簡(jiǎn)介
最近，閃電網(wǎng)絡(luò)的火炬?zhèn)鬟f活動(dòng)，讓閃電網(wǎng)絡(luò)一下子從理論階段，躍升成實(shí)踐。作者年前在同事的分享中，學(xué)習(xí)了閃電網(wǎng)絡(luò)的原理，感覺(jué)設(shè)計(jì)確實(shí)很巧妙，一旦大規(guī)模應(yīng)用，能讓btc實(shí)現(xiàn)秒級(jí)支付，真正讓btc的世界貨幣夢(mèng)想come true。本文，會(huì)介紹閃電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理，主要涉及多重簽名地址、 RSMC、HTLC幾大概念。
基本原理
假如Bob和Alice經(jīng)常有業(yè)務(wù)來(lái)往，結(jié)算方式是btc。但是，btc的區(qū)塊打包時(shí)間要10min，一般需要確認(rèn)6塊后，認(rèn)為交易不可回滾。也就是他們每次交易需要等至少1h，才能確認(rèn)交易是否成功。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高、交易頻率很高的場(chǎng)景，顯然1h太長(zhǎng)了。這時(shí)，就有人提出，能不能單獨(dú)為Bob和Alice建立一個(gè)通道，他們之間的頻繁交易先記賬不上鏈，等想結(jié)束業(yè)務(wù)時(shí)再結(jié)算上鏈？閃電網(wǎng)絡(luò)就是在這個(gè)大背景下橫空出世的。
閃電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)圖，大致如下：
就拿Bob和Alice之間的交易步驟來(lái)說(shuō)：
1. 首先，需要構(gòu)建Bob和Alice之間的雙向交易通道
2. 其次，需要解決Bob和Alice在通道中交易面臨的信任問(wèn)題
3. 若再來(lái)個(gè)第三方，比如Jack，如何實(shí)現(xiàn)三人之間的交易
接下來(lái)，我會(huì)根據(jù)構(gòu)建步驟，來(lái)詳細(xì)述說(shuō)閃電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和原理。
構(gòu)建雙向交易通道
構(gòu)建雙向通道，通俗點(diǎn)講，就是Bob和Alice各出一些btc，比如5btc，將其存入他們兩人控制的2-2多重簽名地址。但是，Alice和Bob是不相互信任的。Bob怕自己轉(zhuǎn)btc之后，Alice不轉(zhuǎn)btc也不提供私鑰幫助Bob解鎖幣，使得資金陷入死循環(huán)。那么，我們需要在不相互信任的前提下，構(gòu)建雙向交易通道。其構(gòu)建方法如下：
1. Alice使用公鑰A1，Bob使用公鑰B1，生成兩個(gè)2-2多重簽名地址：A1B1、B1A1
2. Alice構(gòu)造一筆交易，轉(zhuǎn)賬給B1A1地址5btc，這筆交易沒(méi)簽名也沒(méi)廣播
3. Alice再構(gòu)造一筆交易1，發(fā)起地址是B1A1，目的地址是比特幣地址A1。這筆交易如果被廣播，需要經(jīng)過(guò)1000個(gè)塊才能被打包
4. Alice將交易1單獨(dú)發(fā)給Bob，請(qǐng)Bob對(duì)交易簽名。Bob發(fā)現(xiàn)這筆交易只是Alice將自己的幣轉(zhuǎn)回給自己，對(duì)Bob沒(méi)影響，Bob會(huì)簽名并將交易1發(fā)回給Alice
5. Alice收到Bob簽名后的交易1，對(duì)用B1公鑰簽名的交易使用A1簽名測(cè)試，測(cè)試成功
6. Alice此時(shí)，可以放心將第2步的交易廣播，即便Bob不合作，Alice也能拿回自己的幣。這一步完成后，B1A1地址收到Alice充值的5btc
7. Bob也用相同的操作，往B1A1地址充值5btc，且保留有A1簽名的交易2，隨時(shí)可以贖回自己的幣
8. 雖然B1A1地址收到了各自的錢，但是Bob和Alice手上還有交易1和交易2，隨時(shí)會(huì)有毀約的風(fēng)險(xiǎn)。因此，最后一步需要Bob和Ailce共同發(fā)起一筆交易，將B1A1地址里的10btc，轉(zhuǎn)移至A1B1地址里，至此完成了閃電網(wǎng)絡(luò)雙向通道的構(gòu)建
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易
接上一步，Bob和Alice建立了雙向交易通道，接下來(lái)就可以交易了。但是，Bob和Ailce依舊要面臨信任的問(wèn)題。接下來(lái)介紹的RSMC技術(shù)，就是為了解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易時(shí)的信任問(wèn)題。
RSMC
