IOT:一文了解閃電網絡的力量：快速完成物聯網小額支付

作者:?OmerShlomovits

原文鏈接:

https://zengo.com/make-micro-payments-in-a-flash-the-power-of-lngate/

引言

設想你開車到外地去參加一場重要的會議，一路上會途徑三個收費站。那你要給過路費，不是又要把車慢下來，又要浪費一些時間嗎。這就產生了“自動支付系統”的需要。

靠設備間通信完成、無需人力介入的原子化支付，是解決這個問題的理想方案。雖然有可能將這些設備與傳統的支付系統關聯起來，但這就引入了一個第三方，他們可能會把管理成本轉嫁給你，甚至收集你的隱私。這樣來看，密碼貨幣可以創建一個更方便的支付系統。因此，把IoT和密碼貨幣結合起來可以解決這些問題。

憑借去中心化賬本的概念，比特幣已經成為了一種顛覆性的支付系統，但對支付場景來說，它有一些重大缺陷，比如手續費太高，交易的確認時間很長。

閃電網絡已經用一種大膽的做法解決了這些問題——鏈下支付。有了這一進步，用比特幣來做小額支付也頗有前景，而且也能被許多IoT應用接受。然而，在IoT設備上托管閃電網絡和比特幣節點是不可行的，因為它們的存儲、內存和處理開銷。

自閃電網絡問世以來，它已經有了超過20000個節點。物聯網設備只有非常有限的計算、通信和存儲能力；因此，在大部分配置較低的物聯網設備上安裝閃電節點都是不可能的。具體來說，使用閃電網絡需要你運行一個閃電節點以及一個比特幣全節點，兩者加起來需要超過340GB的存儲空間。要參與比特幣區塊的驗證，可靠的互聯網連接和相對較高的計算能力也是必不可少的。

金融穩定委員會和IMF報告：加密貨幣的使用應該受到控制而不是禁止:金色財經報道，國際貨幣基金組織（IMF）和金融穩定委員會（FSB）聯合發布的一份報告表示，加密貨幣尚未證明自己像支持者聲稱的那樣有用，并且可能對世界金融體系構成危險，但它們的使用應該受到控制而不是禁止。該報告就加密監管提出了以下五項提案：

1、加密資產不應被授予官方貨幣或法定貨幣地位，而且由于存在對國際貨幣體系造成不穩定影響的風險和擔憂，央行應避免將加密資產作為其官方儲備資產；

2、稅收政策應確保對加密資產的明確處理，當局應在跨境信息共享和金融監管方面進行合作，以實現有效的稅收合規；

3、當局應根據加密資產活動帶來的風險并符合國際標準來運用其權力。還建議司法管轄區在必要時更新或澄清適用于加密資產處理的法律。

4、應該有收集、存儲、保護和及時準確報告加密資產數據的系統和流程，并且當局應該有權酌情訪問這些數據。

5、全球穩定幣發行機構和相關方應向市場參與者提供全面、透明的信息，以了解每種代幣的功能。當局應要求穩定幣向所有用戶針對發行人和/或基礎抵押品提供強有力的法律主張，并保證及時贖回。[2023/9/8 13:25:52]

考慮到所有這些因素，我們需要一種輕量化的解決方案。我們提議一種基于門限密碼學的協議，由可信的閃電網絡網關負責托管完整的閃電網絡節點和比特幣節點，讓物聯網設備能夠通過這個網關發起閃電網絡操作。

美元穩定幣TUSD推出新網站，目前兌換及鑄幣正常:金色財經報道，據美元穩定幣TrueUSD（TUSD）在其官方社交媒體宣布，已推出新網站tusd[.]io，新平臺具有新的圖形和直觀的導航，旨在增強用戶界面和體驗，此外TrueUSD還澄清當前平臺兌換及鑄幣一切正常。另據TrueUSD官網數據顯示，本文撰寫時其總交易量已接近500萬筆（491萬筆）。[2023/9/2 13:13:31]

還可以通過支付手續費來激勵LN網關提供這項服務。

我們提議的協議具有以下特點：

能夠實現即時付款

可以運行在低帶寬的網絡上

所需物聯網設備

閃電網絡

我們的協議會用到閃電網絡。閃電網絡是2015年提出的概念，很快就被LightningLabs和其他團體在比特幣上實現了。它是一個比特幣區塊鏈網絡之上的點對點二層網絡。

閃電網絡致力于解決比特幣的可擴展性問題。利用比特幣的智能合約功能，閃電網絡讓用戶可以開設安全的支付通道、享受即時和便宜的比特幣轉賬，還能在網絡中實現多跳間接支付。

