BTC:閃電網絡深入解讀（下）：HTLC 與支付路由

閃電網絡深入解讀：支付通道

在上一篇文章里，我們詳細解釋了支付通道的運作，以及多種保證支付安全發生的方法。不過，這些功能，還不足以支撐一個可用的支付通道網絡：即使我們很確定在每個通道內每個參與者都是誠實守信的，也沒法保證通過多個通道來支付同樣是安全的。這就是我們需要“HTLC”這種智能合約的原因。在本文中，我們會講解HTLC工作的方式，并使用一個例子來展示多跳支付是如何在閃電網絡中實現的。

哈希時間鎖合約

HTLC的結構并不復雜，但非常高效。它使我們可以創建具有明確“過期時間”的支付。你可能也猜得到，HTLC合約由兩部分組成：哈希驗證和過期驗證。

我們先從哈希值開始。要創建一筆帶有HTLC的支付事務，你先要生成一個?秘密數值?R，然后計算出其哈希值。任何詞語、任何數字都可以充當這個秘密值，因為，對哈希函數來說，它們都是一堆數據的組合，沒有什么分別。

H?=?Hash(R)

這個哈希值H會放在事務輸出的鎖定腳本中。如此，只有知道H所對應的秘密值的人才能使用這個輸出。而R就是所謂的“原像”。

HTLC的第二部分是過期時間的驗證。如果秘密值沒有及時地公開，這筆支付就用不了了，發送者會收回所有的資金。

我們來考慮一個發給某人的HLTC支付事務：

#?檢查所提供的?R?是否為?H?的原像HASH160?<H>?EQUALIF????#?檢查公開?R?的人是否為事務最初的接收者????<Payee?Public?key>?CHECKSIGELSE????#?檢查時間鎖是否已終止????<locktime>?CHECKLOCKTIMEVERIFY????#?檢查請求返回資金的是不是事務最初的發送者????<Payer?Public?Key>?CHECKSIGENDIF

閃電網絡節點數量已達15195個:金色財經報道，據1ML.com數據，目前，支撐網絡的節點數量達到15195個，相較30天前數據，環比上漲2.81%；通道數量為36021，相較30天前數據，環比上漲1.1%；閃電網絡承載能力目前為1063.12BTC，約合2423.22萬美元。[2020/12/21 16:01:07]

在正確的R公開之后，我們進入IF流程，進一步驗證提供R的是不是這筆支付事務一開始的支付對象。在花費這個輸出時，接收方只需提供一個非常簡單的解鎖腳本：

<sig>?<secret?R>

如果解鎖腳本所提供的R是錯的，我們跳轉入ELSE流程，首先驗證時間鎖解鎖了沒有。如果時間鎖已然解鎖，發送者就可以收回所有的資金。收回資金這個操作的解鎖腳本也差不多，唯一的區別在于，為了進入ELSE流程，需要提供一個錯誤的秘密值：

<sig>?<wrong?secret>

當然，這只是HTLC的一個非常基礎的實現，代表著一個普通的時間鎖支付。你可以在腳本中加入任意多的其它條件，比如說，在IF流程中移除公鑰驗證，這樣只要知道秘密值R的人都可以使用這個輸出；也可以在其中加入多簽名限制，要求提供多個預設私鑰的簽名才能解鎖。

多說一句，在這個案例中，我們使用的操作碼是?CHECKLOCKTIMEVERIFY，這個操作碼使用絕對數值來定義時間鎖，意思就像：“這個輸出在區塊#546212之前是無法動用的”。而在閃電網絡中，還用上了另一種時間鎖，更“靈活”的一種：CHECKSEQUENCEVERIFY，它用到的是相對數值，意思近于：“這個輸出，在使用它的事務上鏈之后的1000個區塊內，是無法使用的”。

閃電網絡案例

現在，我們終于講解完所有元素了，可以嘗試理解閃電網絡運作的全景了。

閃電網絡節點數量已達13700個:金色財經報道，據1ML.com數據，目前，支撐網絡的節點數量達到13700個，相較30天前數據，環比上漲3.01%；通道數量為37273，相較30天前數據，環比上漲0.2%；閃電網絡承載能力目前為1056.32BTC，約合1098.31萬美元。[2020/9/4]

我們假設現在閃電網絡有5個參與者：Alice、Bob、Carol、Diana和Eric，他們各自有一個支付通道相連，而每個通道的每一邊都有2btc的余額可用。現在，我們嘗試讓Alice通過通道鏈條給Eric支付。

一系列相連的雙向支付通道，組成了閃電網絡，可以轉介Alice對Eric的支付?

