闪电网络入门：快速掌握比特币二层支付

闪电网络：比特币的二层扩展方案

区块链技术固有的可扩展性限制促使了二层解决方案的诞生。闪电网络正是这样一种二层扩展方案，它能够实现快速交易，无需等待区块确认，从而高效地支持微支付。通过多重签名地址和哈希时间锁合约，它确保了支付的安全性和可扩展性。

闪电网络是什么？

闪电网络是一个运行在区块链之上的网络，用于促进点对点快速交易。它并非比特币独有，其他加密货币也已集成它。闪电网络是所谓的链下或二层解决方案，允许个人进行交易而无需将每笔交易都记录到区块链上。它与比特币网络是独立的，拥有自己的节点和软件，但仍然与主链通信。要进入或退出闪电网络，需要在区块链上创建特殊的交易。

你的第一笔交易实际上是在与另一位用户建立某种智能合约。你可以将许多交易写入这个账本，它们仅对你和你的交易对手可见，但由于设置的一些特殊功能，你们双方都不能作弊。这个小型账本被称为“通道”。假设 Alice 和 Bob 各投入 5 个 BTC 到智能合约中，在他们的通道中，他们各自的余额为 5 个 BTC。Alice 然后可以写入账本“支付 1 个 BTC 给 Bob”，现在 Bob 拥有 6 个 BTC，Alice 拥有 4 个 BTC。然后，Bob 可以在稍后将 2 个 BTC 发送回 Alice，将余额更新为 Alice 拥有 6 个 BTC，Bob 拥有 4 个 BTC。他们可以这样持续一段时间。

任何一方都可以随时将通道的当前状态发布到区块链上。此时，通道两侧的余额会被分配到他们在链上的各自账户。

闪电网络交易速度极快，无需等待区块确认，支付速度仅受网络连接速度限制。

为什么需要闪电网络？

到目前为止，闪电网络似乎是扩展比特币区块链最合理的方法。在一个如此庞大的生态系统中协调更改是棘手的，存在硬分叉和潜在灾难性错误的风险。由于涉及大量价值，实验性操作非常危险。

将实验转移到区块链之外，可以获得更大的灵活性。如果出现问题，它不会对实际的比特币网络产生影响。二层解决方案不会破坏任何让协议运行了 15 年以上的安全假设。也没有义务从旧的做事方式切换。链上交易对最终用户来说仍然照常工作，但他们现在可以选择链下交易。

使用闪电网络有几个好处：

可扩展性

比特币区块大约每十分钟创建一个，只能容纳这么多交易。区块空间是一种稀缺资源，你必须与其他用户竞争才能及时包含你的交易。矿工首先关心的是获得报酬，因此他们会首先包含手续费更高的交易。

当没有很多用户同时尝试发送资金时，这并不是什么问题。你可以设置一个低手续费，你的交易很可能包含在下一个区块中。但是，当太多用户同时广播交易时，平均手续费可能会大幅上升。在 2017 年牛市的高峰期，它超过了 50 美元。2021 年 4 月，平均比特币交易费用超过 60 美元。

对于转移价值数千美元比特币的交易来说，这似乎微不足道，但对于较小的支付来说，这是不可持续的。谁愿意为一杯 3 美元的咖啡支付 10 美元的手续费呢？

使用闪电网络，你仍然需要支付两笔手续费——一笔用于打开你的通道，另一笔用于关闭它。但是，一旦通道打开，你和你的交易对手可以免费进行数千笔交易。完成后，你只需要将最终状态发布到区块链上即可。

从大局来看，如果更多用户依赖闪电网络等链下解决方案，区块空间将得到更有效的利用。低价值、高频次的转账可以在支付通道中进行，而区块空间则用于更大的交易和通道的打开/关闭。这将使系统能够为更广泛的用户群所访问，从而使其能够长期扩展。

