一文读懂闪电网络工作原理
一 引言
了解比特币的人都知道，比特币网络的拥堵问题由来已久，转账高手续费、速度缓慢严重制约了比特币的发展。关于扩容的争论喋喋不休，共识分歧严重，造成了多次比特币分叉。目前来看，社区共识无法达成一致已经很明确，解决比特币现有问题的方法只能寄托于闪电网络上。
二 何为闪电网络
什么是闪电网络呢？闪电网络是一个分布式网络，通过智能合约功能以支持跨参与者网络的即时付款，同时利用区块链的特性消除将资金托管给第三方带来的风险。主要作为用于即时、高容量的微支付。闪电网络的目的是实现安全地进行链下交易，其本质上是使用了哈希时间锁定智能合约来安全地进行0确认交易的一种机制，通过设置巧妙的‘智能合约’，完善链下通道，使得用户可以在闪电网络上进行0确认的交易。
对于大多数币民来说，闪电网络神秘的面纱始终无法揭开，讲解闪电网络的文章层出不穷，但是大部分还是让人看了云里雾里，无法真正明白其精髓，致使大部分人不屑用、不敢用、不会用不一而足，严重制约了闪电网络的发展。
本文将用最通俗的语言，直观的讲明闪电网络运行原理及发展现状，为闪电网络的快速普及做些许贡献。
三 闪电网络关键技术
要明白闪电网络原理，两个关键技术必须首选搞清楚。
1多重签名技术
多重签名技术可以理解为一把锁，必须用多个钥匙同时插入才能打开。比如1/2多重签名，表示2个人拥有钥匙，只要有一把钥匙插入就能打开；2X2多重签名，要求用两把钥匙同时插入才能打开。如下图所示。
图1
2哈希时间锁合约（HTLC）
HTLC(Hashed Timelock Contract, 哈希时间锁合约)，即限时转账，理解起来其实也很简单。 比如比特币，通过在UTXO的输出脚本中嵌入一段脚本，要花费这个输出，必须满足签名和hash值的原值都满足要求才能花费或者达到一定时间之后，签名才能花费。如下图所示。张三、李四在多签地址中有10BTC未花费，张三、李四协商达成一致后，同时签名生成交易，输出1支付给张三6BTC，输出2的锁定脚本有两个条件，满足任意一条即可花费，一条为张三提供签名并且提供额外锁定条件的解锁脚本，如果条件1满足则输出2的4btc属于张三；另一个条件为等待n个区块高度后，若条件一仍未满足，则李四签名，输出2的4btc属于李四。条件1中的的额外锁定条件很简单，比如张三生成一段随机数RN，通过H=MD5(RN)生成哈希值H，将H放入锁定脚本中。张三在解锁脚本中提供RN，即可满足输出2的条件一。由于条件一不需要等待时间，而条件二需要等待n个区块确，因此，只要条件一能满足，条件二就无法执行，这保证了张三优先花费输出2的权利。
图2
四 闪电网络工作原理
图3
闪电网络工作的第一步就是建立通道。开启通道的过程就是张三和李四分别向多重签名地址转账5BTC（该值可以是任意值），转账的过程需要广播并被矿工记录在区块链上，这个多签地址里面就拥有10个比特币，这是被区块链记录了的，全网承认，这时，张三和李四之间的通道就创建完成了。
接下来就是张三和李四私底下的交易了，不广播，不记在链上，正因如此，交易确认速度极快，几乎零手续费，这个过程称为链外交易，在交易通道（channel）中进行，此时的交易速度完全取决于网速，类似即时通信的速度。在通道中转账，双方必须记住每笔交易的金额以及交易历史数据，因为在通道中的交易过程是不上链的，而且只有自己对自己的金额安全负责，对方是不管的。如果自己把交易历史数据丢失，则最终关闭通道清算各自金额时，就无法保证数额的正确性，也就无法防止对方作恶。只要详细记录每笔交易，就能通过密码学设计保证谁也不能多记耍赖，这就是闪电网络协议设计的精妙之处。
闪电网络设计考虑到了各种作恶的可能性，其严谨的设计确保了通道的任何一方都不敢真正作恶，否则将会受到严厉的惩罚。这种巧妙设计，确保了无第三方的可靠即时支付。可以说，惩罚机制是保证闪电网络最关键的部分。下面通过两笔转账来理解何为惩罚机制。
张三、李四建立通道之初，通道内总共有10BTC，其中张三、李四各有5BTC。假设第一比转账，张三转给李四1BTC，则转账后，张三有4BTC，李四有6BTC；第二笔转账李四转给张三2BTC，则转账后张三有6BTC，李四有4BTC。怎样使双方无法反悔或者作恶呢？这里就用到了HTLC技术。
闪电网络支付，每笔交易的支付方需要向收款方索要收款码，类似支付宝扫码支付，如图4所示。
该支付码中除了包含支付金额等信息外，索要支付码的过程，也确保了双方都是在线的。
