闪电网络深入解读：支付通道
在上一篇文章里，我们详细解释了支付通道的运作，以及多种保证支付安全发生的方法。不过，这些功能，还不足以支撑一个可用的支付通道网络：即使我们很确定在每个通道内每个参与者都是诚实守信的，也没法保证通过多个通道来支付同样是安全的。这就是我们需要“HTLC”这种智能合约的原因。在本文中，我们会讲解HTLC工作的方式，并使用一个例子来展示多跳支付是如何在闪电网络中实现的。
哈希时间锁合约
HTLC的结构并不复杂，但非常高效。它使我们可以创建具有明确“过期时间”的支付。你可能也猜得到，HTLC合约由两部分组成：哈希验证和过期验证。
我们先从哈希值开始。要创建一笔带有HTLC的支付事务，你先要生成一个?秘密数值?R，然后计算出其哈希值。任何词语、任何数字都可以充当这个秘密值，因为，对哈希函数来说，它们都是一堆数据的组合，没有什么分别。
H?=?Hash(R)
这个哈希值H会放在事务输出的锁定脚本中。如此，只有知道H所对应的秘密值的人才能使用这个输出。而R就是所谓的“原像”。
HTLC的第二部分是过期时间的验证。如果秘密值没有及时地公开，这笔支付就用不了了，发送者会收回所有的资金。
我们来考虑一个发给某人的HLTC支付事务：
#?检查所提供的?R?是否为?H?的原像HASH160?<H>?EQUALIF????#?检查公开?R?的人是否为事务最初的接收者????<Payee?Public?key>?CHECKSIGELSE????#?检查时间锁是否已终止????<locktime>?CHECKLOCKTIMEVERIFY????#?检查请求返回资金的是不是事务最初的发送者????<Payer?Public?Key>?CHECKSIGENDIF
比特币闪电网络通道数量为87,321个:金色财经报道，1ML网站数据显示，比特币闪电网络（LightningNetwork）的节点数量为17,786个，同比增长0.5%；通道数量为87,321个，同比增长1.7%；网络容量为4,540.95BTC，同比增长8%。[2022/8/11 12:17:10]
在正确的R公开之后，我们进入IF流程，进一步验证提供R的是不是这笔支付事务一开始的支付对象。在花费这个输出时，接收方只需提供一个非常简单的解锁脚本：
<sig>?<secret?R>
如果解锁脚本所提供的R是错的，我们跳转入ELSE流程，首先验证时间锁解锁了没有。如果时间锁已然解锁，发送者就可以收回所有的资金。收回资金这个操作的解锁脚本也差不多，唯一的区别在于，为了进入ELSE流程，需要提供一个错误的秘密值：
<sig>?<wrong?secret>
当然，这只是HTLC的一个非常基础的实现，代表着一个普通的时间锁支付。你可以在脚本中加入任意多的其它条件，比如说，在IF流程中移除公钥验证，这样只要知道秘密值R的人都可以使用这个输出；也可以在其中加入多签名限制，要求提供多个预设私钥的签名才能解锁。
多说一句，在这个案例中，我们使用的操作码是?CHECKLOCKTIMEVERIFY，这个操作码使用绝对数值来定义时间锁，意思就像：“这个输出在区块#546212之前是无法动用的”。而在闪电网络中，还用上了另一种时间锁，更“灵活”的一种：CHECKSEQUENCEVERIFY，它用到的是相对数值，意思近于：“这个输出，在使用它的事务上链之后的1000个区块内，是无法使用的”。
闪电网络案例
现在，我们终于讲解完所有元素了，可以尝试理解闪电网络运作的全景了。
我们假设现在闪电网络有5个参与者：Alice、Bob、Carol、Diana和Eric，他们各自有一个支付通道相连，而每个通道的每一边都有2btc的余额可用。现在，我们尝试让Alice通过通道链条给Eric支付。
闪电网络节点数量已达17608个:金色财经报道，据1ML.com数据，目前，支撑网络的节点数量达到17608个，相较30天前数据，环比上涨6.53%；通道数量为39012，相较30天前数据，环比上涨3.6%；闪电网络承载能力目前为1133.65BTC，约合6798.27万美元。[2021/3/13 18:42:41]
一系列相连的双向支付通道，组成了闪电网络，可以转介Alice对Eric的支付?
假设Alice现在要给Eric支付1btc。但是，如我们所见，他们并无直接的通道相连，而开设通道需要时间和金钱。幸运的是，Alice连接着闪电网络，可以在一系列HTLC合约的帮助下完成间接支付。我们一步一步拆开来看。
逐步分解闪电网络中的支付路由?