微支付

你可以发送的比特币最小金额大约是 0.00000546 BTC。闪电网络允许你交易当前可用的最小单位——0.00000001 BTC 或一个聪。

闪电网络对微支付更具吸引力。常规交易的手续费使得在主链上发送少量金额变得不切实际。然而，在一个通道内，你可以自由地免费发送比特币的一小部分。

微支付适用于许多用例。一些人推测，它们可以替代基于订阅的模式，用户每次使用服务时只需支付少量费用。

隐私

闪电网络的次要好处是它可以为用户提供高度的保密性。参与者不需要将他们的通道公开给更广泛的网络。虽然你可能能够查看区块链并说“这笔交易打开了一个通道”，但你未必能够知道通道内部发生了什么。如果参与者选择使他们的通道私有，只有他们才能知道正在进行哪些交易。

闪电网络的工作原理

多重签名地址

多重签名地址是指多个私钥可以从中支出资金的地址。创建多重签名地址时，你需要指定多少个私钥可以支出资金，以及需要多少个私钥签名交易。例如，1-of-5 方案意味着五个密钥可以生成有效的签名，并且只需要一个密钥即可。2-of-3 方案表示，在三个可能的密钥中，任何两个密钥都需要才能支出资金。

要初始化闪电通道，参与者需要在一个 2-of-2 方案中锁定资金。只有两个私钥能够签名，并且都需要才能移动资金。

他们可以开始将资金存入他们共享的联合拥有的多重签名地址。值得重申的是，Bob 无法在没有 Alice 同意的情况下将资金从该地址转移出去，反之亦然。

哈希时间锁合约 (HTLC)

上述系统很枯燥，与当今的可信赖设置相比并没有提供太多优势。当我们引入一种强制执行 Alice 和 Bob 之间“合约”的机制时，它变得更有意思了。如果一方决定不遵守规则，那么另一方仍然有办法从通道中取回他们的资金。

这种机制是哈希时间锁合约 (HTLC)。这个术语可能听起来令人生畏，但实际上它是一个相当简单的概念。它结合了两种其他技术（哈希锁和时间锁）来补救支付通道中任何不合作的行为。

哈希锁是对交易施加的一个条件，规定你只能通过证明你知道一个秘密来花费资金。发送方对一段数据进行哈希运算，并将哈希值包含在发送给接收方的交易中。接收方唯一能够花费它的方法是提供与哈希值匹配的原始数据（秘密）。而他们提供该数据的唯一方法是发送方将它给他们。

时间锁是一个条件，它可以防止你在特定时间之前花费资金。它可以指定为实际时间或指定的区块高度。

HTLC 通过结合哈希锁和时间锁来创建。实际上，HTLC 可用于创建有条件的支付——接收方必须在特定时间之前提供一个秘密，否则发送方可以收回资金。

打开和关闭通道

我们已经解释了闪电网络如何在节点之间依赖通道。现在让我们来看看它的内部工作原理。

我们举了 Alice 和 Bob 刚刚创建交易来资助他们将共享的多重签名地址的例子。但是这些交易尚未发布到区块链！我们还需要先做一件事。

记住，这些资金唯一可以从多重签名中转移出去的方法是 Alice 和 Bob 共同签署一笔交易。如果 Alice 想将所有六个比特币发送到一个外部地址，她需要 Bob 的批准。她首先需要准备一笔交易（六个比特币到这个地址），并添加她自己的签名。

她可以尝试立即广播交易，但这将是无效的，因为 Bob 没有添加他的签名。Alice 必须首先将不完整的交易交给 Bob。一旦他添加了他的签名，它就变得有效了。

我们仍然没有建立一种机制来确保每个人都诚实地玩游戏。正如我们前面所说，如果你的交易对手拒绝合作，你的资金实际上就被困住了。让我们来看看防止这种情况的机制。这里有一些不同的移动部件，请耐心等待。

每一方都需要想出一个秘密——让我们称这些秘密为 As 和 Bs。如果 Alice 和 Bob 透露了这些秘密，那将是糟糕的秘密，所以他们现在会将它们隐藏起来。两人将生成各自秘密的哈希值——h(As) 和 h(Bs)。因此，他们不是共享他们的秘密，而是共享这些哈希值。

