AND:硬核：一份關于支付網絡中路由問題的全面研究

區塊鏈因Layer1的交易吞吐量上限而常被詬病，離線支付網絡提供了一種「線下支付線上結算」的解決方案，為區塊鏈世界的支付賦予了幾乎無限的交易吞吐量。因而，支付網絡成為了當前最為熱門的區塊鏈研究與工程實踐方向之一。

經過多年國際學者與工程的發展，支付網絡的若干子研究方向已有了大量的論文研究和工程實踐，已經不易遍歷閱讀和詳盡了解。然而，當前階段對于這一重要的研究方向，雖然多數區塊鏈領域的人士對其基本思想有所了解，但對其最新進展具有較全面追蹤的國內極客與學者還不多。

本綜述系列面向對這一領域具有興趣的極客和學者，剖析若干子方向，歸納最新研究進展、提出筆者的思考。作者是熱愛研究的Nervos小伙伴?Shor，現為上海交通大學博士。

本文中，我們默認讀者具備了對于支付網絡的基本了解。在部分描述中，我們會將支付網絡看作一張圖論意義上的圖，每個參與者看作一個節點，每個支付通道看作一條圖上的邊。所以下文中筆者會不自覺地用「圖」來指代一個支付網絡，用「節點」來指代一個參與者，「邊」字來指代一個支付通道。

路由，即一個需要在支付網絡上發送交易的人和交易接收者與圖上其他節點共同互動而決定支付路徑的過程。當然，嚴格而言，這不一定是一條路徑，而可能是一系列路徑組成的一個有向無環圖，由于其他學者似乎尚未對此范疇采用新名詞，因而筆者將此系列路徑的總和命名為?transactionpattern。

1、基于網絡流的路由協議

韓亞銀行將與BitGo合作開展數字資產托管服務:金色財經報道，韓亞銀行（KEB Hana）銀行將于2024年下半年開始提供數字資產托管服務。它將與數字資產托管提供商BitGo Trust Company合作開展該項目。[2023/9/5 13:18:26]

用一個網絡流模型刻畫支付網路的整體狀態具有以下優勢：首先，網絡流準確刻畫了各支付通道的總額度、余量，使用現有的最大流算法可以找到兩點之間可以達到的最大支付總額，并且高效地找出一組可行路徑。接下來，筆者簡要介紹一下網絡流問題。

Hint：「基于網絡流的路由協議」是筆者所擬的名稱，其在大多數文獻中對應的詞組是?SourceRouting。其原因是這一類路由的過程得由源節點本地完成，其過程中默認源節點掌握了整張支付網絡的拓撲結構，并且可以動態探測任意支付通道中的余量。然而，所有已有的SourceRouting方案都是基于最大流算法的，所以筆者大膽地改換了稱呼，以便讀者理解。

網絡流問題簡介

我們用網絡流模型中的一個殘量網絡表述一個支付網路的整體狀態，其本質是一個四元祖

這個基于線性規劃的嚴謹定義并不方便觀眾們理解。筆者畫了以下的圖片來幫助讀者理解最大流問題的定義。下圖中是s1到t1的最大流為10單位。

倘若把s1到t1的10單位的額度全部用盡，并不只一種方案，其中一種「增廣」方案使用后如下圖。

此時，s2到t2的最大流依舊為10單位，不過方案唯一。如果恰好把?單位流量用完，則全圖殘量網絡如下。

Coin98 Finance推出風投基金Vietnam Future Fund:6月30日消息，Coin98 Finance發文稱，正式推出風投基金Vietnam Future Fund，為越南企業家建立以全球為重點的公司賦能，其使命是通過提供全面的資源和戰略指導，支持越南公司擴大其全球影響力。[2023/6/30 22:10:32]

常用的最大流算法包括預留推進算法和一類基于增廣路定理的最大流算法，其中包括了?Edmonds-Karp?算法以及他的衍生算法如?ISAP?算法和?Dinic?算法。

不難發現，對于大額支付，我們可以通過最大流算法得到兩節點之間的最大可能支付額度。如果支付金額小于這個額度，我們也就通過最大流算法確立了一個支付方案。

2、基于燈塔節點的路由協議

基于燈塔節點的路由協議的總體思路如下。首先，每個節點都有資格成為燈塔節點，每個節點都有權利選擇讓哪些燈塔節點來協助路由。這個大前提基本保證了路由方案的去中心化特性不被打破。

然后，為了提供一定的額度隱私性并增加支付成功的概率，每一筆支付的額度被分為|L|份，每一份由不同的燈塔節點協助完成傳輸。對于不分片的情況，我們認為|L|=1。而燈塔協助傳輸的方式則是根據自己的視野為這筆金額安排一條通道，并通過與這些通道上的節點通訊獲取這個通道上可以通過的最大額度。

