新為：

A：14BTC

B：1BTC

C：15BTC

以此類推，隨著 A、B 雙方的不斷交易，BTC 資產(chǎn)負(fù)債表不斷更新（本質(zhì)就是二層賬本不斷更新，只是還沒有回到一層驗(yàn)證）

3、關(guān)閉狀態(tài)通道

A、B 雙方任意一方都可以隨時關(guān)閉狀態(tài)通道

假設(shè)，關(guān)閉狀態(tài)通道時，BTC 資產(chǎn)負(fù)債表是：

A：12BTC

B：3BTC

C：15BTC

在關(guān)閉狀態(tài)通道的同時，最新的 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表” 將被提交到比特幣一層，同時，啟動為期 7 天的驗(yàn)證，假設(shè)，A、B 雙方都無異議則交易完成。假設(shè)，任意一方?jīng)]有及時驗(yàn)證確認(rèn)，7 天到期后，按照 “BTC 資產(chǎn)負(fù)債表” 來分配 A、B 雙方應(yīng)該得到的 BTC 數(shù)量。

以上，就是狀態(tài)通道的基本運(yùn)作原理。

總結(jié)就是：狀態(tài)通道采用互相簽名 + 時間鎖的機(jī)制設(shè)計(jì)，在沒有第三方托管的情況下，可以安全的實(shí)現(xiàn)比特幣的點(diǎn)對點(diǎn)支付，同時，通過鏈外交易 + 主鏈驗(yàn)證的方式來實(shí)現(xiàn)快捷、低成本的交易。

閃電網(wǎng)絡(luò)的基石：支付通道

閃電網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個精心設(shè)計(jì)的支付通道系統(tǒng)。以 Alice 和 Bob 之間的交易為例，他們使用閃電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)算時，會經(jīng)歷以下三個關(guān)鍵階段：開啟通道、進(jìn)行交易、關(guān)閉通道。

1、開啟通道：構(gòu)建信任的橋梁

所謂開啟通道，實(shí)質(zhì)上是創(chuàng)建一個由參與雙方共同控制的多簽錢包，并向該錢包注入資金。這個錢包接收的資金總額即為這個通道的余額。

我們假設(shè) Alice 和 Bob 各自持有 10 萬聰 BTC。首先，他們需要將各自的 10 萬聰轉(zhuǎn)入一個由兩人共同控制的多簽錢包地址，作為建立通道的質(zhì)押金。這筆交易，被稱為 “Funding Transaction（充值交易）” 或者 “Anchor Transaction（錨點(diǎn)交易）”，需要廣播到網(wǎng)絡(luò)并記錄在比特幣區(qū)塊鏈上，以表明通道的正式開啟。在這個例子中，連接 Alice 和 Bob 的支付通道實(shí)質(zhì)就是一個普通的 2-of-2 多簽名錢包，里面包含 20 萬聰?shù)挠囝~（為簡化說明，我們暫不考慮開啟通道時需要支付的礦工費(fèi)）。

2、開始交易：鏈下交易的藝術(shù)

通道開啟后，參與雙方的后續(xù)交易將全部在比特幣區(qū)塊鏈之外進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高效的鏈下結(jié)算。讓我們假設(shè) Alice 和 Bob 之間進(jìn)行了以下 3 次交易：

• Alice 向 Bob 轉(zhuǎn)賬 1 萬聰，此時 Alice 擁有 9 萬聰，Bob 擁有 11 萬聰。

• Alice 繼續(xù)向 Bob 轉(zhuǎn)賬 2 萬聰，此時 Alice 擁有 7 萬聰，Bob 擁有 13 萬聰。

• Bob 向 Alice 轉(zhuǎn)賬 1 萬聰，此時 Alice 擁有 8 萬聰，Bob 擁有 12 萬聰。

從上面的例子中，我們可以看到，無論 Alice 和 Bob 之間進(jìn)行多少次轉(zhuǎn)賬，他們之間的通道余額始終保持不變，都是 20 萬聰。

每次 Alice 和 Bob 發(fā)生交易時，雙方需要更新通道中各自的余額，并交換經(jīng)過簽名的 “承諾交易（Commitment Transaction）”。這些交易本身都是有效的，可以隨時發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，但雙方通常會將其保存而不廣播，除非他們打算關(guān)閉通道。如此一來，通道內(nèi) Alice 和 Bob 的余額狀態(tài)，一秒內(nèi)變動幾十次、幾百次都沒問題，更新的速度僅受限于雙方創(chuàng)建、簽名和向?qū)Ψ桨l(fā)送承諾交易的速度。

