关于闪电网络–扎实的示范

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闪电网络首次出现在约瑟夫·庞（Joseph Poon）和萨迪德斯·德里亚（Thaddeus Dryja）在2015年提出的白皮书中。它在比特币社区中引起了巨大的反响和讨论，并被广泛认为是继中本聪（Satoshi Nakamoto）的开创性工作之后，关于比特币的第二重要的白皮书。.

由于闪电网络依赖隔离见证（SegWit）中的协议，因此它在很大程度上一直是一个概念，并且仅在内部进行开发。自2017年比特币SegWit分叉以来，闪电网络的发展一直在正确的轨道上稳步向前.

2018年3月，闪电实验室开发并推出了初始测试版本。后来，ACINQ和Blockstream紧随其后，并在网络上启动了许多实施方案。根据1ml的数据，闪电网络上目前总共有8,204个节点和37,901个支付渠道，支付渠道上有1,021.37 BTC（约534万美元），证明闪电网络在过去一年中实现了显着增长.

闪电网络旨在解决比特币的可扩展性。众所周知，比特币最初是作为点对点电子现金系统创建的，旨在提供去中心化的24/7电子支付网络，但比特币的扩展性问题远未令人满意.

如果我们根据每笔交易的平均300个节点进行计算，则比特币每秒只能处理5.6笔交易，而Visa可以在其峰值容量下处理47,000 tps。为了达到此容量，比特币需要将其块大小扩展到8GB左右，每年增加400 TB的新块数据，这显然是不现实的.

闪电网络只是区块链社区为解决比特币扩展问题而提出的众多解决方案之一，例如大区块，DPoS，DAG，分片，双向挂钩侧链，跨链通信等。.

他们提议优化分布式分类帐技术的基础知识，例如调整配置参数，优化数据结构，修改共识算法，分类账处理，优化网络资源等，但结果并不理想，在所有艰苦的工作之后（增加存储容量，增加存储容量）只能实现非常有限的性能提升网络流量，增加逻辑复杂度，减少分散性）。与Visa相比，比特币仍显着落后.

看来闪电网络是最终的解决方案.

由于比特币智能合约的复杂性，很难理解闪电网络的技术原理。 OK Research团队因此以Solidity语言重新实现了Lightning Network，以了解实现Lightning Network所涉及的技术。我们在下面为您总结了Lightning Network的基本程序和原理.

防雷网关键技术原理

Lightning Network的核心思想是创建临时的脱链支付渠道，该渠道允许双方通过多个支付渠道进行无限制的脱链交易，但只有最终交易会记录在区块链上。这样，交易就更加高效，即时，因为它们不需要等待区块更新。 Lightning Network正在研究如何防止脱链交易被编辑.

1.闪电网络建立在三个重要概念之上-虚拟银行，承诺交易和支付渠道.

a）虚拟银行

智能合约就像银行一样运作。以爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）为例，虚拟银行是–

• 可扩展–只有两个帐户–“爱丽丝”和“鲍勃”的帐户
• 不信任–开放，透明，不可篡改，伪造或取消
• 用户的自主权–爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）共同管理资产
• 多重签名–资金的任何重新分配都需要由Alice和Bob签署

b）承诺交易

承诺交易是指双方就资金分配达成协议并签字。更新不会立即广播到区块链，而是存储在本地网络中.

承诺交易表达了双方的真实意愿。这是在它们之间分配资金的协议。交易 –

• 不可篡改
• 无法伪造
• 可以覆盖

c）付款渠道

付款渠道是指付款双方都使用虚拟银行代管其资产并通过双方协议重新分配其存款余额，以便可以转移价值的情况.

承诺交易分为直接和间接联系.

RSMC（可恢复序列成熟度合同）和HTLC（哈希时序锁合同）

1. RSMC（可撤销序列到期合同）

它包括主动方，主动向虚拟银行提交承诺交易以进行资金分配；接收方，被动地接收主动方提交的分配.

RSMC通过信任存款机制防​​止恶意动机.

当有效方发起清算请求时，接收方的资金（例如$ 100）将被兑现并立即退还至接收方的帐户中。活动方的资产（100美元）将被锁定为保证金。锁定时间由智能合约设置的freeze_time参数确定（freeze_time是指活动方的资产被锁定的时间，双方均可协商）。如果接收方发现主动方请求的承诺交易已被撤销，则接收方可以在锁定期内解锁撤销锁定，并以主动方的信托保证金为准。相反，在锁定期之后，活动方可以收回其信托保证金.

RSMC是双方的双重承诺。各方保留一份承诺书副本，并且这两个副本均对虚拟银行具有约束力且有效。双重承诺可支持双向支付渠道，避免由于任何一方的错误而导致支付渠道阻塞.