在将他们的第一笔交易发布到多重签名地址之前，Alice 和 Bob 还需要创建一组承诺交易。这将使他们在另一方决定扣押资金的情况下获得补救。

如果你将通道想象成我们前面提到的迷你账本，那么承诺交易就是你对账本进行的更新。任何时候你创建一个新的承诺交易对，你都在重新平衡双方之间的资金。

Alice 的一个交易将有两个输出——一个支付她拥有的地址，另一个锁定在一个新的多重签名地址中。她签署它并将其交给 Bob。

Bob 也这样做——一个输出支付他自己，另一个支付另一个多重签名地址。他签署它并将其交给 Alice。

通常情况下，Alice 可以向 Bob 的交易添加签名以使其有效。但是你会注意到，这些资金是从我们尚未资助的 2-of-2 多重签名中支出。这有点像试图从一个目前余额为零的账户中支取支票。因此，这些部分签名的交易只有在多重签名启动并运行后才能使用。

新的多重签名地址（3 个 BTC 输出的目标地址）具有一些特殊的属性。让我们来看看 Alice 签署并交给 Bob 的不完整交易。多重签名输出可以在以下条件下花费：

1. 双方可以合作签署它。
2. 在一段时间后（由于我们的时间锁），Bob 可以自己花费它。
3. 如果 Alice 知道 Bob 的秘密 Bs，她可以花费它。

对于 Bob 给 Alice 的交易：

1. 双方可以合作签署它。
2. 在一段时间后，Alice 可以自己花费它。
3. 如果 Bob 知道 Alice 的秘密 As，他可以花费它。

请记住，任何一方都不知道对方的秘密，因此条件 3 目前是不可能的。需要注意的另一件事是，如果你签署了一笔交易，你的交易对手可以立即花费，因为他们的输出上没有任何特殊条件。你可以等待时间锁到期自己花费资金，或者你可以与另一方合作直接花费它们。

好了！现在你可以将交易发布到原始的 2-of-2 多重签名地址。这样做现在是安全的，因为如果你的交易对手放弃通道，你可以取回你的资金。

交易确认后，通道即可运行。第一对交易向我们展示了迷你账本的当前状态。目前，它将向 Bob 支付 3 个 BTC，向 Alice 支付 3 个 BTC。

当 Alice 想向 Bob 进行新的支付时，两人会创建两个新的交易来替换第一组交易。步骤相同——它们只是半签名的。但是，Alice 和 Bob 首先放弃他们的旧秘密，并为下一轮交易交换新的哈希值。

例如，如果 Alice 想向 Bob 支付 1 个 BTC，那么这两个新交易将向 Alice 贷记 2 个 BTC，向 Bob 贷记 4 个 BTC。这样，余额就会更新。

任何一方都可以随时签署和广播最近的交易之一，以在区块链上“结算”它。但是，无论哪一方这样做，都需要等到时间锁到期，而另一方可以立即花费。记住，如果 Bob 签署并广播 Alice 的交易，她现在就有一个没有条件的输出了。

双方都可以同意一起关闭通道（合作关闭）。这可能是将你的资金取回链上最简单快捷的方式。但是，即使一方变得无响应或拒绝合作，另一方仍然可以通过等待时间锁到期来收回他们的资金。

闪电网络如何防止作弊？

你可能已经在这里发现了一个攻击媒介。如果 Bob 目前拥有 1 个 BTC 的余额，是什么阻止他广播一个他拥有更多资金的旧交易呢？他已经从 Alice 那得到了半签名的交易，他只需要添加他的签名并广播它就可以了，对吧？

没有什么能阻止他这样做——除了他可能会损失全部余额的事实。假设他继续这样做，并广播一个旧交易，该交易向 Alice 支付一个比特币，向我们前面提到的那个多重签名地址支付五个比特币。