假設Alice現在要給Eric支付1btc。但是，如我們所見，他們并無直接的通道相連，而開設通道需要時間和金錢。幸運的是，Alice連接著閃電網絡，可以在一系列HTLC合約的幫助下完成間接支付。我們一步一步拆開來看。

逐步分解閃電網絡中的支付路由?

Eric生成了一個秘密值R，并把其哈希值發給了Alice

Alice使用這條哈希值創建了一個HTLC，而時間鎖設置成未來10個區塊，輸出的數額是1.003btc。這額外的0.003btc是給支付通道鏈條中間方的手續費。那么，Alice現在用HTLC鎖住了1.003btc，而HTCL的具體條件以大白話表述如下：“Alice會給Bob支付1.003btc，只要他能在10個區塊內交出秘密值R，否則這些錢會返回給Alice”。他們之間的通道的余額也會因為這筆承諾事務而發生這般變化，現在Bob在通道內擁有2btc，Alice有0.997btc，還有1.003btc鎖在HTLC里面

聲音 | Blockstream工程師：閃電網絡中發現安全漏洞，需升級以防資金損失:開發了閃電網絡大部分協議的Blockstream工程師Rusty Russell 9月1日宣布：“在各種閃電網絡項目中都發現了可能導致資金損失的安全問題。全部細節將在四周內公布。請提前升級。”與閃電網絡相關的官方問題將在9月27日向用戶披露。截至發稿時，主要問題似乎來自比特幣錢包éclair。 Russell告訴所有用戶應快速更新這些錢包。（Live Bitcoin News）[2019/9/3]

到了Bob這里，他可以隨意處置Alice的承諾事務。他在自己跟Carol的通道中創建了一個HTLC輸出，數額是1.002，時間鎖設定為9個區塊，使用了跟Alice所提供的同樣的哈希值。Bob知道Carol如果想獲得這筆錢，就不得不找出秘密數值R來解鎖這個HTLC，而一旦她這么做了，他就會知道這個R，因此也能解鎖Alice的HTLC，拿到1.003btc。如果Carol沒法找到這個秘密值R，Bob和Alice都能在時間鎖解鎖后拿回自己的錢。注意，Bob發送的資金數額比自己能夠得到的數額小0.001btc，這就是他收取的手續費數額。Bob和Carol在通道內的余額變成：Carol擁有2btc，Bob擁有0.998btc，還有1.002btc鎖在HTLC中

Carol獲得Bob發出的承諾事務之后，也如法炮制，在與Diana的通道中創建一個HTLC，使用的哈希值與Bob提供的無二，時間鎖設置為8個區塊，數額為1.001btc。如果Diana能在8個區塊以內揭示這個秘密數值R，就能解鎖這個HTLC，獲得1.001btc，相應地，Carol也會知道這個秘密數值，解鎖Bob給她的HTLC，獲得1.002btc，賺得0.001btc。Carol和Diana通道內的余額變成：Diana擁有2btc、Carol擁有0.999btc，還有1.001btc鎖在HTLC里面

金色晨訊 | Facebook穩定幣或首選印度市場 以太坊版閃電網絡上線主網:1.Facebook穩定幣選擇印度市場因其是世界上最大的匯款接收國。

2.斯里蘭卡電信與加拿大科技公司合作推出區塊鏈電子競技平臺。

3.火幣中國等機構簽約發起“未來大學（海南）”。

4.以太坊版閃電網絡上線主網 可與所有ERC20代幣兼容。

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6.英國稅務機關發布加密貨幣繳稅指導說明。

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最終，當Diana將一個HTLC通過通道發送給Eric時，她把數值設為1btc，時間鎖設為7個區塊。Diana和Eric的通道內余額變成：Eric擁有2btc、Diana擁有1btc，還有1btc鎖在HTLC里面