Eric生成了一个秘密值R，并把其哈希值发给了Alice
Alice使用这条哈希值创建了一个HTLC，而时间锁设置成未来10个区块，输出的数额是1.003btc。这额外的0.003btc是给支付通道链条中间方的手续费。那么，Alice现在用HTLC锁住了1.003btc，而HTCL的具体条件以大白话表述如下：“Alice会给Bob支付1.003btc，只要他能在10个区块内交出秘密值R，否则这些钱会返回给Alice”。他们之间的通道的余额也会因为这笔承诺事务而发生这般变化，现在Bob在通道内拥有2btc，Alice有0.997btc，还有1.003btc锁在HTLC里面
到了Bob这里，他可以随意处置Alice的承诺事务。他在自己跟Carol的通道中创建了一个HTLC输出，数额是1.002，时间锁设定为9个区块，使用了跟Alice所提供的同样的哈希值。Bob知道Carol如果想获得这笔钱，就不得不找出秘密数值R来解锁这个HTLC，而一旦她这么做了，他就会知道这个R，因此也能解锁Alice的HTLC，拿到1.003btc。如果Carol没法找到这个秘密值R，Bob和Alice都能在时间锁解锁后拿回自己的钱。注意，Bob发送的资金数额比自己能够得到的数额小0.001btc，这就是他收取的手续费数额。Bob和Carol在通道内的余额变成：Carol拥有2btc，Bob拥有0.998btc，还有1.002btc锁在HTLC中
比特币闪电网通道数量为36295个:金色财经报道，据1ML数据，当前比特币闪电网络节点数为12163个，过去30天内增加2.33%；通道数量为36295个，过去30天内增加1.2%；网络容量达到955.79个BTC，过去30天内增加6%。[2020/4/17]
Carol获得Bob发出的承诺事务之后，也如法炮制，在与Diana的通道中创建一个HTLC，使用的哈希值与Bob提供的无二，时间锁设置为8个区块，数额为1.001btc。如果Diana能在8个区块以内揭示这个秘密数值R，就能解锁这个HTLC，获得1.001btc，相应地，Carol也会知道这个秘密数值，解锁Bob给她的HTLC，获得1.002btc，赚得0.001btc。Carol和Diana通道内的余额变成：Diana拥有2btc、Carol拥有0.999btc，还有1.001btc锁在HTLC里面
最终，当Diana将一个HTLC通过通道发送给Eric时，她把数值设为1btc，时间锁设为7个区块。Diana和Eric的通道内余额变成：Eric拥有2btc、Diana拥有1btc，还有1btc锁在HTLC里面
现在，我们来到了这个连锁支付的终点。Eric拥有这个秘密值R，这个R的哈希值用在了所有的HTLC承诺事务中。Eric可以解锁Diana发给他的HTLC，获得1btc；而Eric取回资金之后，Diana也会知道这个R。Diana与Eric的通道内余额会变成：Eric拥有3btc，Diana拥有1btc。
Diana收到这个秘密之后，也拿来解锁Carol发给她的HTLC，获得1.001btc的同时也向Carol公开了秘密值。他们通道内的余额变成了：Diana拥有3.001btc，Carol拥有0.999btc。
Carol收到秘密值R之后，解锁了Bob发过来的1.001btc，因此Bob也知道了这个秘密值。他们通道内的余额变成了：Carol拥有3.002btc和Bob拥有0.998btc
动态 | Lightning Labs联合创始人计划推出闪电网络技术书籍:8月28日，Lightning Labs联合创始人兼首席技术官Olaoluwa Osuntokun宣布计划推出闪电网络技术书籍《Mastering the Lightning Network》，将于2020年第四季度发布。[2019/8/29]
最后，Bob使用秘密值R获得了和Alice通道中的1.003btc。于是通道内的余额变成了：Bob拥有3.003btc，Alice拥有0.997。
这样一个流程下来，Alice就给Eric支付了1btc，无需在彼此间另开一个直接相连的通道。整个支付链条中，也没有人需要信任另一个人，而且他们还因为中介服务赚到了0.001btc。即使支付在某个环节卡住了，也没有人会遭受损失，因为资金还锁在那里，时间过了就可以取回。
清除故障
在我们这个例子中，整个流程都是很平滑、没有阻碍的，但在现实生活就像所谓的“墨菲定律”：如果某种坏事可能发生，那这种坏事就一定会发生。于是我们要考虑闪电网络的“保护”机制。
从实践来看，支付链条越长，最终无法交付资金的概率就越大：某些参与者可能会关闭通道，或者某些节点会掉线。我们来考虑两种可能的出错情形。
通道故障
先考虑一种情形：我们假设资金已经达到了目的地，但在秘密数值一路返回到支付起点的过程中，某个参与者拒绝合作或者无法配合。假设是Bob。
因为一个通道关闭，资金无法交付?
