一文读懂比特币闪电网络机制、进展与挑战

相反，在 C1b 的第一个输出 RD1b 中，Bob 将他的另一个私钥 Bob2 给了 Alice，这意味着 Bob 放弃了 C1b 并批准了 C2b。 类似地，Alice 可以构造一个惩罚交易来对抗 Bob。

从上面不难看出，seq变量提供了惩罚和反制的时间窗口。 关闭支付通道，按照双方最终认可的资金分配方案构建并广播交易。

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RSMC已经可以满足基本的清算要求，但也有明显的局限性：通过RSMC方案进行结算的双方必须建立直接支付通道进行支付。 基于这个痛点，闪电网络需要另一种协议，HTLC。

HTLC支持“条件支付”（Conditional Payment），即多个端到端支付通道串联形成的支付路径，支持首尾双方通过支付路径完成支付。

HTLC的核心是时间锁和Hash锁。 时间锁是指交易双方同意在生效前的一定时间T内提交，如果超时，承诺计划将失效（无论是提议者还是接受者）。 哈希锁可以理解为为哈希值H提供原像R，使得Hash(R) = H，promise有效； 否则无效。 如果支付交易因各种原因失败，时间锁定可以让交易各方收回自己的资金，避免欺诈。

假设Alice要与Bob进行交易，交易金额为0.5 BTC，但Alice需要使用Carol与Bob建立通道进行交易（图4）：

图 4：HTLC 和支付路径

第一步：Bob 设置原像 R（也称为提示数），并告诉 Alice 哈希值 H=Hash(R)。

第2步：Alice通过HTLC向Carol进行有条件支付：当且仅当Carol在时间T之前提供哈希值H对应的原像时，Alice向Carol支付0.5 BTC。同样，Carol通过HTLC向Bob进行有条件支付：如果只有 Bob 在时间 t 之前提供了哈希值 H 对应的原像，Carol 才会支付给 Bob 0.5 BTC。 其中，吨

第三步：Bob在时间t之前将R提供给Carol以获得0.5 BTC，此时Carol知道R。 反之，0.5 BTC 将返还给 Carol，Carol 不会有任何损失。

第四步：Carol 在时间 T 之前将 R 提供给 Alice，获得 0.5 BTC。 反之，0.5 BTC 将返还给爱丽丝，爱丽丝不会有任何损失。

可以看出两点：第一，在HTLC下，支付完成或者未完成都不会对参与者造成损失，所以是“原子性”（Atomic），这是序贯博弈均衡的结果； 第二，原图R（信息）和资金流向相反，原图R可以看成一张收据（Receipt）。

一般来说，RSMC保证两个人之间的直接交易可以在链下完成，而HTLC保证任意两个人之间的转账可以通过端到端的支付通道完成。 闪电网络整合了这两种机制，使得任意两个人之间的交易都可以在链下完成。 在整个交易过程中，智能合约扮演着重要的中介角色，而区块链网络则确保最终的交易结果得到确认。

路由闪电网络使用源路由和洋葱路由。 使用源路由，源节点负责计算从源到目的地的整个支付路径。 为此，源节点需要下载完整的公共支付通道表来计算一条支付路径，并根据这条支付路径涉及的所有通道的负载计算手续费和需要的通道数。 在点对点交易中，这个过程涉及到大量的数据，数据量会随着网络的扩大而增加。 洋葱路由使得交易链中的中间节点无法知道整个交易的发起者或接收者，从而保护了用户隐私。

由于 HTLC 的时间限制，交易如果没有足够快地完成就会失败，因此提高交易传播的速度对于闪电网络的效率非常重要。 要提高交易传播速度，最重要的问题是如何规划最短的支付路径。

闪电网络使用PBMC（Probability-based mission control）机制来解决这个问题。 最初，每个节点都有一个默认的成功率，根据实际转账完成率进行调整。 网络路由的交易越多，任务控制组件就越了解该网络的特征，它就能更好地规划支付路径。

手续费机制 对于链上的 BTC 交易，用户选择每笔交易的手续费，矿工选择手续费较高的交易出块，实现收益最大化。 但闪电网络目前的运作方式不同：节点运营商设定费用，用户选择支付路径和渠道闪电网络主要能解决比特币的挑战有，以最大限度地减少费用。 因此，闪电网络可以提供较低的费用结构。 运营商提供专业化服务，更适合运营商（而不是普通用户）进行资费竞争，操作更方便。