RSMC（Recoverable Sequence Maturity Contract），定義了閃電網(wǎng)絡(luò)交易時(shí)的基本工作方式。它提供了一種無(wú)須信任的方法，能夠準(zhǔn)確的記錄通道內(nèi)Bob和Alice的資產(chǎn)分配情況。例如，初始時(shí)Bob和Alice各有5btc；經(jīng)過(guò)一次交易，通道內(nèi)資產(chǎn)分配變更為Alice: 3btc、Bob: 7btc；再經(jīng)過(guò)一次交易，通道內(nèi)資產(chǎn)分配變更為Alice: 4btc、Bob: 6btc。RSMC技術(shù)能夠做到以下兩點(diǎn)：
1. Alice和Bob之間交易時(shí)，能在雙方互相不信任、交易不廣播的情況下準(zhǔn)確記錄資產(chǎn)分配
2. Alice和Bob每進(jìn)行一次新交易，舊交易能被廢除，以最新交易為準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行資產(chǎn)分配
下面，我會(huì)詳細(xì)介紹RSMC實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)。
沿用上面的結(jié)果，多簽地址A1B1擁有10個(gè)btc，Bob和Alice各占一半資產(chǎn)，作為交易的啟動(dòng)資金池。在后面的交易過(guò)程中，會(huì)使用很多btc地址，其中，Alice擁有A1、A2、A3...，Bob擁有B1、B2、B3...同時(shí)，也會(huì)使用很多多重簽名地址，比如B2A1、A1B2...
下面，將詳細(xì)介紹Bob與Alice的交易步驟，第一次交易資產(chǎn)分配變更為Alice: 3btc、Bob: 7btc：
1. Alice構(gòu)造交易1，發(fā)起地址是A1B1，目的地址有兩個(gè)：A1B2地址得到7btc，A1地址得到3btc
2. Alice構(gòu)造交易2，發(fā)起地址是A1B2，目的地址是B1得到7btc。但是，這筆交易廣播出去，需要1000個(gè)塊之后才能被打包
3. Alice使用A1私鑰對(duì)交易1和交易2簽名，并不廣播，私下發(fā)給Bob
4. Bob收到交易1和交易2，用自己的私鑰B1、B2校驗(yàn)交易的有效性
5. Bob同樣像Alice一樣，構(gòu)造交易3，發(fā)起地址是A1B1，目的地址有兩個(gè)：B1A2地址得到3btc，B1地址得到7btc
6. Bob構(gòu)造交易4，發(fā)起地址是B1A2，目的地址是A1得到3btc。但是，這筆交易廣播出去，需要1000個(gè)塊之后才能被打包
7. Bob使用B1私鑰對(duì)交易3和交易4簽名，并不廣播，私下發(fā)給Alice
8. Alice收到交易3和交易4，用自己的私鑰A1、A2校驗(yàn)交易的有效性
下面，來(lái)解釋下，為什么Alice和Bob構(gòu)造這四筆交易之后，就能使得在相互不信任的情況下，依舊能順利的進(jìn)行交易。
首選，Alice構(gòu)建了交易1、2，交易1使得Alice立馬就能獲得3btc；交易2即便簽名，Bob也需要等待1000個(gè)塊打包后，才能拿到屬于自己的7btc。在這期間，Bob如果有任何違約行為，Alice也有足夠時(shí)間采取措施。因此，Alice構(gòu)造的兩筆交易明顯偏向自己，但是需要Bob的簽名，交易生效的權(quán)力在Bob。Bob同時(shí)也構(gòu)造兩筆這樣偏向自己的交易，控制權(quán)同樣在Ailce手上。第一次交易，就在這種互相制約的情況下，完成了資產(chǎn)的重新分配。
假如Alice和Bob繼續(xù)進(jìn)行交易往來(lái)，資產(chǎn)分配情況又變成了Alice: 4btc、Bob: 6btc。同樣，他們會(huì)依照上面的步驟，再構(gòu)造四筆交易。關(guān)鍵一點(diǎn)，為了廢除舊交易，Alice和Bob需要交換A2、B2地址的私鑰。接下來(lái)，我們來(lái)看看這么做的好處。
假如，Bob覺(jué)得之前能得到7btc，現(xiàn)在只剩下6btc了，他想違約廣播舊的交易。那么，這種機(jī)制下違約會(huì)有什么后果呢？Bob將損失全部的btc！?。∈紫龋珺ob只能廣播交易1，Alice瞬間得到3btc；接下來(lái)，Bob廣播交易2，等待1000塊后才能得到7btc。但由于Alice擁有A1和B2的私鑰，她馬上可以動(dòng)用A1B2地址里的7btc，在交易2生效之前，立即轉(zhuǎn)賬給自己。這種騷操作使得Alice將獲得全部的10個(gè)btc，Bob將分文不剩。因此，在這種巧妙的設(shè)計(jì)下，閃電網(wǎng)絡(luò)能做到在不相互信任、交易不上鏈的情況下，依然可以順利的完成快速交易。