Alice 立即收到她的比特币。另一方面，Bob 必须等到时间锁到期才能从多重签名地址支出。记住我们提到的另一个条件，这将允许 Alice 立即花费这些相同的资金？她当时没有这个秘密。她现在有了——一旦创建了第二轮交易，Bob 就放弃了这个秘密。

当 Bob 坐着，无法做任何事情，因为他等待时间锁到期时，Alice 可以移动这些资金。这种基于惩罚的机制意味着参与者不太可能尝试作弊，因为同伴将获得他们的资金。

路由支付

我们前面已经提到了这一点——通道可以连接起来。否则，闪电网络对于支付来说就不会那么有用了。你真的会将 500 美元锁定在一个与咖啡店的通道中，只是为了在接下来的几个月里每天都能喝到咖啡吗？

你不必这样做。如果 Alice 与 Bob 开通了一个通道，而 Bob 已经与 Carol 开通了一个通道，Bob 就可以在这两者之间路由支付。这可以在多个“跳跃”中工作，这意味着 Alice 可以有效地向存在路径的任何人付款。

对于他们在路由中的作用，中间人可能会收取少量费用（尽管没有义务这样做）。闪电网络仍然相对较新，因此费用市场尚未形成。许多人预计将看到基于提供的流动性的费用。

在基础链上，你的费用完全取决于你的交易在一个区块中占用的空间——传输的价值无关紧要——1 美元和 10,000,000 美元的支付成本相同。相反，闪电网络中没有区块空间这样的东西。

取而代之的是“本地余额和远程余额”的概念。本地余额是你能够“推送”到通道另一端的金额，而远程余额是你的交易对手能够推送给你的金额。

闪电网络的局限性

可用性

对于初学者来说，比特币并不是最直观的系统——地址、费用等都可能让人难以熟悉。在设置闪电客户端后，用户还需要开始打开通道才能进行支付。这可能是一个耗时的过程，当新手接触到入站/出站容量等概念时，可能会让人不知所措。

流动性

闪电网络最大的批评之一是你的交易能力可能会受到限制。你不能花费超过你锁定在通道中的资金。如果你花费了所有资金，以至于远程余额拥有通道的所有资金，你将不得不关闭通道。或者，你可以等到有人通过它向你付款，但这并不理想。

你的路径也可能受到通道总容量的限制。从前面的例子中，如果 Alice 和 Carol 在他们的通道中拥有 5 个 BTC 的容量，但 Carol 和 Frank 只有 1 个 BTC 的容量，那么 Alice 就永远无法发送超过 1 个 BTC。即使那样，整个余额也需要在 **Carol <> Frank** 通道的 Carol 端才能实现这一点。这可能会严重限制可以通过 LN 通道传递的资金量，从而对可用性产生连锁反应。

中心化枢纽

由于上一节中提到的问题，人们担心该网络将促进大型“枢纽”的创建。也就是说，大型、高度连接的实体拥有大量的流动性。任何重要的支付都需要通过其中一些实体进行路由。

显然，这不是一个好情况。这将削弱系统，因为这些实体下线将严重扰乱对等体之间的关系。由于只有少数几个点在传输交易，因此审查风险也增加了。

闪电网络的现状

截至 2024 年 3 月，闪电网络看起来很健康。它拥有超过 13,000 个在线节点、52,000 多个活动通道以及超过 4,570 个 BTC 的容量。

有许多不同的节点实现——Blockstream 的 c-lightning、Lightning Labs 的 Lightning Network Daemon 和 ACINQ 的 Eclair 就是一些例子。对于技术水平较低的用户，许多公司提供即插即用的节点。对于这些节点，你唯一需要做的就是启动设备，你就可以开始使用闪电网络了。

结语

自 2018 年主网启动以来，闪电网络取得了显著增长。仍然有一些可用性障碍需要克服，因为它目前需要一定程度的技术熟练程度才能操作闪电节点。但是，随着正在进行的开发工作，我们很可能会看到进入壁垒随着时间的推移而降低。