10.1 闪电网络
10.1.1 闪电网络简介
比特币是现今最成熟的数字货币系统，无需任何中间人，用户可在比特币的网络里转移货币，实现对商品和服务的支付能力。 但作为实用的支付系统，比特币还存在着一些缺陷。如，比特币平均每秒只能处理大约7笔交易，全年的吞吐量约2.2亿笔，无法满足一个城市的基本需求；每笔 交易要等到1小时后才能基本确认；对微支付（micropayment）来说，交易费用可能太高。虽然有些方案可以提高比特币的性能，效果却不太显著。
闪电网络（Lightning Network）由Joseph Poon和Tadge Dryja首先提出，被认为是比特币创立以来最重要的革新。它利用了比特币的安全特性，在线下提供高速的实时交易处理能力。用户既可通过点对点的直接支付 方式，也可以通过网络路由的方式实现间接支付。闪电网络并没有发明新的加密形式，也没有使用新奇的比特币脚本，却巧妙地实现了离线支付的功能。目前闪电网 络还在实现阶段，相信不久将进入实用阶段。在其他加密货币（如以太币）系统中，也按照类似的原理实现了离线支付方案，如雷电网络（Raiden Network）。本节主要介绍闪电网络的工作原理。
10.1.2 支付通道的创建
在闪电网络提出之前，支付通道（Payment Channel）的概念就已经出现。支付通道可以实现某些特定场合的离线交易，但仅仅支持单向支付，有点像预付费的购物卡，只能不断地把钱从用户转向商 户。闪电网络对支付通道进行了扩展，实现了无需信任第三方的双向支付通道。
双向支付通道可由参与的双方共同发起一个交易来创建，实质上就是双方往一个多重签名（multisig）地址存入一定 数量的比特币。假定Alice打算给Bob发送1个比特币，Alice可直接在比特币的网络上广播一个交易，从Alice的地址转向Bob的地址。但是考 虑到两人经常有来往交易，他们决定向同一个地址X各转入3个比特币，X拥有6个比特币的未花费输出（UTXO）。由于该地址是2分之2（2-of-2）的 多重签名地址，因此需要两人同时签名才可以使用地址中的比特币。这个交易称为支付通道的“首次交易”（opening transaction），如图10-1所示。在向比特币网络广播“首次交易”之前，Alice和Bob各自确定一个随机数作为密码（secret），然 后对密码进行哈希运算，把哈希值（hash）告诉对方（密码各自保留）。在后面可以看到，这个哈希值和密码还可以用来取消过期的离线交易。
图10-1 支付通道的首次交易
接下来就是Alice和Bob各自创建离线交易，更改通道的离线余额。Alice创建的交易称作“承诺交易” （Commitment Transaction），是把首次交易中的输出地址X作为输入地址，发送2个比特币给自己，4个比特币给一个新的多重签名地址Y，如图10-2所示。这 个多重签名地址Y很特别，有两种花费方式：一种方法是Bob可以单独广播交易来解锁拿到4个比特币，但需要再等待1000个出块时间（从交易在区块链上确 认后算起），这是用比特币的CSV（CheckSequenceVerify）锁来实现的；另一种方法是由Alice单独广播交易来解锁，前提是 Alice得到和Bob的哈希值对应的密码。一般情况下，Alice是没有Bob的密码的，后面我们会看到在取消该交易的时候，Alice可以得到Bob 的密码。
图10-2 Alice发给Bob的不完整交易
Alice在上述交易中签名，由于输入地址X需要多重签名，这个交易还需要Bob的签名才能生效。Alice把这个缺 少Bob签名的不完整交易线下发给Bob（即不通过比特币网络），这点正是闪电网络设计精妙之处：Bob可随时在不完整交易中签名，然后广播到比特币网络 上去确认记账，也就是说，Bob任何时候能够确保自己获得4个比特币（需要等待1000个出块时间），而Alice可即时得到2个比特币。当然，Bob广 播这个交易的同时，地址X的余额被用完，支付通道也就自动关闭了（相当于清算了两人的账目）。这里看到，闪电网络不鼓励关闭通道，发起关闭交易的一方，会 比对方晚些获得比特币。
在Alice发给Bob不完整交易的同时，Bob也给Alice发送类似的不完整交易。不同的是，Bob的交易是给自 己4个比特币，将2个比特币发给另一个多重签名地址Z，如图10-3所示。同样，Alice可以从地址Z中拿走2个比特币（需等待1000个出块时间）， 或Bob可拿走Z中的2个比特币（如果他知道Alice的密码）。
图10-3 Bob发给Alice的不完整交易
在Alice和Bob交换了不完整交易以及密码的哈希值之后，他们共同签名的首次交易就可以广播到比特币网络上去确 认，支付通道正式打开。上面已经提到，任何一方都可以从通道中退出并结算比特币余额，但是发起方会比另一方晚得到比特币。在不需要结算的时候，他们各自保 存对方发来的不完整交易。
10.1.3 支付通道的更新
