狀態(tài)通道和閃電網(wǎng)絡(luò)

一、支付通道 Payment Channel

1.開(kāi)啟通道（Funding Txn & Initial Commitment）

2.開(kāi)始交易（Commitment Txns）

雙向支付通道建立后，當(dāng) Alice 和 Bob 間產(chǎn)生交易時(shí)需要更新通道雙方的余額，雙方就需要手動(dòng)交換簽過(guò)名的欠條（Commitment Txn）。這些交易本身都是有效的，隨時(shí)可以發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，但雙方都會(huì)暫時(shí)保存起來(lái)，不會(huì)廣播出來(lái)，除非已準(zhǔn)備關(guān)閉通道。如此一來(lái)，通道內(nèi)雙方的余額狀態(tài)，一秒內(nèi)變動(dòng)幾千次也沒(méi)問(wèn)題，更新的速度僅受限于雙方創(chuàng)建、簽名和向?qū)Ψ桨l(fā)送承諾事務(wù)的速度。每次雙方交換了一筆新的承諾事務(wù)，他們也就把通道的前一個(gè)狀態(tài)作廢掉；因此，只有最新的一筆承諾事務(wù)可以 “執(zhí)行”。這樣設(shè)計(jì)的目的是防止某一方欺詐對(duì)方，把一個(gè)過(guò)時(shí)的但對(duì)自己有利的狀態(tài)發(fā)送的鏈上來(lái)關(guān)閉通道。

2.1 如何防止對(duì)方廣播錯(cuò)誤交易

在一次 commitment txn 中，交易雙方需要各自構(gòu)建一個(gè)交易，這兩個(gè)交易互為鏡像。當(dāng) Alice 需要給 Bob 轉(zhuǎn)一個(gè)幣時(shí)，雙方構(gòu)建的交易如圖所示。Alice 構(gòu)建的交易（右）是給自己 4 個(gè)幣，給 Bob 6個(gè)幣，該交易只能由 Bob 簽名和廣播；同樣，Bob 構(gòu)建的交易（左）是給自己6個(gè)幣，給 Alice 4個(gè)幣，該交易只能由 Alice 簽名和廣播。

因此，對(duì)方構(gòu)建的交易，廣播權(quán)是在于自己的，也就避免了交易雙方惡意廣播交易。

2.2 如何防止對(duì)方廣播歷史交易

現(xiàn)在假設(shè) Alice 和 Bob 又完成了第一筆交易，現(xiàn)在 Alice 有 2 個(gè)幣，Bob 有 8 個(gè)幣；這個(gè)時(shí)候如何避免 Alice 作惡把之前 4-6 的交易在鏈上廣播。

這就需要用到哈希時(shí)間鎖和哈希密文鎖。當(dāng) Alice 和 Bob 之間構(gòu)建下一次 Commitment Txn 時(shí)，同時(shí)需要雙方交換上一個(gè) Commitment Txn 交易中的密文，用于作為上一筆交易的欠條。

3.關(guān)閉通道（Settlement Txn）

最后，通道既可以雙方一致同意關(guān)閉，就是把一筆關(guān)閉事務(wù)的交易（Settlement Txn）發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中；也可以單方?jīng)Q定關(guān)閉，就是把最后一筆 Commitment Txn 發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。這是為了防止某一方離線導(dǎo)致另一方在通道中的余額一直 “鎖定” 的情形。

在通道存在的整個(gè)生命周期里，只有兩筆事務(wù)被發(fā)到了比特幣網(wǎng)絡(luò)中并記錄到了比特幣區(qū)塊鏈上（就是充值事務(wù)和結(jié)算事務(wù)）。在這兩筆事務(wù)之間，雙方可以交換無(wú)數(shù)次承諾事務(wù)，這些事務(wù)都不需要提交到區(qū)塊鏈上。

二、支付網(wǎng)絡(luò) Network

其他人也想接入閃電網(wǎng)絡(luò)該怎么辦？如果支付的雙方間沒(méi)有構(gòu)建直接的通道還能實(shí)現(xiàn)支付嗎？有什么辦法可以把所有人都接入網(wǎng)絡(luò)并保證可以向網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)發(fā)起支付？