当Diana收到了秘密值时，就立即取回了资金，并把秘密值暴露给了Carol。Carol也想从Bob发出的HTLC里面拿回资金，但Bob没有响应，为了避免风险，她关闭了通道，将自己手上的最后一笔承诺事务广播到了比特币网络中，而且，因为她知道秘密值，所以能取回资金。此时，Bob还有三天时间可以从Alice处拿回自己的钱。否则，等时间锁一解锁，Alice就可以收回资金。
闪电网络钱包Lightning Wallet上线谷歌应用商店:Lightning Wallet是首个全面整合闪电网络节点的钱包，该钱包已经在5月31日上线谷歌应用商店。可同时提供链上比特币交易以及链下闪电网络交易。另外，这也是首个可提供链下数据保护的闪电网络钱包，一旦出现手机丢失等紧急情况，用户可通过助记词找回余额。[2018/6/2]
可以看出，即使某个参与者因为某种原因离开了网络，TA自己是唯一一个可能损失资金的人，而其他人的资金都是安全的。
重新路由
在第二种情形中，我们假设资金无法到达目的地，也是因为某个参与者出了错。假设是Carol。
第一种也是最明显的解决方法是，等待HTLC的时间锁过期，然后各参议者各自拿回自己的资金。
支付路径中的某个节点没有响应?
但如果Alice就是着急支付，该怎么办呢？当然，Alice可以通过另一条路径发起新的支付，不需要死等资金返回，但要是Carol突然之间又回来了，跟Bob把链条续上了呢？那Alice不就发送了两倍资金了吗？
Alice如果使用另一条路径?
这是否意味着，但凡出现了支付失败的情形，都应该乖乖等时间锁超时，然后再发起新的一笔支付呢？
好在，要避免这种等待，我们可以“取消”这一次的支付。Diana要发送等量的一笔资金给Alice，也使用跟原来一样的哈希值，也可以使用另一条路径。现在，如果Carol重新上线并参与中介，那么资金会走完一个环路，这就意味着那笔原来失败的支付被抵消了，Alice可以安全地使用另一个路径来支付了。
Alice“取消”了旧的支付，新的支付现在可以安全地发送了?
支付数额
你可以也注意到了，当Alice“取消”其第一笔支付时，现在的确是可以安全地发起新的一次支付了，但这并没有改变一个事实：她的第一笔支付的资金现在仍然是锁定的，而她可能没有足够的钱来发起第二次支付了。这就是为什么在使用闪电网络时，用HTLC来支付时资金额度应该更小。因为承诺事务不会上链，数额可以分割成多个很小的额度。这样，无论什么时候一个路径不通了，都只有一小部分资金会被冻结。
传输协议
闪电网络的另一个非常重要的特点是：有关这个路径的所有信息都是完全匿名的。也就意味着对于任何一个参与者来说，TA都只知道跟自己有关的这部分，比如，对于Carol来说，这笔支付就像是Bob在给Diana转账，她不知道Bob会从Alice处收到资金，也不知道Diana会继续转账给Eric。
闪电网络使用Sphinx多重加密协议。在使用闪电网络时，Alice会为网络的每一部分都做一层加密，从支付路径的末端开始。她使用Eric的公钥为Eric加密了消息。这条加密消息会被嵌套在给Diana的消息里，并用Diana的公钥对整个消息再做一次加密。再然后，这条给Diana的消息又会嵌套在给Carol的消息里，也用Carol的公钥对整个消息再做一次加密。如此不断重复，得出可以交给下一个人的消息。这样一来，Bob只能解密消息的最外一层，得到本意发给他的内容；然后把消息转给Carol；Carol也是如此。每经过一个人，都只会公开绝对必要的消息：支付的数额、佣金的数额、时间锁的内容，等等。
为了让人不能从消息的长度中推测链条的长度，消息的长度都是一样的，总是像有20个人参与这个链条一样。每个人，包括最后一个，得到的都是同样大小的图像，都以为除了自己以外还有20个伙伴。
闪电网络的好处和应用场景
当然，闪电网络的好处并不像很多人以为的那样，只有可扩展性一项。我们想想闪电网络到底带来了哪些可能。
即时交易。使用闪电网络时，事务几乎是即时完成的。所以用比特币来买咖啡就变得可行了
交易所套利。当前，从一个交易所转出资金并转入另一个交易所是很不方便的，需要等待3至6个区块来确认交易。如果交易所能使用闪电网络，那用户就能即时转入资金、参与套利。交易所也不再需要冷钱包来存储资金，极大地降低了盗窃风险。
小额支付。比特币区块链的手续费对小额支付来说太高了。很难想象谁会愿意支付0.001btc就为了转账同等数量乃至更少的金额。有了闪电网络，你就可以即时转移任意大小的金额，举个例子，你可以按MB来支付网费。
金融智能合约和交易。金融合约对时延是极度敏感的，而且通常需要许多计算。把大多数负担移到了区块链外，我们就有机会能创建非常复杂的事务以及合约，而无需把这些都记录到区块链上。
跨链支付。如果使用不同共识规则的区块链使用同一种哈希函数，就有可能使用闪电网络来跨链支付。参与者无需信任任何人，也无需使用中介。
隐私。在闪电网络中，事务比起在比特币区块链上要更加隐秘，因为支付链条的参与者并不知道交易的发起方和目的地。
结论
我们已经讲完了闪电网络。在下一篇文章中，我会告诉你如何使用HTLC来执行一次跨链的原子互换，用btc交换ltc。
链接
Lightningnetworkindepth,part1:Paymentchannels
“Masteringbitcoin”—AndreasM.Antonopoulos
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