在闪电网络中，节点运营商必须确定两种类型的路由费用：基础费用和费率。 基本费用是固定费用，以 satoshi 的千分之一表示，每次交易通过路由支付时收取。 例如，基本费用为 1000 表示每笔交易的基本费用为 1 聪。 费率是指收取支付金额的一定比例，实际费率公式为费率除以1,000,000。 例如，比率 1000 表示 1,000/1,000,000，即 0.1%。 一旦转账成功闪电网络主要能解决比特币的挑战有，路由通道将收取转账金额的0.1%。

此外，为了给路由支付提供流动性，闪电网络节点运营者需要在支付通道中锁定一定数量的比特币，包括入站和出站流量。 入站流量是指一个节点的支付通道可以从其他路由节点接收到的最大资金量。 流出流量是指一个节点的支付通道可以用来支付其他路由节点的最大资金量。 节点可以控制出站流量，但不能控制入站流量，因为入站流量取决于其他路由节点存入通道的资金量。 例如，如果节点 A 想通过路由节点 B 从节点 C 接收 1 个 BTC，那么节点 A 需要至少有 1 个 BTC 的入站流量。 也就是说，路由节点B需要在A和B之间的通道中放置至少1个BTC，交易才能成功。

无法控制的入站流量会导致闪电网络交易效率低下。 如果两个节点交易之间存在多个路由节点，即使自身的入流量余额充足，也无法确认其他路由节点的入流量余额是否充足。 只要一个路由节点入站余额不足，交易就会失败。

节点运营商需要不时调整基础费用和费率，并监测调整后的影响。 由于支付需求渠道不时发生变化，加上目前的费率普遍过低（大节点日均收益为10万聪，约合7美元），所以大部分节点入不敷出。 因此，当前闪电网络中的流动性提供者并不以投资回报为动力。 但闪电网络费率设计要实现大规模应用，需要重新思考激励机制，通过兼顾投资回报率和流动性架构来吸引节点运营商。

2019 年闪电网络技术进展 2019 年，闪电网络有很多发展，大大增加了易用性、用户资产安全性和支付规模。 以下是四项比较重要的技术进步：

瞭望塔

闪电网络白皮书首先描述了瞭望塔机制，该机制于 2019 年得到改进和实施。瞭望塔针对的问题是使用闪电网络的人需要保持在线，以确保他们的交易对手不会试图窃取资金。 瞭望塔可以检测到不诚实的一方是否试图窃取资金，然后广播正确交易的消息，将资金发回给诚实的一方（即使诚实节点离线）。 换句话说，如果一个行为不端的节点试图传播旧交易，瞭望塔会惩罚该节点。

闪电网络用户可以连接到专业运营的第三方瞭望塔来保护自己的利益，任何路由节点也可以运行自己的瞭望塔来保护自己的利益。 瞭望塔还有震慑震慑诈骗的作用。 对于潜在的攻击者来说，由于不清楚交易对方是否连接了瞭望塔，欺诈成本将显着增加。 图 5 显示了瞭望塔的运行机制。 瞭望塔实际上是由专业机构代表普通用户实施的，以实现图3中的惩罚机制。

图 5：瞭望塔运行机制

继续图1-图3的描述，考虑两个交易对手Alice和Bob，每人在通道中放入0.5个BTC（即C1a/RD1a和C1b/RD1b，可称为交易1或“旧交易”），然后 Alice 支付给 Bob 0.1 BTC（即 C2a/RD2a 和 C2b/RD2b，我们称之为交易 2 或“新交易”）。 此时，通道余额应该是 Alice 拥有的 0.4 BTC 和 Bob 拥有的 0.6 BTC。 假设 Alice 想要作弊，她将包含双方签名的交易 1 的通道状态广播到链上。 如果在seq=1000个区块确认时间内，Bob没有上线反对，则欺诈成功，Bob将损失0.1 BTC。

假设 Bob 委托了一个了望塔来防止交易对手欺诈。 Bob 创建了一个撤销交易（即图 3 中的 BR1a），它授权瞭望塔在必要时撤销交易对方广播的过期交易。 Bob 对交易进行预签名并设置提示号，并将提示号和预签名交易发送给瞭望塔。 这个提示号允许瞭望塔识别过期交易，但不允许瞭望塔知道交易细节或通道余额。