為了解決這一問(wèn)題，我們需要將雙向支付通道擴(kuò)展成閃電網(wǎng)絡(luò)。假如 Bob 和 Carol 之間已經(jīng)建立了支付通道，Alice 和 Bob 之間也有支付通道，那么 Alice 可以先把錢轉(zhuǎn)給 Bob ，再由 Bob 轉(zhuǎn)給Carol，這樣看起來(lái)就實(shí)現(xiàn)了從 Alice 到 Carol 間的支付通道，其中 Bob 充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。當(dāng)許多節(jié)點(diǎn)之間建立起通道，最后就形成一個(gè)支付網(wǎng)絡(luò)。

2.1 如何防止路由節(jié)點(diǎn)作惡

在建立閃電網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，我們同樣會(huì)遇到信任問(wèn)題：Alice想轉(zhuǎn)給 Carol 轉(zhuǎn) 1個(gè)幣，需要經(jīng)過(guò) Bob，但Bob 會(huì)擔(dān)心自己給 Carol 轉(zhuǎn)了 1個(gè)幣后，Alice耍賴；同樣，Alice 會(huì)擔(dān)心如果先給 Bob 轉(zhuǎn)了1個(gè)幣，Bob 也耍賴不轉(zhuǎn)給 Carol 。在傳統(tǒng)的金融系統(tǒng)中，是由大型知名金融中介機(jī)構(gòu)的信用提供保證的。但閃電網(wǎng)絡(luò)中，并沒(méi)有這樣一個(gè)獨(dú)立于交易者的第三方去提供信用擔(dān)保。

閃電網(wǎng)絡(luò)采用了哈希密文鎖和時(shí)間鎖合約完美解決了這個(gè)問(wèn)題。

過(guò)程：

第一，Carol 會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)密文并運(yùn)算得到其哈希值，再將此哈希值交給Alice。

第二，Alice拿到哈希值后，會(huì)構(gòu)建一筆轉(zhuǎn)賬給 Bob 的交易。這筆交易需要 Bob 拿到 Carol 的密文才能解鎖，如果 Bob 在限定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有解鎖成功，這筆錢則退回給 Alice。

第三，Bob 從 Alice 處拿到哈希值，他也構(gòu)建一筆轉(zhuǎn)賬給 Carol 的交易，Carol 必須拿密文來(lái)解鎖。第四，Bob 和 Carol 交換密文；當(dāng) Carol 提供密文從 Bob 處獲得 1個(gè)幣，Bob 立馬會(huì)拿密文從 Alice 處獲得 1個(gè)幣，這就實(shí)現(xiàn)了從 Alice 給 Carol 支付。

當(dāng)然，在實(shí)際操作過(guò)程中，Alice 給 Bob 轉(zhuǎn)賬金額需要大于 1 個(gè)幣，支付必要的路由費(fèi)以激勵(lì) Bob 充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)。其次，要注意兩筆交易之間的哈希時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置，Alice 和 Bob 交易的時(shí)間必須長(zhǎng)于Bob 和 Carol 的時(shí)間。如果 Bob 在 Alice 關(guān)閉交易之后拿到 Carol 的鑰匙，他將無(wú)法找 Alice 拿回1個(gè)幣。

2.2 洋蔥路由Tor（The Onion Router）

如果閃電網(wǎng)絡(luò)使用跟互聯(lián)網(wǎng)一樣的協(xié)議，每一個(gè)中間人都會(huì)知道誰(shuí)是支付的發(fā)送者、誰(shuí)是接收者、整條路徑上的其他中間人是誰(shuí)。洋蔥路由是一個(gè)好的選擇，因?yàn)槠涮匦员ＷC了中間節(jié)點(diǎn)：

• 只知道自己的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)（誰(shuí)給自己發(fā)來(lái)了消息）和下一個(gè)節(jié)點(diǎn)（要把消息轉(zhuǎn)發(fā)到哪里去）。
• 不知道整條路徑的長(zhǎng)度；
• 不知道自己在路徑中的位置。

三、閃電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

3.1?潛水艇互換

一種特殊的原子化互換，是將比特幣鏈上的資金換成閃電網(wǎng)絡(luò)中的通道余額（反之亦成立）。發(fā)起互換的一方在自己的環(huán)境中給出哈希值和 HTLC，接受互換的另一方在自己的環(huán)境中制作使用相同哈希值的 HTLC。