現在，我們來到了這個連鎖支付的終點。Eric擁有這個秘密值R，這個R的哈希值用在了所有的HTLC承諾事務中。Eric可以解鎖Diana發給他的HTLC，獲得1btc；而Eric取回資金之后，Diana也會知道這個R。Diana與Eric的通道內余額會變成：Eric擁有3btc，Diana擁有1btc。

Diana收到這個秘密之后，也拿來解鎖Carol發給她的HTLC，獲得1.001btc的同時也向Carol公開了秘密值。他們通道內的余額變成了：Diana擁有3.001btc，Carol擁有0.999btc。

Carol收到秘密值R之后，解鎖了Bob發過來的1.001btc，因此Bob也知道了這個秘密值。他們通道內的余額變成了：Carol擁有3.002btc和Bob擁有0.998btc

最后，Bob使用秘密值R獲得了和Alice通道中的1.003btc。于是通道內的余額變成了：Bob擁有3.003btc，Alice擁有0.997。

閃電網絡開發者提出新的鏈下交易方案，重新設計閃電網絡:盡管比特幣閃電網絡才剛剛開始被用于發送交易，不過開發者正在為這種新技術重新制定架構。這是因為，盡管這種技術被吹捧為一種顯著提升比特幣交易能力的方式，但該網絡本身確實要求用戶存儲大量數據，這使得下載和運行變得很困難。為此，多位閃電網絡開發者——閃電網絡實驗室的聯合創始人’Laolu’ Osuntokun 和Blockstream的Christian Decker和Rusty Russell——已經發表了一份新提案，該提案設想了一種替代的“簡化”的方法來進行鏈下交易——eltoo。[2018/5/29]

這樣一個流程下來，Alice就給Eric支付了1btc，無需在彼此間另開一個直接相連的通道。整個支付鏈條中，也沒有人需要信任另一個人，而且他們還因為中介服務賺到了0.001btc。即使支付在某個環節卡住了，也沒有人會遭受損失，因為資金還鎖在那里，時間過了就可以取回。

清除故障

在我們這個例子中，整個流程都是很平滑、沒有阻礙的，但在現實生活就像所謂的“墨菲定律”：如果某種壞事可能發生，那這種壞事就一定會發生。于是我們要考慮閃電網絡的“保護”機制。

從實踐來看，支付鏈條越長，最終無法交付資金的概率就越大：某些參與者可能會關閉通道，或者某些節點會掉線。我們來考慮兩種可能的出錯情形。

通道故障

先考慮一種情形：我們假設資金已經達到了目的地，但在秘密數值一路返回到支付起點的過程中，某個參與者拒絕合作或者無法配合。假設是Bob。

因為一個通道關閉，資金無法交付?

當Diana收到了秘密值時，就立即取回了資金，并把秘密值暴露給了Carol。Carol也想從Bob發出的HTLC里面拿回資金，但Bob沒有響應，為了避免風險，她關閉了通道，將自己手上的最后一筆承諾事務廣播到了比特幣網絡中，而且，因為她知道秘密值，所以能取回資金。此時，Bob還有三天時間可以從Alice處拿回自己的錢。否則，等時間鎖一解鎖，Alice就可以收回資金。

可以看出，即使某個參與者因為某種原因離開了網絡，TA自己是唯一一個可能損失資金的人，而其他人的資金都是安全的。

重新路由

在第二種情形中，我們假設資金無法到達目的地，也是因為某個參與者出了錯。假設是Carol。

第一種也是最明顯的解決方法是，等待HTLC的時間鎖過期，然后各參議者各自拿回自己的資金。

支付路徑中的某個節點沒有響應?

但如果Alice就是著急支付，該怎么辦呢？當然，Alice可以通過另一條路徑發起新的支付，不需要死等資金返回，但要是Carol突然之間又回來了，跟Bob把鏈條續上了呢？那Alice不就發送了兩倍資金了嗎？

Alice如果使用另一條路徑?

