闪电网络——区块链领域基于 Golang 的核心技术之一
在 2019年第五届 Gopher China 大会上，讲师方圆进行了主题为《闪电网络——BTC小额支付解决方案》的演讲，以下为演讲实录。
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前言
今天我分享的主要内容包括以下两部分：首先简单介绍 BTC 的基本原理和交易流程；然后介绍闪电网络的基本原理和Go语言的实现版本LND。鉴于大家基本没有接触过闪电网络，我也会补充说明 LND 的使用过程。
在正式话题开始之前，我们先简单回顾下 Go 语言在区块链领域两个著名的项目。第一个是以太坊，以太坊相比于比特币的主要特点在于支持智能合约。智能合约是运行在区块链上的一段代码，保证输入数据相同的情况下，所有节点计算都会得到相同的结果。很多人质疑我们到底需是否需要这个智能合约，我认为是需要的。比如入职的时候老板承诺给你两个月的薪水作为年终奖，到年终的时候老板要取消掉这个年终奖，如果使用智能合约来签订合同的话，你可以通过执行该智能合约，拿走属于你的年终奖。第二个有名的项目就是今天要介绍的闪电网络。闪电网络是构建于BTC之上的微支付网络，我们今天主要介绍其核心原理，LND的使用和实现部分只做简单介绍。
01
BTC 简介
比特币历史
比特币基本架构
如下图。P2P 网络是比特币的基础。比特币新节点通过连接种子节点加入P2P网络之后，从其他节点获得临近节点信息。所有节点接入P2P网络进行通信，节点发现等相关功能和普通P2P网络节点类似。
右边是RPC 相关的组件。BTC链之外的世界如果要和比特币的区块链打交道，就需要通过比特币的RPC接口来实现。比特币区块链通过P2P网络接收或者广播交易，并且把交易放到交易池，这些交易可能来自于RPC也可能来自于其他比特币节点广播的数据。挖矿节点从交易池中获取一批交易并打包为区块，再通过P2P网络广播出去，然后继续下一个区块的挖矿竞争。
比特币地址
正常使用比特币的时候要生成公钥私钥，公钥hash过后就是所谓的比特币地址。你可以拥有很多的地址，花币的时候就需要使用当前地址对应的私钥进行签名，私钥丢了钱就没了。你可以随意生成公钥和私钥。
交易
对于BTC来说，简化的交易结构如下所示。Transaction hash就是对整个的 transaction 进行Hash运算的结果。vin_size和vout_size是对应交易内部有多少个输入(input)和输入(output)。Output是表示输出，具体来说就是需要支付给谁，因此内部包含对方的地址(address)和需要支付多少钱(value)，script是输出的锁定脚本，关于这部分内容，后文会有介绍。Input 对应输入，具体来说收钱方花钱的时候需要指定来源，Input内的 Hash ，实际指向前一个 transaction，script_sig是对应于output上的锁定脚本，我们把它叫做解锁脚本，这部分内容也会在后面介绍，index是对应的输出在该交易中的位置，因为同一个交易可以有多个输出。
在内存的结构用go语言表达是这样的，MsgTx是交易，TxIn是输入，TxOut输出，如果MsgTx Locktime 就是交易在验证过后在交易池中等待一段时间再打包进区块，比如说这个是等待两天，就等两天之后再打包。TxOut中的 Pk 就是对方地址。TxIn中的Output也已经关联到对应的交易输出。需要注意的是我们这里列出的代码只是为了说明原理，省略了很多细节，对这些细节有兴趣的可以详细研究BTC源代码。
如果用图来表示就是这个样子，transaction1 包含了一个输入一个输出，就是选择transaction 0的OUTPUT 0作为交易的INPUT。transaction1的OUTPUT 0 又被transaction 3的input 0引用。这样所有的交易的BTC都可以找到来源，我们可以从当前交易一直追溯到最初的来源。
了解了 INPUT 和 OUTPUT 之后。我们再来看锁定脚本和解锁脚本。由于BTC是去中心化的交易网络，下个交易需要花费一个OUTPUT的时候，需要证明该Output确实是属于当前账户的。锁定脚本相当于在OUTPUT上增加了verify函数，该函数的输入参数是公钥和签名，假如一个交易input的解锁脚本里的公钥和签名使得verify函数返回true，那么这个input就可以通过BTC节点验证，也就意味着该input是合理的。