此后，每当在区块链上广播新交易时，瞭望塔会将提示与哈希表进行比较。 一旦一笔交易的提示数与Bob设置的提示数相匹配，瞭望塔就会知道这笔交易是一笔需要撤销的交易。 此时瞭望塔解密Bob提供的撤销交易，证明Alice发出的交易是过期交易，重组并广播Bob事先签名的交易，没收Alice通道中的余额给Bob。 也就是说，只有在发生欺诈行为时，瞭望塔才能解密撤销交易并知道其内容，因此不会严重影响用户隐私。

潜艇互换

淹没交换技术由Alex Bosworth创建，作为一种无缝连接比特币在链上和链下流通的技术。 水下交易所的运行机制与 HTLC 类似，但同时涉及链上和链下交易（图 6）。

图 6：海底交换运行机制

假设 Alice 想把链上的比特币支付给闪电网络上的用户 Bob，但是 Alice 没有闪电网络通道。

第一步：Bob 会设定一组提示数 R（即原始图像），并将其哈希值 H 告知 Alice。

第二步：Alice将比特币连同Bob的闪电网络地址通过链上HTLC发送给水下交易服务商，并要求水下交易服务商在一定时间内揭露提示号，以获得比特币链上。 同理，隐藏兑换服务商通过闪电网络支付通道，通过链下HTLC向Bob的闪电网络地址转入等量的比特币，并要求Bob在一定时间内揭露提示号码，以获得离线-链比特币。

第三步：Bob公开隐含数获得链下比特币，隐含兑换服务商再使用隐含数获得链上比特币，整个隐含兑换完成。

可见，潜在交换最大的作用是提高链上和链下的互操作性，并且由于HTLC的特性，可以最大限度地降低信用成本。 海底兑换可用于延长支付通道的使用寿命。 闪电网络交易需要交易双方有足够的通道余额。 当通道流动性耗尽时，用户往往会关闭原有通道，在下次需要时开通新通道，但这限制了闪电网络通道的扩展和商业规模。 在使用潜币兑换时，用户可以通过潜币兑换服务商获取链下比特币，无需经过链上交易，从而维持通道平衡。

原子多路径支付

目前，闪电网络交易的单笔支付路由只能是一个方向。 假设Alice要支付0.01 BTC给用户Bob，那么他不仅要在一个通道上有0.01 BTC，而且这条路线上的所有中间商也必须在通道中准备好0.01 BTC来进行交易。 也就是说，支付越大，就越难找到合适的支付路径。

多路径支付的思想在2018年被讨论得很丰富，最初的思路是这样的：把大笔的支付分成小的部分，这些小的部分通过不同的节点运营商从支付方转移到收款方。 该解决方案的挑战在于，使用闪电网络支付可能会失败，将一笔交易拆分成多笔交易可能会导致部分交易成功，部分交易失败。 也就是说，支付越大，越有可能出现部分支付的问题，这会限制用户使用闪电网络进行大额支付的意愿。

解决方案是原子多路支付，简单来说就是多路支付+反偏支付机制。 “原子”的含义是：只有所有小额支付都成功，交易对方才会收到全额支付； 如果某些小额支付失败，则整个交易将失败，资金将退还给发送方。

图 7：原子多路径支付流程

原子多路径支付有以下好处： 第一，提高了隐私性。 不管拆分多少个通道去支付，只有交易的双方知道这个过程。 二是改善支付体验。 用户可以一次性进行大笔转账，无需考虑通道金额上限。

中微子协议中微子

Neutrino 协议由一系列“过滤层”组成。 每个过滤层都连接到一个比特币块，以压缩的方式表示连接的块，过滤层与原始块的大小相比压缩了大约 250 倍。 neutrino 协议的目的是减轻客户端硬件设施的负担，只捕获与交易双方相关的数据，避免硬件设施时刻与比特币主链同步。 neutrino协议的运行过程如下：

图8：Neutrino协议运行流程

每当一个新的区块产生时，全节点计算出该区块对应的neutrino过滤层，并发送给闪电网络上的所有neutrino客户端。 所以，大约每隔 10 分钟，客户端就会收到一个 neutrino 过滤层，客户端会比较所有钱包，看看是否有任何交易与钱包用户相关。 一旦发现该区块包含与钱包用户相关的交易，客户端就会下载一个“剥离的区块”。 “剥离区块”只包含交易数据，不包含签名和“见证”数据，可以减少一半以上客户端的硬件负担。 使用新数据，客户端可以更新钱包余额。