这两个承诺之间的共同属性-承诺数量，余额，冻结时间.

两项承诺之间的区别–活动方和接收方，签署方，保证金和撤销锁定.

RSMC的结算过程可分为三个部分.

打开一个频道

• 爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）创建了＃1 RSMC，他们各自向基金贡献了100 BTC.

创建承诺交易（付款）

• 爱丽丝和鲍勃之间形成了一种新的强制性关系。他们将创建＃2 RSMC并交换签名以更新该基金的所有权。请注意，爱丽丝和鲍勃持有交易对手的签名。一旦他们在交易中输入了自己的签名，它将立即生效.
• 双方广播＃1 RSMC的撤销锁的私钥，该私钥将同时变为无效。 RSMC可以连续更换。每次更换的承诺数量增加一.

关闭频道

• 爱丽丝在已经包含鲍勃签名的#N RSMC上签名，然后向虚拟银行提交结算请求.
• 作为活动方，爱丽丝的50 BTC被冻结为保证金，而鲍勃的150 BTC立即被释放。当爱丽丝的资金被冻结时，如果鲍勃（Bob）发现资金重新分配的承诺失败，例如＃1 RSMC失败，他可以随时触发吊销并要求获得保证金，这是他合法有权获得的.
• 如果承诺在整个资金冻结期间仍然有效，那么Alice将能够收回保证金.

尽管RSMC可以满足结算过程的基本需求，但是它具有明显的局限性。必须在RSMC中的双方之间打开一个通道以进行付款。为了解决此限制，提出了哈希时间锁定合同（HTLC）。 HTLC使付款可跨两个或多个付款渠道进行路由.

2.哈希时间锁定合同（HTLC）：解决支付渠道中的原子性问题

HTLC涉及两个条件：Timelock和Hashlock.

• 时间锁定–要求接收者在一段时间（T）内确认接收.
• Hashlock –一方生成一个随机数（H）并生成其哈希（R），如果另一方能够证明Hash（R）= H，则说明付款有效.

在大多数情况下，HTLC包含RSMC的属性。它充当两个始终有效的RSMC之间的桥梁。如果满足时间锁和哈希锁条件，将建立一个新的RSMC。否则，将采用以前的RSMC.

HTLC付款流程

从左到右，建立向前的承诺；从右到左，向后发送一个散列数字以完成付款.

• Carol产生一个随机数（R），然后产生其散列（H），并将两者都发送给Alice；
• 爱丽丝与鲍勃建立了HTLC。时间锁定设置为2T。爱丽丝（Alice）将H发送给鲍勃（Bob）.
• 鲍勃与卡罗尔建立了HTLC。时钟设置为T（必须短于2T）。鲍勃将H发送给Carol.
• Carol将H（散列的R）发送给Bob进行验证。如果数量在到期前匹配，则将基于HTLC建立始终有效的RSMC，并同时取消HTLC，以履行其责任。但是，如果数字R不匹配或付款到期，则HTLC将失败并且付款将返回到最后一个RSMC.
• Bob会将R的数字R从Carol发送给Alice进行验证。并重复上述验证过程.

在这三方中，爱丽丝（Alice）和卡罗尔（Carol）是交易的端点，鲍勃（Bob）只是连接其他两方的商人。实际上，鲍勃可以与任何一方建立付款关系。例如，鲍勃和爱丽丝之间以及鲍勃和卡罗尔之间建立的承诺可以不同。鲍勃可以向卡罗尔支付9.9美元，并向爱丽丝收取10美元。 $ 0.1美元是Bob的转帐费.

3.两种类型的合同正试图解决的风险-作弊和原子性

• 作弊–如果另一方不忠实又不守规矩怎么办?
• 在RSMC中，从＃N-1到#N承诺，活动方可以通过不撤消＃N-1承诺而受益。因此，必须为活动方添加附加条件以广播撤销锁.
• 在HTLC中，从＃N-1到#N承诺，只有接收方只能广播散列的数字以接收付款（与撤销＃N-1承诺相同）。如果活动方未撤消＃N-1承诺，则接收方仍可以直接通过虚拟银行提出要求。总而言之，HTLC建立了一个平衡的全有或全无规则，以避免参与者作弊.
• 多种支付渠道的风险：相邻渠道的原子性

  在付款路径中，活动方将向接收方创建一个HTLC。然后，接收方向后发送哈希值。必须先完成左侧的付款，然后才能完成右侧的付款.