整个交易流程实际是这样的，UTXO 是本地钱包有多少没有使用的 OUTPUT，用户想要花钱的时候，找到满足条件的一个或者多个 OUTPUT ，把它们作为transaction的输入，然后再通过对方的地址等信息构建一个或者多个 OUTPUT，形成一个transaction，然后把这个 transaction 广播出去，矿工收到 transaction 之后，会对它进行验证，验证之后打包进相应的区块，最后把整个区块广播出去。
区块链
讲了这么多，还在讲 transaction。那么什么是区块呢？
区块就是打包在一起的很多个 transaction 的结构。多个交易被打包在一起，并且添加上元数据就形成一个区块，每一个区块的头部都包含了这些元数据，并且包含上一个区块的hash，这样很多个区块就会形成一个链式结构，这个就是区块链。
存在的问题
刚才讲了比特币交易的大概流程，第一个问题是占用很大的存储空间，现在在本地起一个BTC节点，把所有区块链同步下来，我需要 200G 到 300G的存储空间，这个对于一般用户来说确实有点大了，主要解决方案是轻钱包，大家有兴趣可以去看相关的内容，这里不做详细介绍。第二个问题是，TPS太小了，大概是小于 7 的。为什么小于 7 呢，因为区块大小是固定的，比特币区块就是 1 兆大小，平均一个区块可以打进去 4000 个左右的 transaction，大概每10分钟一个区块，所以平均一秒算有 6 到 7 个交易，这个数字对于大规模的交易系统来说显然太少了。另外为了避免双花问题，通常需要在交易被打包进区块后等待6个块的确认时间，也就意味着交易的最终确认有一小时的延迟。
如何解决问题
为了解决交易TPS的问题，一部分人认为现在一个区块只有一兆，一兆只能打包那么多的 transaction，所以交易TPS太小的原因是什么呢？就是区块太小了。假设一个区块扩容到 10 兆，那么TPS可以扩到70。确实有人这么实践的，于是BCH由此而生。大区块也可以解决一部分交易TPS的问题，然而无法解决需要等待6个区块确认时间的问题。
为了解决这个问题，我们得探究为什么区块链这么慢呢？因为需要 全球50% 以上的节点达成共识。但是很多时候我们不需要这么多的节点达成共识，比如说我在我家楼下买酱油，我并不需要全球人都知道，只需要跟小卖部老板之间达成共识就可以了。所以有人提出，借鉴网络分层的理念，实现分层的区块链。第一层比特币区块链或者以太坊区块链处理跟全球共识相关的功能，如果不需要全球共识就不需要在一层做你的业务，可以在区块链二层处理两个人之间或者多个人之间的共识问题。
对于我们刚才的例子来说，比特币上的小额支付方案就是支付通道。支付通道有点类似于显示生活中打白条(二层交易)，白条积累多了再一次付款（一层交易）。这样显著减少区块链一层交易的数量。对于用户来说相当于也基本上不需要等待交易最终确认了（只有最终上链的时候等待交易确认）。比特币上现在最成功的支付通道，就是我们马上要介绍的闪电网络了。
02
闪电网络介绍
从名字就知道，闪电网络希望交易快如闪电。首先闪电网络是一个双向支付通道，比特币上除了双向支付通道以外，还有有一种单项支付通道。单项支付通道支持一方可以向另一方付款，反之则不行。双向通道支持双方可以互相付款。其中我们需要注意的就是打开通道和关闭通道是链上的操作，是链上的 transaction，其他的交易都是链下的transaction。
基本原理
使用闪电网络的第一步是 Open channel，这个channel 不是 Go 语言的 channel。这个 channel 在比特币意味着一个多签地址，多签地址是什么呢？我们俩共同发起一个地址，并且把钱打过去。这个地址上的钱只有我们两个都同意才能花出来。我们先假设打开单向注资的通道，假设 Alice 需要注资而 Bob 暂时不需要，Alice 就需要注资到他和 Bob 的一个多签地址上。为了防止Alice注资之后，Bob不合作，注资之前需要先生成一个alice/bob都签名的退款交易，这样即便Bob不合作，Alice依然能把钱取回来。其中退款交易有 30 天锁定时间，也就意味着30 天之后才能进入区块。Alice 拿到退款交易后不会广播出去，假如Bob不配合交易，那么Alice可以广播交易，最终取回注资的那笔资金。
如果双方都需要注资的话，那么就分别向多签地址注资，并分别生成退款交易，如上图所示。
通道建立完成后，Alice要向 Bob 0.1个比特币，那就分别生成两个交易，交易使用多签地址的output作为input，分别支付1.1个比特币给Bob，0.9个比特币给Alice，需要注意的是这里的交易只有29 天的锁定时间。为什么这么做呢？一旦 Alice 向 Bob 付钱之后，Alice 会广播原始的退款交易，拿回自己注资的1个btc，而实际上退款交易应该作废掉。如果Bob发现Alice已经广播了旧的交易，就可以广播这个新的交易，由于新交易只需要等29天就会被打包，因此即使 Alice 广播了旧的退款交易，也会执行失败，无法作恶。实际的闪电网络有更复杂惩罚机制，如果 Alice 一旦把旧交易广播出去，那么Bob可以拿到双方注资的所有2个BTC，惩罚作恶的一方。这个机制比较复杂，就不讲了，感兴趣的可以自己去深入了解一下。