早期方法

基于Landmark的路由協議思路來自于計算機網絡領域的研究。其中的常見組件如下。

Skyland Ventures旗下Web3基金完成約3800萬美元募資，SBI集團參投:4月14日消息，日本風投機構Skyland Ventures宣布其名為“Skyland Ventures No.4 Fund”的Web3基金完成總計50億日元（約合3800萬美元）的募資，SBI集團作為新投資者參與了此次募資。

據悉，Skyland Ventures已投資大約150家公司，主要是日本的初創公司。2022年之后，其開始重點投資Web3初創公司。SV4基金成立于2022年4月，作為種子風投基金主要投資Web2、Web3初創公司，尤其積極投資生成式AI領域和元宇宙等數字經濟領域。（Coinpost）[2023/4/14 14:03:39]

雙向BFS尋找最短路徑

圖嵌入

通過這樣的編碼方式，可以高效地確定兩個節點之間的一條路徑——即從付款節點到兩節點的最近公共祖先的唯一路徑拼接上從LCA到收款節點的唯一路徑。

SilentWhispers?與?SpeedyMurmurs

SpeedyMurmurs直接采用了分片支付的方案。除此以外，與SilentWhispers的一大不同是，SpeedyMurmurs中燈塔節點利用樹基圖嵌入的方式提供支付路徑，其出發點針對SilentWhispers雙向BFS樹在動態網絡環境下維護的困難性，即使是拓撲距離非常靠近的兩個節點間路由也要經過Landmark節點，以及極差可并發性的問題。?

律師：美SEC在針對Ripple案件的言論中存在諸多矛盾，勝算并不高:1月17日消息，Ripple律師John Deaton分享了進一步的見解，解釋了為什么他認為美國SEC的論點可以讓Ripple Labs在有關XRP地位的持續訴訟中獲勝。

Deaton表示，美國SEC聲稱XRP在任何時候都是一種證券，這證明Howey測試沒有簡單的定義，這使得它用于確定資產是否為證券是一項艱巨的任務。Deaton稱，提交給法院的約3000份法庭之友簡報顯示，首次購買XRP的人甚至不知道Ripple Labs的存在，也不知道Ripple Labs對XRP有任何影響。

在這場始于2020年12月的訴訟過程中，美國SEC起草了一名專家作證反對XRP。Deaton指出，根據Howey測試的規定，專家試圖將整個XRP社區稱為“共同企業”。但這些指控是毫無根據的，因為專家沒有采訪任何XRP持有者，SEC也沒有將專家的立場納入其簡易判決。

Deaton指出了所有這些觀察結果和矛盾之處，他說，那些認為SEC有機會打贏這場官司的人高估了SEC獲勝的機會。（U.Today）[2023/1/17 11:16:36]

3、基于數據網絡方法的路由協議

由于以上的路由方案都沒有充分考慮實際支付網路的動態性。所以部分來自計算機網絡背景的學者提出了將數據網絡中的路由辦法直接用到支付網絡中的若干方案。由于數據網絡的路由理論已經在計算機網路領域非常成熟，這一類方案具有較高的可靠性。動態性也給這類方案提供了非常可觀的效率。其中最為經典的是?Spider?協議。

Messari：1inch在2022Q3交易量幾近減半，收入環比下跌84%:10月19日消息，據區塊鏈分析公司Messari發布的1inch 2022年三季度報告顯示，該DeFi協議的總交易額在7月至9月期間下降了45.5%，從495億美元降至270億美元；此外，1inch的總收入為10.3億美元，比第二季度協議記錄的67.5億美元收入下降了84%。

1、在交易量方面，1inch在2022年第三季度處理了460萬筆交易，與二季度持平。

2、在鏈上交易方面，以太坊在1inch協議總交易量中占比超過84%，始終保持主導地位，Polygon和BNB Chain分列第二和第三位，據悉，三季度是自2021年第四季度以來Polygon的總交易量首次環比超過BNB Chain。

3、在用戶量方面，1inch三季度總用戶數較上一季度溫和增長2.4%至220萬用戶，日均用戶約為23,500個地址，與上一季度持平。大多數用戶使用Polygon網絡，其次是Ethereum和BNB Chain。[2022/10/19 17:32:17]