這種互換功能對(duì)閃電網(wǎng)絡(luò)用戶來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)殚W電支付通道是一對(duì)一的（它是一個(gè) 2-of-2 的多簽名合約），用戶發(fā)起支付和接收支付的能力分別受限于自己的 “本地余額”（在該用戶參與的各個(gè)通道中屬于 TA 自己的資金）和 “遠(yuǎn)端余額”（分別屬于各通道對(duì)手的余額），某一些用戶可能經(jīng)常支付或收取支付，從而用盡余額（因此無(wú)法支付）或讓通道中的資金全部歸屬于自己（因此無(wú)法接收支付）。潛水艇互換可以讓用戶置換出閃電通道中的資金，或向通道內(nèi)注入資金，而無(wú)需 關(guān)閉/重新開(kāi)啟 通道。

已有的應(yīng)用：Loop?，Boltz?。

3.2 LND

LND（Lightning Network Daemon）是一個(gè)開(kāi)源的比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，是構(gòu)建在比特幣和其他一些加密貨幣之上的第二層支付協(xié)議。它是由Lightning Labs開(kāi)發(fā)的，旨在提供快速、低成本和可擴(kuò)展的支付解決方案。

LND 的主要特點(diǎn)和功能包括：

• 支持多種加密貨幣：LND 最初是為比特幣設(shè)計(jì)的，但現(xiàn)在也支持其他一些加密貨幣，例如比特幣測(cè)試網(wǎng)、Litecoin、Groestlcoin等。這意味著可以在不同的區(qū)塊鏈上使用 LND 構(gòu)建閃電網(wǎng)絡(luò)。
• 快速支付：LND 實(shí)現(xiàn)了閃電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，允許參與者在支付通道內(nèi)進(jìn)行快速的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)支付。由于交易不需要被寫入主鏈，支付可以幾乎即時(shí)完成，從而提供了比傳統(tǒng)鏈上交易更快的支付體驗(yàn)。
• 低成本支付：閃電網(wǎng)絡(luò)的交易費(fèi)用相對(duì)較低，因?yàn)橹Ц对谕ǖ纼?nèi)進(jìn)行，只有在通道關(guān)閉時(shí)才需要將最終結(jié)算結(jié)果寫入?yún)^(qū)塊鏈。這樣可以節(jié)省交易費(fèi)用，并為小額支付提供了低成本的解決方案。
• 支持多種操作系統(tǒng)和接口：LND 支持在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，包括Linux、macOS和Windows。它提供了易于使用的命令行接口（CLI），以及適用于開(kāi)發(fā)者的API和軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK），使開(kāi)發(fā)人員可以集成閃電支付功能到自己的應(yīng)用程序中。
• 安全性和隱私保護(hù)：LND 借助比特幣的安全性作為底層網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用閃電網(wǎng)絡(luò)的隱私保護(hù)特性，提供了更高的安全性和隱私保護(hù)。閃電網(wǎng)絡(luò)使用基于哈希鎖定和解鎖的交易機(jī)制，保護(hù)參與者的資金安全和交易隱私。

LND 是一個(gè)活躍的開(kāi)源項(xiàng)目，得到了社區(qū)的廣泛關(guān)注和貢獻(xiàn)。它的目標(biāo)是通過(guò)構(gòu)建閃電網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，為比特幣和其他加密貨幣提供可擴(kuò)展、高效和私密的支付解決方案。

3.3 其他場(chǎng)景

• 社交平臺(tái)支付打賞：近期火熱的Damus支持了閃電網(wǎng)絡(luò)支付及打賞功能，用戶可選擇使用Strike、Cash App、Blue Wallet等數(shù)十個(gè)錢包。
• 跨境匯款：數(shù)字支付平臺(tái)Strike于2023年1月宣布與Send Globally合作，使得美國(guó)和菲律賓的用戶之間可以通過(guò)閃電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、安全、低成本的匯款。通過(guò)Send Globally，美元可以轉(zhuǎn)換成比特幣，通過(guò)閃電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至收款人所在國(guó)家的第三方合作伙伴，再轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刎泿挪⒅苯影l(fā)送到收款人的賬戶。
• 商戶支付：Strike和 Shopify、Blackhawk Network、NCR 合作建立了比特幣支付系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許商家在客戶使用加密貨幣付款后快速接收美元。目前支持該支付系統(tǒng)的商家包括麥當(dāng)勞、CVS、Walgreens、Whole Foods 和沃爾瑪?shù)取?/li>
• 轉(zhuǎn)賬交易：Jack Dorsey領(lǐng)導(dǎo)的支付公司Block旗下的支付平臺(tái)Cash APP可支持通過(guò)閃電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接受比特幣。