第一笔交易，张三转给李四1BTC，张三需要向李四索要一把锁H1，该锁H1只有李四能够解密，虽然李四作为收款方，但他同样需要向张三索要一把锁H2，该锁只有张三能够解密。然后张三、李四构建承诺交易（commitment transaction），将对方发过来的锁嵌入到交易的锁定脚本中，然后将构建的交易发送给对方。如图5所示。
图5
第二笔交易，李四转给张三2BTC，李四需要向张三索要一把锁H3，该锁H3只有张三能够解密，张三同样需要向李四索要一把锁H4，该锁只有李四能够解密。
到此时，第二笔交易跟第一笔交易流程基本相同，但关键来了，张三、李四将对方发过来的锁嵌入到交易的锁定脚本中构建承诺交易（commitment transaction），，发送给对方之前，必须将第一笔交易对锁的钥匙发送给对方，来作废第一笔交易。这一步骤是保证双方无法抵赖、无法作恶的最关键步骤。
第二笔交易李四转账给张三2BTC后，正常情况下，张三有6BTC，李四有4BTC，如果在第二笔交易生成之前，双方不把第一笔交易的钥匙发送给对方，若李四把第一笔交易中的交易T1签名并广播，该笔交易会被矿工打包到区块中从而生效，则交易T1 的输出2的条件1张三没有H1的钥匙，从而无法花费，再等待足够的区块高度后，李四便可以通过条件二来花费该笔交易的6BTC，从而从张三处骗得2BTC。若再第二笔交易之前，双方都获得了对方生成锁的钥匙，则该问题迎刃而解。若李四还想通过该方法骗取张三2BTC，则张三可以通过交易T1条件1直接花费该6BTC，同时输出1的4BTC也属于张三，李四将一无所有。通过这种方式来保证历史交易全部作废，双方必须承认最新的交易结果，直到通道关闭。
如何实现任意节点之间转账呢？看图6.
图6
图6中，老王想支付给咖啡馆0.01btc，但是老王与咖啡馆之间并没有建立通道，这时，就需要借助中间人了。老王与张三、张三与咖啡馆都建立了闪电网络通道，则老王可以通过张三中转完成付款。这个过程中，我们同样会遇到信任问题：老王想转给咖啡馆0.01个BTC，需要经过张三，但张三会担心自己给咖啡馆转0.01BTC后，老王耍赖；同样老王会担心如果先给张三转了0.01BTC，张三也耍赖不转给咖啡馆。在传统的金融系统中，是由大型知名金融中介机构的信用提供保证的。但闪电网络中，并没有这样一个独立于交易者的第三方去提供信用担保。HTLC(哈希时间锁定合约)完美解决了这个问题。
过程是这样的，第一，咖啡馆会选择一个随机密文并运算得到其哈希值，再将此哈希值交给老王。第二，老王拿到哈希值后，会构建一笔转账给张三的交易。这笔交易需要张三拿到咖啡馆的密文才能解锁，如果张三在限定的时间内没有解锁成功，这笔钱则退回给老王。第三，张三从老王处拿到哈希值，他也构建一笔转账给咖啡馆的交易，咖啡馆必须拿密文来解锁。第四，当咖啡馆提供密文从张三处获得0.01BTC，张三立马会拿密文从老王处获得0.01 BTC，这就完成了从老王给咖啡馆转账的任务。
上述过程可以看作一个智能合约。过程类似于这样：A想经过B转账给C，那么C先给A一把锁，C有钥匙A有钱。A跟B说，你从C那里拿到了钥匙，我的钱就是你的了。B就拿着锁去找C，用钱跟C换钥匙，然后拿钥匙去换A的钱。如此一来，就实现了钱和锁从A到B再到C，钥匙从C到B再到A的一个流转。
当然，在实际操作过程中，老王给张三转账金额需要大于0.01BTC，支付必要的路由费以激励张三充当路由节点。其次，要注意两笔交易之间的哈希时间长度设置，第二步时间必须长于第三步时间。如果张三在老王关闭交易之后拿到咖啡馆的钥匙，他将无法找老王拿回0.01BTC。
至于通道关闭，也有两种关闭方式，第一种是协议关闭。张三、李四都承认最终的结果，则可以协商构建一笔多签交易，一个输出给张三，一个输出给李四，只要金额没问题，双方都签字，交易立即生效，通道随机关闭。另一种方式是一方想关闭通道，另一方不同意或者不在线，则想关闭通道的一方比如张三，假设此时只有第一笔交易，双方都不知道对方锁的钥匙，张三只要将交易T2签名并广播，则等待一定的区块高度之后，张三通过交易T2的输出2条件二来花费该笔交易。当然，李四可以立即花费该笔交易，并不需要等待。
【BitTribeLab】BitTribe Lab是一个全球创新实验室（节点）网络，以建设去中心化未来信息基础设施和去中心化金融（Defi）新世界为愿景，邀请思想家、科幻小说爱好者、技术极客、开源软件开发者等等加盟。
欢迎添加BitTribeLab【微信号：BitTribeLab123】，回复”技术“，进入BitTribeLab技术开发者社区/交流群，一起探讨技术、交流思想，共同推进区块链技术的发展及应用。