假设 Alice 还要向 Bob 支付0.4个比特币，就重复同样的过程生成交易，只不过锁定时间变成 28 天过期。
上面描述的这个过程，可以解决两个地址之间的快速交易，如果要实现多个用户之间相互支付，如果只是实现上面描述的过程，那么所有人两两之间都要开通支付通道，成本就太大了。假设 Alice 向 Bob 有支付通道，Bob和Carol之间有支付通道，Alice能否通过已有的通道就向Carol付钱呢？答案是肯定的。
如果 Bob 不是一个诚实的人，在收到alice支付的0.1个比特币后，Bob 可以不向 Carol 付钱，因为没有任何约束。因此需要另外一个机制制约 Bob，保证一定支付给Carol。怎么办呢？
我们可以在锁定脚本上做文章。在原来锁定脚本的基础上增加一个新的条件。Carol 生成一个随机值R，并且对 R 进行的 Hash 得到 H，然后把这个 H 发给 Alice，这时候 Alice 发起相应支付。这里的支付是Alice发起对Bob的支付交易，并且把H作为验证条件放在锁定脚本中，如果解锁脚本中的R计算出的Hash等于 H 就验证通过，把币取走。因为Bob没有R，这时候Bob 再向 Carol 发起交易其中H也做为锁定条件，Carol 收到交易后，把Bob的交易解锁，这样Bob就知道R了，以此类推，Bob再解锁 Alice的交易。
通过上面的介绍，我们可以看出闪电网络可以把大量的链上的比特币的交易，转化成链下交易。减少链上交易的数量，加速交易。用户之间的交易只需要通过闪电网络传输很小的数据，并且不用经过链上确认（通过密码学和博弈论的方式保证资金安全，感兴趣的可以去了解一下），无需等待打包的过程，所以可以认为是及时的。
03
LND 介绍
我们刚才讲的都是关于闪电网络的基本的原理，基本原理讲了很多，因为这个确实理解起来比较困难。我们现在看一下闪电网络的实现，现在有三个比较稳定的实现，第一个 LND是官方实现的版本，使用Go语言，第二个 Clightning是C语言实现的版本，第三个 Clair是Scala实现的版本。
使用LND支付的过程大概是这样，先启动 BTC 或者 LTC，然后启动 LND 。通过命令行连接对方后，就可以Open channel，然后就可以支付。
04
支付流程
open channel 过程我们不演示了，就先看看支付的过程。
bob通过命令行生成invoice之后，将元数据发送给alice，然后alice通过命令行和invoice相关元数据进行支付。
05
问题及改进
闪电网络的问题主要是方案问题和实现问题。先说实现问题。最大的问题就是闪电网络现在的实现还是单机版，以现在的数据量来说单机是能够扛住的。但是随着某个节点增长到几十万 channel 的时候，单机LND困难定是不够的。
方案问题主要介绍Balance问题，如果出现上面图里的状况，alice在通道上已经没有钱了，那么无论是Alice想自己向Bob支付，还有别人想通过Alice向Bob支付都是不可能的了。为了解决类似问题，现在也有一些好的方案，感兴趣的可以去了解一下，在此不再赘述。
现在闪电网络上已经抵押超过 1000 个BTC，有超过 8 千个节点，有大概 3.8 万个支付通道，每一个支付平均是零点零几 BTC。在年初的时候闪电网络在微博做了一次推广，如果你去下载闪电网络客户端，并且把闪电网络客户端的收款二维码发到微博上，有人会给你转520聪 btc，下次再有活动大家可以试一下。
Q & A
提问：老师您好，在到达交易目标之前的时候，前面要付路由费吗？
方圆：需要的，因为路由是由发起方直接付给中间节点的。然而因为路由费也是通过Hash time Lock来锁定，因此如果最终没有支付成功，是不需要支付的。
提问：比如说闪电网络我 A 从 C 转，参与的方越来越多，他们两个没有直接通道，需要终端，一个通道需要多少给周转费用，这样将来周转费用很大，这样意义是不是受到很大限制？
方圆：我看资料千万左右节点总数，那么一次支付中可以将节点控制在 10 个以内，不会特别多。而单个节点的手续费是基于市场博弈的结果，会达到供需平衡，不会特别高或者特别低。
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