3、關(guān)閉通道：最終結(jié)算的時刻

關(guān)閉通道可以通過兩種方式進(jìn)行：一是雙方一致同意關(guān)閉，將一筆結(jié)算交易（Settlement Transaction）發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中；二是單方?jīng)Q定關(guān)閉，將最后一筆承諾交易（Commitment Transaction）發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中。后者的設(shè)計(jì)是為了防止某一方離線導(dǎo)致另一方在通道中的余額一直被鎖定的情形。

在 Alice 和 Bob 的例子中，他們在進(jìn)行了3 筆交易后決定關(guān)閉通道。關(guān)閉后，Alice 取回 8 萬聰，Bob 取回 12 萬聰（同樣，為簡化說明，我們不考慮關(guān)閉通道時產(chǎn)生的礦工費(fèi)）。

雙向支付通道的安全保障：從 LN-Penalty 到 eltoo 再到 Daric

上文提到，關(guān)閉通道既可以雙方一致同意關(guān)閉，也可以是單方?jīng)Q定關(guān)閉。那么，在雙向支付通道中，如何防止某一方欺詐呢？比如上面的例子中，如何防止 Bob 拿著第 2 次而不是第 3 次承諾交易來關(guān)閉通道呢？如果使用第 2 次的承諾交易關(guān)閉通道，Bob 可以抵賴掉最后付給 Alice 的 1 萬聰付款，這顯然看上去很有誘惑力。

比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)引入了 LN-Penalty 機(jī)制來防止某一方把一個過時的但對自己有利的狀態(tài)發(fā)送的鏈上來關(guān)閉通道。LN-Penalty 使用 “不對稱的承諾交易” 和 “撤銷密鑰” 等復(fù)雜技術(shù)，確保如果 Bob 試圖使用過時的承諾交易關(guān)閉通道，Alice 將有權(quán)獲得通道內(nèi)的全部資金 —— 20 萬聰。這種懲罰機(jī)制有效遏制了潛在的欺詐行為。

然而，LN-Penalty 也存在一些不足，除了自身的復(fù)雜性之外，還造成了存儲負(fù)擔(dān) —— 用戶必須保存過去每一次更新通道狀態(tài)時候的資料，還有一些罕見的情形可能會導(dǎo)致它意外地懲罰誠實(shí)的用戶。

為了克服這些缺點(diǎn)，早在 2018 年，比特幣社區(qū)就提出了名為 “eltoo” 的解決方案，來消除存儲負(fù)擔(dān)和意外懲罰的風(fēng)險(xiǎn)。在這個方案中，用戶只需保存最新一筆承諾交易及其結(jié)算交易即可。然而，eltoo 方案至今還不可用，因?yàn)樗膶?shí)施需要對比特幣進(jìn)行軟分叉，引入一個新的簽名哈希類型 —— SIGHASH_ANYPREVOUT。

Nervos CKB 推出的閃電網(wǎng)絡(luò) Fiber Network 則選擇了 2022 年提出的 Daric 方案。Daric 在 eltoo 的基礎(chǔ)之上，有效解決了瞭望塔（Watchtower）的成本和安全性問題。瞭望塔是運(yùn)行在獨(dú)立機(jī)器和網(wǎng)絡(luò)上的閃電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，會監(jiān)控支付通道，并在檢測到惡意行為時幫助受害方執(zhí)行罰沒交易，從而保護(hù)用戶的資金。節(jié)點(diǎn)操作者通常會運(yùn)行自己的瞭望塔，以保護(hù)自己的節(jié)點(diǎn)。

將雙向支付通道擴(kuò)展成閃電網(wǎng)絡(luò)：多跳路由技術(shù)

我們同樣使用 Alice 和 Bob 建立通道作為基本背景，但這個世界上除了 Alice 和 Bob，其他人也想接入閃電網(wǎng)絡(luò)該怎么辦？有什么辦法可以把所有人都接入網(wǎng)絡(luò)并保證可以向網(wǎng)絡(luò)中的任一一個人發(fā)起支付？