Alice和Bob如果想結(jié)束閃電通道怎么辦？和平的情況下，各自為對(duì)方簽名最新交易，廣播出去立即得到幣。當(dāng)一方想強(qiáng)制結(jié)束通道時(shí)，只需要簽名有利于對(duì)方的兩筆交易，對(duì)方立即得到幣，而強(qiáng)制結(jié)束的一方需要等待1000個(gè)塊后，才能獲得自己的幣，這也就是強(qiáng)制結(jié)束的懲罰。
閃電網(wǎng)絡(luò)交易
上面說(shuō)的都是Alice和Bob之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易細(xì)節(jié)，倘若Jack也想加入他們的交易，那Jack和他們也需要建立通道嗎？如果人人都建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道，成本是非常高昂的。閃電網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過(guò)整個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，尋找最短路徑，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)完成交易。比如Jack只和Bob建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道，而希望和Ailce進(jìn)行交易，那么就需要Bob充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)輔助交易的進(jìn)行，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的技術(shù)就是HTLC。
HTLC
HTLC（Hashed Timelock Contract）允許Alice和Bob之間達(dá)成協(xié)議，協(xié)議將鎖定Alice1btc，在時(shí)刻T到來(lái)之前，如果Bob能向Alice提供一個(gè)答案A，使得A的哈希等于實(shí)現(xiàn)約定的值H(A)，Bob就能獲得這1btc；如果超時(shí)后，Bob未能提供答案，則這筆錢自動(dòng)歸還給Alice。
我們舉個(gè)例子來(lái)看HTLC如何用于閃電網(wǎng)絡(luò)的交易的。首先，Jack希望轉(zhuǎn)賬1btc給Alice，然而和Alice并沒(méi)有建立通道，需要通過(guò)Bob路由。可行的操作：Jack轉(zhuǎn)賬1btc給Bob，Bob再轉(zhuǎn)1btc給Alice。但是，如何防止Bob收到錢作惡呢？除去點(diǎn)對(duì)點(diǎn)轉(zhuǎn)賬交易時(shí)候，依賴RSMC技術(shù)的約束，我們還需要通過(guò)HTLC技術(shù)對(duì)三方的行為進(jìn)行約束，具體步驟如下：
1. Alice生成答案A，將Hash(A)發(fā)給Jack
2. Bob和Jack約定交易1，在T1時(shí)間之前，提供給Jack答案A，Jack會(huì)轉(zhuǎn)賬1btc給Bob
3. Bob和Alice約定交易2，在T2時(shí)間之前，提供給Bob答案A，Bob會(huì)轉(zhuǎn)賬1btc給Alice
4. 執(zhí)行交易2，Bob支付Alice1btc，得到答案A
5. 執(zhí)行交易1，Bob提供答案A給Jack，得到1btc
至此，Bob作為中間人，幫助Jack和Ailce完成轉(zhuǎn)賬。注意，T1時(shí)間要大于T2時(shí)間，這樣Bob在拿到答案A后，才有充裕時(shí)間從Jack那里拿回幣。
后記
本文介紹了閃電網(wǎng)絡(luò)的基本原理，及其相關(guān)的核心技術(shù)，讀完本文，應(yīng)該能對(duì)閃電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)有大體的了解。由于，閃電網(wǎng)絡(luò)是基于比特幣隔離驗(yàn)證技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，后面將會(huì)為大家介紹隔離驗(yàn)證的原理，以及隔離驗(yàn)證解決的實(shí)際問(wèn)題，盡請(qǐng)期待。
參考文獻(xiàn)
白皮書(shū)：https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
解釋多重簽名：https://blog.csdn.net/lianquan_cn/article/details/81634897
詳細(xì)解釋rsmc：https://blog.csdn.net/lianquan_cn/article/details/81736392
大體解釋閃電網(wǎng)絡(luò)框架：https://www.jinse.com/bitcoin/317833.html
大體解釋htlc和rsmc：https://www.8btc.com/article/92887