Spider?將支付網絡類比為數據傳輸層，使用數據網絡的方法進行動態路由。為了和數據網絡的模型匹配，在此方案中，我們依舊假設所有的通道都是雙向的。類似于數據網絡中的數據包，每一筆交易被拆分為若干金額包通過不同路徑尋路。每個金額包被直接通過支付網路通道傳輸并最終抵達收款者，其轉發過程中的節點都鎖定了相應額度。在完成了尋路后，根據各個金額包的轉發路徑完成最終支付。

然而，支付網路和數據網絡的一大區別在于通量限制的存在。因此，每個通道都會對應一個隊列保存所有還沒能以當前通量完成傳輸的金額包。只有當有足夠的通量從通道的另一側傳來，這個隊列中的金額包才能繼續傳輸。值得注意的是，雖然我們用一個金額包的傳輸過程來描述動態路由過程，其實質是一個尋路與鎖定的過程，倘若不加注意會把這個路由過程誤以為是支付過程。

4、混合路由協議

通過對?Ripple?和?Bitcoin?支付網絡的實際分析，最新的調研發現：

支付網路有必要支持大額交易；

大額交易需要更加側重支付成功率，小額交易應該更加注重效率。

基于這一發現，Flash?協議用基于最大流的路由方案來完成大額金額的支付，用基于數據網絡的路由方法進行小額金額的支付。由此，大額交易的支付成功率和小額交易的效率得以兩全。

各類路由方案的對比與分析

筆者在以上表格?Tab.1?中，列舉了各類非混合路由協議的優勢與劣勢。由于難以量化，具有一定的主觀色彩。

5、未來研究展望

接下來，筆者提出若干研究展望，并在文末提出這方面科研中可能遇到的問題。

?熟悉「基于增廣路的最大流算法」的朋友們應該了解，這類算法都需要為每條邊配備上一條「反向邊」用來描述一種算法中需要用到的回流。而我們可以驚訝地發現，這種回流正好對應地刻畫了雙向支付通道中從另一個方向的額度沖抵。因而增廣路定理保證了哪怕在支付網絡上無規則地「增廣」，最后也一定會完成任一筆不超過最大流額度的支付。這樣，我們就得到了一種完全「動態」的基于最大流的路由算法。這一點似乎并未被現有文獻提及。當然，對于絕大多數小額交易，用這個算法太過于殺雞用牛刀了。但筆者相信對于早期支付網絡中遇到的巨額交易，這個思路會派的上用處。

?可以用「最小費用最大流」來取代底層最大流，使得有多種選項時算法可以挑出一組長度最短、總過路費最少的路徑方案。學過一種「最小費用最大流」算法的朋友此時應該能明白筆者的寓意，在此不再展開。

?通過支付網絡相關智能合約代碼的重構，或者通過另類?landmark?節點的設立，「指導」參與節點建邊，以系統性地改進網絡的拓撲結構。筆者曾對可能由各個?landmark?引向的結構做過不少暢想，其中包括基于?hypercube、以?landmark?為根的平衡樹、以?landmark?為根的?link-cut-tree?等等。

如想在這一方向深入科研，尤其如果在以縮短平均跳數為目的，可能存在兩大問題：

第一個問題

實事求是地，當前的支付方案在當前的支付網絡規模中已經做得夠好了。根據?SpeedyMurmurs?論文中的實驗數據，其已經可以在鼎盛時期的?Ripple?網絡中達到平均?2?到?4?跳數的水準。在此之上再做優化又能如何呢？更優美且能在未來百千萬、上億規模支付網絡中取得更好結果的算法，在當前支付網絡下興許反而因為較大的「常數」而并不能取得一個更好的結果。當然，基礎研究是要面向未來大規模支付網絡的未來的，但面向未來的研究得要在大規模的網絡上進行模擬實驗才能具有公信力。接下來筆者來闡述一下大規模支付網絡的拓撲結構的模擬是如何不可為的。

第二個問題

難以進行合理的模擬實驗。首先，實事求是地說，當前階段的現實網絡中的多數參與者尚且是少數極客精英和資本，其拓撲結構肯定和未來的真實網絡大相徑庭。其次，筆者認為社交網絡中的若干模型并不能真實反應支付網絡未來之拓撲結構，例如，筆者并不覺得社交網路中常用的「Watts?圖」可以刻畫好未來的這個網絡，因為大多數節點不會去建很多條邊使得圖的?density?達到出現?small-worldphenomenon?的?threshold，Watts?圖的大前提不會成立。總而言之，筆者認為，一個對未來支付網絡拓撲結構的研究，于今至關重要，是若干支付網絡更多研究發展的大前提。

References

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7.GiovanniDiStasi,StefanoAvallone,RobertoCanonico,andGiorgioVentre.Routingpaymentsonthelightningnetwork.iThings/GreenCom/CPSCom2018

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