為了解決這一問題，我們需要將雙向支付通道擴(kuò)展成閃電網(wǎng)絡(luò)，并使用多跳路由技術(shù)。“路由（routing）” 的字面意思是 “尋找路徑”，在閃電網(wǎng)絡(luò)中，就是要找出由通道前后連接而成的、給特定對象支付的路徑。

以 Alice 向 David 支付 2000 聰為例，假設(shè)他們之間沒有建立支付通道，不過 Alice 和 Bob 之間、Bob 和 Carol 之間、 Carol 和 David 之間都已經(jīng)建立了支付通道。在這種情況下，Alice 可以先把錢轉(zhuǎn)給 Bob ，再由 Bob 轉(zhuǎn)給 Carol，最后 Carol 轉(zhuǎn)給 David，這樣看起來就實(shí)現(xiàn)了從 Alice 到 David 間的支付通道，其中 Bob 和 Carol 充當(dāng)了網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。如果 Alice 和 Eva 之間、Eva 和 David 之間也建立了支付通道，那么 Alice 也可以選擇先把錢轉(zhuǎn)給 Eva，再由 Eva 轉(zhuǎn)給 David。

從路徑上來看，顯然 Alice 通過 Eva 轉(zhuǎn)錢給 David 是路徑最短的選擇，但在實(shí)際操作過程中，看上去最短的路徑并不總是最佳選擇，因?yàn)檫€需要考慮其他因素，比如通道的容量、路由節(jié)點(diǎn)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、路由節(jié)點(diǎn)是否在線，等等。

目前，主流的比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)（客戶端），如 Lightning Labs 開發(fā)的 LND 和 Blockstream 開發(fā)的 CLN（Core Lightning），在路由算法上都使用了 Dijkstra 算法的某個變種，Nervos CKB 推出的閃電網(wǎng)絡(luò) Fiber Network 同樣會使用 Dijkstra 算法來尋找最優(yōu)路由路徑。

保障路由安全：從 HTLC 到 PTLC

在上面 Alice 要給 David 付款的例子中，我們?nèi)绾伪ＷC中間的路由節(jié)點(diǎn)不會耍賴，不會惡意扣留資金呢？傳統(tǒng)金融系統(tǒng)通常依賴大型知名金融中介機(jī)構(gòu)的信用擔(dān)保，但閃電網(wǎng)絡(luò)是一個 P2P 網(wǎng)絡(luò)，并沒有這樣一個獨(dú)立于交易者的第三方去提供信用擔(dān)保，我們需要一種不同的機(jī)制來保障交易安全。這就是 HTLC（哈希時間鎖合約）的作用所在。

HTLC 由兩部分組成：哈希驗(yàn)證和過期驗(yàn)證。讓我們以 Alice 要給 David 支付 2000 聰，選擇 Bob 和 Carol 充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)為例，理解 HTLC 的工作原理：

• 首先，David 要生成一個秘密值 R，任何詞語、任何數(shù)字都可以充當(dāng)這個秘密值，然后計(jì)算出其哈希值 H 并把它發(fā)給 Alice。這個哈希值 H 會放在交易輸出的鎖定腳本中，只有知道 H 所對應(yīng)的秘密值 R 的人才能使用這個輸出，而 R 在閃電網(wǎng)絡(luò)中被稱為 “原像（preimage）”。如果秘密值 R 沒有及時地公開，這筆支付就用不了了，發(fā)送者會收回所有的資金。

• 然后，Alice 使用收到的哈希值 H 創(chuàng)建一個 HTLC，時間鎖設(shè)置成未來 5 個區(qū)塊，輸出的數(shù)額是 2020 聰，其中 20 聰是給路由節(jié)點(diǎn) Bob 的手續(xù)費(fèi)。用大白話來表述就是，Alice 會給 Bob 支付 2020 聰，只要他能在 5 個區(qū)塊內(nèi)提供秘密值 R，否則這些錢會返回給 Alice。

• Bob 在自己和 Carol 的通道中，使用跟 Alice 所提供的同樣的哈希值 H 創(chuàng)建一個 HTLC，時間鎖設(shè)置成未來 4 個區(qū)塊，輸出的數(shù)額是 2010 聰，其中 10 聰是給路由節(jié)點(diǎn) Carol 的手續(xù)費(fèi)。用大白話來表述就是，Bob 會給 Carol 支付 2010 聰，只要他能在 4 個區(qū)塊內(nèi)提供秘密值 R，否則這些錢會返回給 Bob。