這是否意味著，但凡出現了支付失敗的情形，都應該乖乖等時間鎖超時，然后再發起新的一筆支付呢？

好在，要避免這種等待，我們可以“取消”這一次的支付。Diana要發送等量的一筆資金給Alice，也使用跟原來一樣的哈希值，也可以使用另一條路徑。現在，如果Carol重新上線并參與中介，那么資金會走完一個環路，這就意味著那筆原來失敗的支付被抵消了，Alice可以安全地使用另一個路徑來支付了。

Alice“取消”了舊的支付，新的支付現在可以安全地發送了?

支付數額

你可以也注意到了，當Alice“取消”其第一筆支付時，現在的確是可以安全地發起新的一次支付了，但這并沒有改變一個事實：她的第一筆支付的資金現在仍然是鎖定的，而她可能沒有足夠的錢來發起第二次支付了。這就是為什么在使用閃電網絡時，用HTLC來支付時資金額度應該更小。因為承諾事務不會上鏈，數額可以分割成多個很小的額度。這樣，無論什么時候一個路徑不通了，都只有一小部分資金會被凍結。

傳輸協議

閃電網絡的另一個非常重要的特點是：有關這個路徑的所有信息都是完全匿名的。也就意味著對于任何一個參與者來說，TA都只知道跟自己有關的這部分，比如，對于Carol來說，這筆支付就像是Bob在給Diana轉賬，她不知道Bob會從Alice處收到資金，也不知道Diana會繼續轉賬給Eric。

閃電網絡使用Sphinx多重加密協議。在使用閃電網絡時，Alice會為網絡的每一部分都做一層加密，從支付路徑的末端開始。她使用Eric的公鑰為Eric加密了消息。這條加密消息會被嵌套在給Diana的消息里，并用Diana的公鑰對整個消息再做一次加密。再然后，這條給Diana的消息又會嵌套在給Carol的消息里，也用Carol的公鑰對整個消息再做一次加密。如此不斷重復，得出可以交給下一個人的消息。這樣一來，Bob只能解密消息的最外一層，得到本意發給他的內容；然后把消息轉給Carol；Carol也是如此。每經過一個人，都只會公開絕對必要的消息：支付的數額、傭金的數額、時間鎖的內容，等等。

為了讓人不能從消息的長度中推測鏈條的長度，消息的長度都是一樣的，總是像有20個人參與這個鏈條一樣。每個人，包括最后一個，得到的都是同樣大小的圖像，都以為除了自己以外還有20個伙伴。

閃電網絡的好處和應用場景

當然，閃電網絡的好處并不像很多人以為的那樣，只有可擴展性一項。我們想想閃電網絡到底帶來了哪些可能。

即時交易。使用閃電網絡時，事務幾乎是即時完成的。所以用比特幣來買咖啡就變得可行了

交易所套利。當前，從一個交易所轉出資金并轉入另一個交易所是很不方便的，需要等待3至6個區塊來確認交易。如果交易所能使用閃電網絡，那用戶就能即時轉入資金、參與套利。交易所也不再需要冷錢包來存儲資金，極大地降低了盜竊風險。

小額支付。比特幣區塊鏈的手續費對小額支付來說太高了。很難想象誰會愿意支付0.001btc就為了轉賬同等數量乃至更少的金額。有了閃電網絡，你就可以即時轉移任意大小的金額，舉個例子，你可以按MB來支付網費。

金融智能合約和交易。金融合約對時延是極度敏感的，而且通常需要許多計算。把大多數負擔移到了區塊鏈外，我們就有機會能創建非常復雜的事務以及合約，而無需把這些都記錄到區塊鏈上。

跨鏈支付。如果使用不同共識規則的區塊鏈使用同一種哈希函數，就有可能使用閃電網絡來跨鏈支付。參與者無需信任任何人，也無需使用中介。

隱私。在閃電網絡中，事務比起在比特幣區塊鏈上要更加隱秘，因為支付鏈條的參與者并不知道交易的發起方和目的地。

結論

我們已經講完了閃電網絡。在下一篇文章中，我會告訴你如何使用HTLC來執行一次跨鏈的原子互換，用btc交換ltc。

鏈接

Lightningnetworkindepth,part1:Paymentchannels

“Masteringbitcoin”—AndreasM.Antonopoulos

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