一般来说，闪电网络钱包运营商希望提供用户体验高、使用门槛低的产品，但提高易用性往往会降低安全性，例如个人数据被盗或用户资产丢失。 此外，大量的数据负载使得闪电网络难以在移动端实现。 Neutrino 协议允许用户在移动设备上进行操作，而无需运行全节点，这对扩大用户量有很大帮助。

闪电网络实施概述及待解决的问题 闪电网络实施概述

Bitcoin Visuals 提供的闪电网络节点数量、通道数量、BTC 容量等关键指标显示，闪电网络自 2019 年 4 月达到增长峰值后便停滞不前。

目前闪电网络节点数为5104个，节点数在2019年上半年持续增长，2019年1-4月节点数增长77%，但从2019年5月开始到2020年2月10日，闪电网络节点数量仅增长了15%，增速大幅下滑。

闪电网络通道数从2019年4月上旬开始下降，截至2020年2月10日下降了20%，目前通道数为32030个。

BTC持有量从2019年1月的525.80个增加到2019年4月上旬的1059.50个，增幅为101.5%。 但是从2019年4月开始到2020年2月10日，BTC的承载量已经下降到865.58。

图9：闪电网络节点数（左）、通道数（右）和BTC承载量（左）的变化

2019 年 4 月以来闪电网络节点数量、通道数量、BTC 承载能力下降主要有以下三个原因： 从图 9 可以看出，闪电网络节点数量增长最快（2019 年 11 月至 2019 年 3 月之间） )，这恰好是比特币价格在底部徘徊的区间。 在此期间，不少投资者的比特币在二级市场被套牢，无法变现。 闪电网络通道成为投资者可以考虑的比特币存管处。

但是，从2019年3月开始，比特币上涨，闪电网络还没有足够的应用场景和商户。 许多闪电网络用户选择在二级市场套现比特币进行套利，而不是继续将其存储在闪电网络中。 从图10中也可以看出，自2019年4月以来，比特币的交易量大幅增加，这意味着比特币在二级市场的流通量增加，相对而言，闪电网络通道中存储的比特币比例有所增加减少。

图 9：比特币价格（左）和节点数量（右）

图 9：比特币交易量（左）和节点数量（右）

闪电网络节点运营成本=节点搭建成本+运营成本+锁仓资金流动性成本，风险为闪电网络或节点被黑客攻击的可能性。 目前，闪电网络已锁定价值超过800万美元的比特币，损失大量流动性并面临黑客攻击的风险，但节点运营商每月的利润仅为1至20美元不等。 显然，目前闪电网络节点没有可持续的商业模式。 由于闪电网络中有切换通道费用的设计，多开一个通道的用户会额外收取切换通道费用，并且每个节点的服务高度同质化，差异主要在于连接的其他节点数量。 因此，用户倾向于寻找与其他节点连接性更强的节点，这样不仅交易更容易成功，而且需要支付的通道费用也更低。 从经济角度来看，中心化超级节点是用户的理想选择。 当用户数量没有明显增加时，关闭小节点或无用节点，扩大大节点的连接容量，是节点运营商节省成本的一种方式。

闪电网络要解决的问题 为了使交易成功，闪电网络节点需要时刻在线，这与传统支付系统相比存在不便之处。 闪电网络用户没有资金冷存储的选项，用户无法安全存储资金。 瞭望塔虽然可以解决不在线欺诈的行为，但也让整个生态趋向于中心化。 如果某个重要节点下线，整个网络的流动性将大大降低，甚至用户资金会被冻结数日。 闪电网络实施洋葱路由以实现高度隐私。 在洋葱路由下，每个节点只知道前后两个节点的地址，不能还原整条链，也不能确定收款人的身份。 中间方仅在掌握所需信息的基础上进行传输。 实际运行中的问题是无法知道哪个节点在线，哪个节点可以连接到目的用户。 虽然寻找最短路径不是什么难题，已经有很多成熟可靠的算法，但是在交易过程中，闪电网络需要计算整条路径的成本。 一旦中间节点发送失败，除了重新发送交易外，发起交易的用户还得从起始节点重新计算费率，造成时间浪费，用户体验下降。

为了提高交易成功率，每个节点都需要维护一个所有节点和通道的列表。 随着网络规模的增大，这个表变得越来越大，需要同步更新的消息也越来越多，会占用大量的带宽。 即便如此，发送前也不能保证一定成功，发送过程中可能会关闭通道。 一种可能的解决方案是构建一个可靠的路由网络，利用大规模的商业节点作为路由节点，构建一个低成本、高效的路由网络。