• 对于任何中介，完成右侧节点的付款意味着在时间锁内接收到哈希值。并且左侧的时间锁必须比右侧的时间锁长。因此，中间人必须能够从右侧的节点要求相等的补偿，这意味着中间人的收益通常来自具有较短时间锁定的那一侧。如果我们尝试向后移动，则右侧的节点永远不会完成任何付款，并且它们永远也不会收到哈希值。因此，左侧的付款也将永远无法完成。这是相邻通道的原子性.
• 总体而言，信任机制建立在双方自治的基础上。在决策阶段，接收方先于主动方签署。因此，在职方具有初审权，在职方具有第二次复审权。在执行阶段，活动方在一定时间内具有提交权，虚拟银行具有执行权，接收方具有审查权。.

区块链困境与闪电网络解决方案

比特币是一种点对点的电子现金系统。这是开创性的，因为它创建了具有现金支付系统独特功能的数字支付系统，即“立即结算”。价值交换是通过交换“价值符号”，资产信息以及债权人的债权和负债的转移立即进行的。数字支付一直在努力实现这一目标，因为数字文件可以被复制或伪造，这是数字支付中讨论最多的两个问题–验证和双重支出.

验证–比特币使用数字签名解决了这个问题。谁拥有私钥，谁拥有比特币.

双重支出–如下图所示，当Bob接受Alice的交易时，他将必须通过检查整个分类帐来确认该交易没有重复。防止双重支出造成了可扩展性问题.

正如中本聪（Satoshi Makamoto）在“比特币-点对点电子现金系统”中所写：

“我们需要一种让收款人知道以前的所有者未签署任何较早交易的方式。就我们的目的而言，最早的交易才是最重要的交易，因此我们不关心以后进行双倍支出的尝试。确认没有交易的唯一方法是知道所有交易。”

解决双重支出的唯一方法是获取所有交易记录，Satoshi的分布式分类账基于该交易记录。但是成本太高了.

• 存储–每个节点都必须存储完整分类帐的副本
• 验证–每个节点都必须验证所有交易
• 通信–每个节点必须相互通信
• 共识–每个节点都必须提供哈希功能以达成共识

对于每笔交易，所需的存储，计算和通信将与验证节点的数量成正比。要在分散的节点之间达成共识，需要更多的时间。这是我们经常听到的区块链难题，难以同时实现去中心化，安全性和可扩展性.

近年来出现了解决可伸缩性问题的解决方案，例如更大的块大小，DAG网络，新机制（DPOS，PBFT），分片和侧链。诸如DPOS和PBFT之类的共识机制正在牺牲一定程度的去中心化以实现可伸缩性，从而减少了用于验证的节点数量.

趋势分片和侧链建议更加先进。尽管他们还减少了验证节点的范围以提高共识效率，但他们整合了“分组”的概念，从而避免了在特定节点上频繁进行验证，从而降低了操作风险.

尽管如此，分片技术仍处于起步阶段。关于诸如随机性，平衡性和依赖性的问题，还需要进行更多的探索和实验。简而言之，目前还没有绝对的解决方案。但是Lightning Network在脱链可扩展性解决方案中脱颖而出.

闪电网络背后的逻辑很简单。它不受“点对点现金系统”的限制。相反，它引入了一种类似于电汇的债务转移机制。爱丽丝和鲍勃之间的转移不再是资产的所有权，而是虚拟银行的债务。简化了双重支出解决方案-Bob现在只需要与虚拟银行确认帐户余额，而无需与整个网络确认Alice的转帐记录。但是，Lightning Network的虚拟银行不涉及集中式中间商的想法，而是使用智能合约来保证虚拟银行的债务清算.

无论如何，闪电网络实现了减少大量需要完全共识的交易。通过建立链下支付渠道，它可以实现无限组的验证和双重支出预防。由于脱链组之间不存在依赖关系，因此可以将一部分网络强加给整个网络的风险降到最低.

闪电网络的优势

闪电网络的五个主要优点：

低交易费

• 不需要矿工。使用节点之间的支付渠道收取少量费用.

实时确认

• 参与的节点数量较少。事务通常在几百毫秒到几秒之间完成.

高并行处理能力

• 通道容量=比特币TPS x 3,600 x 24 x平均通道使用期限/ 4 = 3,952,800
• 并行处理能力=通道容量/每笔交易占用的通道= 658,880

  *平均频道年龄为 采购;根据六个分离度，每个事务占用的通道默认为6.

小尺寸

• 大多数数据是链外存储的，从而释放了区块链上的存储空间.

匿名

• 交易是脱链的，几乎无法追踪.

在下一章中，我们将更深入地探讨债务清算模型为何会更有效的原因，以及Lightning Network和新兴解决方案的弊端.

这篇文章最初出现在Medium. 阅读更多.

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