• Carol 在自己和 David 的通道中，使用同樣的哈希值 H 創(chuàng)建一個 HTLC，時間鎖設(shè)置成未來 3 個區(qū)塊，輸出的數(shù)額是 2000 聰。用大白話來表述就是，Carol 會給 David 支付 2000 聰，只要他能在 3 個區(qū)塊內(nèi)提供秘密值 R，否則這些錢會返回給 Carol。

• David 用秘密值 R 解鎖 Carol 設(shè)置的 HTLC，拿走 2000 聰。

• David 拿走資金之后，Carol 也會知道這個秘密值 R，他用 R 解鎖  Bob 設(shè)置的 HTLC 并拿走 2010 聰。

• Carol 拿走資金之后，Bob 也得到了秘密值 R，他用 R 解鎖 Alice 設(shè)置的 HTLC 并拿走 2020 聰。

通過這種機(jī)制，Alice 成功向 David 支付了 2000 聰，而無需直接建立支付通道。整個過程中，各方無需相互信任，路由節(jié)點(diǎn)也獲得了應(yīng)得的手續(xù)費(fèi)。即使支付在某個環(huán)節(jié)中斷，由于時間鎖定機(jī)制的存在，各方都不會遭受損失，資金會在鎖定時間過后自動返回。

然而，HTLC 也存在一個潛在的隱私問題：整條路徑使用的都是同一個秘密值（原像）。如果某個實(shí)體控制了支付路徑上的多個節(jié)點(diǎn)，就可能通過比對不同節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出，推斷出完整的交易信息，甚至猜測出付款方和收款方，這就削弱了閃電網(wǎng)絡(luò)通過洋蔥路由實(shí)現(xiàn)的隱私保護(hù)。

為了解決這個問題，比特幣社區(qū)提出了 PTLC（點(diǎn)時間鎖合約）。在 PTLC 方案中，路徑中的每一跳都使用不同的秘密值，這樣一來，通過洋蔥路由實(shí)現(xiàn)的隱私性就得到了保護(hù)。Nervos CKB 推出的閃電網(wǎng)絡(luò) Fiber Network 計(jì)劃在未來引入 PTLC，進(jìn)一步增強(qiáng)閃電網(wǎng)絡(luò)的隱私保護(hù)能力。

結(jié)語

閃電網(wǎng)絡(luò)作為比特幣擴(kuò)容解決方案，其核心在于巧妙設(shè)計(jì)的支付通道系統(tǒng)。通過開啟通道、鏈下交易和關(guān)閉通道三個階段，閃電網(wǎng)絡(luò)大幅提升了交易速度并降低了成本。

為確保雙向支付通道的安全，閃電網(wǎng)絡(luò)采用了 LN-Penalty 機(jī)制，比特幣社區(qū)還提出了 eltoo、Daric 等更優(yōu)的安全機(jī)制，來有效防范潛在的欺詐行為。

這些創(chuàng)新使得閃電網(wǎng)絡(luò)在保證安全性的同時，為比特幣網(wǎng)絡(luò)帶來了顯著的性能提升，為實(shí)現(xiàn)快速、低成本的小額支付鋪平了道路。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，閃電網(wǎng)絡(luò)還在持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)。從 LN-Penalty 到 eltoo 再到 Daric，從 HTLC 到 PTLC，我們看到了閃電網(wǎng)絡(luò)在安全性、隱私保護(hù)等方面的不斷提升。未來，隨著更多創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)的完善，閃電網(wǎng)絡(luò)有望成為推動加密貨幣普及的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，為實(shí)現(xiàn)真正的 P2P 經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)力量

參考資料

• https://www.btcstudy.org/2021/09/15/lightning-network-in-depth-part-1-payment-channels/
• https://www.btcstudy.org/2021/09/15/lightning-network-in-depth-part-2-htlc-and-payment-routing/
• https://www.btcstudy.org/2022/01/27/breaking-down-the-bitcoin-lightning-network-eltoo/
• https://www.btcstudy.org/2024/02/07/lightning-network-technology-improvement-and-users-experience-part-2/
• https://www.btcstudy.org/2024/02/23/lightning-network-technology-improvement-and-users-experience-part-3/
• https://www.btcstudy.org/2022/08/19/what-are-ptlc/ 

以上就是腳本之家小編給大家分享的解讀比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)工作原理了，希望此篇文章能夠幫助大家更好的了解比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)工作原理。