过了一段时间，当Bob希望给Alice发送一个比特币这时候，他们可以在线下完成这笔交易，具体操作和上节的承诺交 易一样。Alice发给Bob一个不完整交易，给自己3个比特币，给Bob 3个比特币；Bob也同样发给Alice一个类似的不完整交易，给自己3个比特币，给Alice 3个比特币。和上次不同的是，Alice和Bob各自要使用新的密码，并和对方交换新密码的哈希值。这样操作之后，通道中Alice和Bob的比特币数目 将从2∶4更新为3∶3，实现了BoB转1个比特币给Alice的交易。
此刻，Alice和Bob各持有对方的2个不完整交易，为了防止任何一方广播已经过期的交易，闪电网络在更新支付通道 余额的时候，要求双方把上一轮交易中各自的密码发给对方，这实际上等同于作废了上一轮交易中双方持有的不完整交易。例如，Bob如果把旧的交易签名发到比 特币网络上（因为对Bob更有利），Alice可立刻得到2个比特币，Bob需要等待1000个出块时间才能拿到自己的4个比特币。可是在Bob等待之 时，Alice可用Bob的密码立刻取走Bob的4个比特币！所以，Bob不会发布过期的旧交易。同理，Alice也不会发布过期的旧交易，两人都会尽可 能地按照规则来办事。
10.1.4 支付网络的构建
支付通道解决了两个用户在线下直接交易的问题。但如果两个用户之间没有建立支付通道，他们怎样交易呢？闪电网络设计了 一种中间人方案：若Alice希望发送1个比特币给Carol，她们之间没有直接的支付通道，但她们分别和Bob有支付通道，于是可以通过Bob作为中间 人来支付。Alice把1个比特币给Bob，Bob再把1个比特币给Carole。
这种支付方法比较容易理解，在实施中需要解决各方间无信任的问题，例如，Bob需要确保他支付1个比特币给Carol 后，会收到Alice发来的1个比特币。闪电网络采用了HTLC（Hashed Timelocked Contract，哈希时间锁合约），来保证交易能够畅通进行。
在HTLC中，Alice不会直接发送1个比特币给Bob，而是发送1个比特币给一个多重签名地址Q，如图10-4所 示。地址Q有两种解锁方式：用Bob的签名加上其他人设置的一个密码；或者Alice用本人签名解锁，但需要等待一段时间，例如30天。这样的方式相当于 在30天内，Bob如果得到密码，就可以用签名拿走地址Q中的1个比特币；如果Bob在30天内没有提供密码，被认为超时（timeout），Alice 可以从地址Q中拿回自己的1个比特币。
图10-4 Alice和Bob的HTLC交易
同样的，Bob和Carol也设立这样的HTLC，并且满足两个要求：采用和Alice-Bob的HTLC相同的密 码，以及稍短一些的超时设置，如29天。Bob-Carol的HTLC超时要比Alice-Bob的HTLC要早，目的是确保在Bob支付了Carol之 后，可以从Alice取回相应的比特币，而不是因超时Alice取回比特币。因此，在HTLC中，采用了 CLTV（CheckLockTimeVerify）锁，来确保在未来特定时间点（如某个区块高度）超时解锁。
从Alice到Carol的整个支付过程如图10-5所示。首先Carol随机生成一个密码R，再把R进行哈希运算后 得到H（R），然后将H（R）发送给Alice。Alice用哈希值H（R）作为CLTV锁，创建和Bob的HTLC合同，包含1个比特币，有效期30 天。Bob用同样的H（R）哈希值打开一个和Carol的HTLC合同，也包含一个比特币，有效期29天。
图10-5 Alice、Bob和Carol的HTLC
在29天内，Carol可以提供密码R，来解锁Bob的HTLC，从而得到1个比特币。Bob也看到了密码R，他可用R去解锁Alice的HTLC，也得到了1个比特币，这样就完成了从Alice到Carol的支付，如图10-6所示。
图10-6 Carol用R解锁Bob的HTLC后，Bob也可用R解锁Alice的HTLC
如果在29天内Carol没有拿走比特币，因为Bob的HTLC已经超时，Bob可以取回自己的比特币；因为Bob没有Carol的密码R，无法取走Alice的HTLC中的比特币，Alice等到第30天，也能取回自己的比特币，如图10-7所示。
图10-7 超时后，Bob先赎回比特币，Alice随后赎回比特币
闪电网络还可以通过多个中间节点实现转账，像互联网的多节点路由一样，只要两个用户之间存在一条通路，就可以按照上述原理进行支付。
10.1.5 支付通道的关闭
上文已经提到，Alice或Bob两人都可随时把最新的不完整交易签名后发布的网络上，从而关闭支付通道，发起关闭的 一方需要等待较多的时间才能拿到自己的比特币。当然，双方也可以协商共同发布一个正常的交易，按照大家认可的余额比例来转移首次交易中的输出，双方都无须 等待时间，离线的所有不完整交易也同时作废。
10.1.6 小结
闪电网络实现了在离线环境下提供比特币交易的方式，在支付通道打开后，参与方可离线发生任意数量的交易，而无须广播到 比特币的网络上，从而大大提高了交易速度，也减轻了比特币网络的压力，这将成为比特币很重要的功能。目前，闪电网络依赖的一些必要的软件升级，如隔离见证 （Segwit）等已经基本就绪，闪电网络本身的实现也即将完成，相信不久将进入使用阶段。
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