自問世以來，使用閃電網絡的用戶已有了可觀的增長。閃電網絡現在有總計59192個通道，留存1986.06btc。

我們用一個例子把閃電網絡講得更清楚些：

PancakeSwap V3已正式上線Polygon zkEVM主網:7月4日消息，PancakeSwap宣布其V3版本已正式上線Polygon zkEVM主網，并作為測試網生態系統合作伙伴加入Linea Voyage的DeFi Week。

此外，PancakeSwap表示，其V3總交易量升至35億美元，較上個月環比增長3.74%，其中以太坊鏈上 PancakeSwap V3交易量環比增長74%。[2023/7/4 22:17:41]

Alice想給Bob支付，所以跟Bob開啟了一個閃電網絡支付通道。在這個支付通道中，資金可以在Alice和Bob之間雙向流動，無需把交易提交到比特幣區塊鏈上。也就是說交易是在鏈下發生的。

-圖1.一個閃電網絡通道的生命周期-

從圖1中可以看出，閃電網絡的一個重要基石是承諾交易。承諾事務有三個輸出。

Alice發出的承諾事務的三個輸出一般是：

給Alice分配當前她在通道中的余額，但是帶有時間鎖，要過一段時間才能使用

給Bob分配當前他在通道中的余額，是馬上就可用的

支付合約

閃電網絡技術基礎

為了我們的協議，我們修改了閃電網絡的閃電網絡技術基礎#2。閃電網絡技術基礎是閃電網絡用來管理通道的對等節點協議，用來實現安全的比特幣鏈下支付。

數據：在岸人民幣兌美元收盤報7.2458，目前USDT溢價率為-0.93%:金色財經報道，數據顯示，USDT場外價格為7.18元，溢價率為-0.93%。9月28日在岸人民幣兌美元收盤報7.2458。[2022/9/28 5:57:41]

BOLT#2有三個階段：

通道建立

通道的正常操作

通道關閉

門限密碼學

我們的主要創新是在閃電網絡中加入門限密碼學。

現實生活中的密鑰分割是非常普遍的，但我們要借用到數字世界來。

“門限密碼學”是安全多方計算的一個子集，處理的是超過一方參與的密碼學操作。

在密碼貨幣的世界里，私鑰被盜會導致資金損失。所以，人們提出了在多方間分割密鑰的想法。在一個門限方案中，密鑰是在多方間分割的，而且預先定義了一個閾值，參與者的數量如果少于這個閾值，無論如何也不能知道關于這個密鑰的信息。

為了在物聯網設備上使用閃電網絡，同時無需承擔所有的內存負擔，我們要利用門限密碼學。

這也是可以實現的，因為我們把閃電網絡節點獨立了出去，物聯網設備只需參與關鍵的密碼學部分。

這樣做可以加速我們的開發進程，讓整個系統更容易跑起來，還節約成本。

南京打造元宇宙產業先導區:金色財經報道， 9月3日，中國·江寧首屆元宇宙產業發展高峰論壇舉行，10個元宇宙產業項目簽約落戶江寧。元宇宙是繼移動互聯網之后，又一個蘊含無限可能的創新浪潮。南京市江寧區圍繞數字經濟高質量發展，聚焦與元宇宙領域相關前沿科技，大力吸引龍頭項目落戶。該區出臺了全省首個元宇宙產業政策，建設10萬平方米的元宇宙產業大廈，承接元宇宙領域優質項目和創新團隊。作為南京元宇宙產業發展的先導區，江寧高新區數字經濟營收保持30%以上的年增速，已吸引總投資近200億元的一大批優質項目落戶，江寧大學城內現有8所高校開設了元宇宙相關專業。[2022/9/5 13:08:23]

-圖2.系統模式示意圖-

我們的系統有四個主要部分：物聯網設備；閃電網絡網關；橋接閃電網絡節點；目標閃電網絡節點。

其它中介包括：門限客戶端；物聯網設備網關；閃電網絡網關的比特幣核閃電網絡節點；門限服務器。

一些假設：

物聯網設備可通過網關連接到互聯網。

物聯網設備和閃電網絡網關在發送支付的過程中不會掉線。

物聯網設備在其余時間可以離線。

協議

假設一個物聯網設備現在想給目標閃電網絡節點支付

從IoT網關開始，設備聯系?閃電網絡網關，網關管理著閃電網絡節點、比特幣節點和門限服務器

無論什么時候IoT設備發起請求，閃電網絡網關便打開與橋接閃電節點的通道，以連接到目標網絡節點

橋接網絡節點可以向發起支付的閃電網絡網關收取路由費

IoT設備的支付通過橋接節點路由到指定的目標節點

現在，門限密碼學的操作在IoT設備和閃電網絡網關間運行，所以只有閃電網絡網關需要運行這個改進后的協議。系統的其余部分可以運行原始的BOLT協議。

安全分析

這里，我們假設我們的系統會面臨三種威脅：串謀攻擊、IoT設備與閃電網關串謀和勒索攻擊。

串謀攻擊：

1.閃電網關和橋接節點串謀

在我們的系統中，支付總是從IoT設備發送到目標閃電節點的，反過來說，這總是會增加橋接節點在通道中的余額。因此，橋接節點的舊通道狀態余額總是會低于最新的狀態，所以這種勾結不會發生。我們這套協議當前局限于單向的支付，為物聯網設備實現雙向的支付是未來的工作。

現在，假設閃電網關要把舊狀態廣播到區塊鏈網絡中。只有閃電網關的某個舊狀態比當前狀態具有更多資金，這樣做才有好處的。但是，這也不可能，因為閃電網關會對IoT設備的每一次支付收費，其余額也是一直上漲的。此外，橋接節點的舊狀態余額也必定較低。所以他們兩個的舊狀態余額都比較低，串謀是得不到好處的。

，但是每次承諾事務都有輸出向IoT設備和網關各自控制的地址分配資金，而不是把資金分配給門限私鑰；所以，通道可以做到網關和橋接節點的余額總是遞增的。具體細節見文末所附的完整論文。）

2.IoT設備和閃電網關勾結：因為IoT設備的通道內資金總是隨著支付的發生而下降，所以它很容易與閃電網關勾結，向網絡廣播一個過時的狀態。

如果橋接節點不想丟失資金，那他在其它時間也不能下線。因此，這種勾結不是我們的協議特有的，而是閃電網絡普遍的問題。

盜竊IoT設備的資金：

閃電網關可以通過以下方法盜取IoT設備所承諾的資金：

把它們發送給其他閃電網絡節點

把舊狀態廣播到網絡中

與其他閃電網絡節點勾結

如果我們使用閃電網絡的原始簽名機制，閃電網關就可以拿走IoT設備在通道中的資金，無需來自IoT設備的簽名。我們所提議的修改——在閃電網關的承諾交易中使用的門限方案——正是為了保護IoT設備不會損失資金。

勒索攻擊：

這種攻擊是閃電網關偏離協議描述的情形。舉個例子，網關可以告訴IoT設備，“給我多少多少比特幣，不然我就不幫你關閉通道”，或是“現在開始，你要接受10%的服務費率，不如我就不給你服務了”。

此時，IoT設備最好的辦法就是拒絕勒索，干耗著。然后，閃電網關會扣著IoT設備的資金，盡可能地拖延。這是個死循環，雙方都是干耗著。

LN網關最好的做法是繼續為IoT設備服務并收取服務費。

應用和實驗

我們這個協議的應用場景包括電動車充電樁、傳感器數據銷售和停車場收費系統。還是拿一開始的收費站做例子好了，因為我們也實地做了測試。

實時響應對收費站來說是最關鍵的，因為理想狀態是汽車通過收費站時不必停車，利用無線網絡就完成支付。

每當一輛車進入一個收費站的無線覆蓋領域，它就通過IoT的網關向收費站的閃電網關發起支付請求。這個閃電網關立即發送所請求的支付數額給收費公司的閃電節點。支付完成之后，一條表示“支付成功”的消息通過IoT網關返回給車輛。

要讓這個系統在現實中能用，整個支付流程必須在汽車駛離收費站的無線網絡覆蓋范圍之前完成。

因為支付只需花費4.12秒，所以車子是能及時完成支付的。

至于成本，我們假設一輛車一天要交兩次過路費。假設這輛車已經提前開好通道了，那么使用這套服務唯一的成本就是閃電網關對每次支付收取的服務費。雖然這個費率是由網關決定的，我們假設服務費數額是過路費實際數額的5%。如果每次通行需支付0.75美元的過路費，那么每次支付的手續費就是0.0375美元，每個月的服務費不過是2.5美元。

考慮到瞬時支付過路費的便利，每個月多花2.5美元應該不算什么。實際上，信用卡公司的收費差不多，甚至更多。

結論

我們的評估結果顯示，閃電網絡節點可以支持快速而及時的物聯網小額支付，而且運營成本很低。

本研究的目的是讓資源有限的物聯網設備能夠與閃電網絡交互，并與其他用戶開展小額支付。

就我們所知，這是第一個在閃電網絡中實現了門限密碼學的工作。

所以，你可以享受旅行、及時抵達，不用擔心過路費支付啦！

我們的協議還可以用在許多其它的物聯網小額支付應用中。

我們的成果也是門限密碼學閃電網絡通用框架開發的一個里程碑。想要了解整個方案的所有細節，請看我們的論文。

希望你有所收獲！

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