什么是比特币闪电网络？闪电网络如何工作？

2024-03-17分类：比特币介绍阅读（）

闪电网络于 2016 年首次推出，是建立在比特币区块链之上的第 2 层支付协议。它通过使用比特币的本地智能合约功能来实现近乎即时的支付。闪电网络由多个双向支付通道组成，处理与主区块链并行的交易。它旨在解决比特币的扩容问题，例如区块创建时间长、吞吐量有限和交易费用高。

用比特币购买咖啡？比特币的可扩展性问题

中本聪 (Satoshi Nakamoto)于 2008 年发布的比特币白皮书设想了一种“点对点电子现金系统”——一种去中心化且无需信任的数字支付系统。然而，比特币要完全实现这一愿景，还需要克服一些缺点和限制。

想象一下，有人试图在高峰时段使用比特币购买一杯咖啡，但却排着长队。这个实际例子立即产生了两个问题：

首先，购买并确认付款已完成可能需要 10 分钟到一个小时（取决于咖啡店需要多少次确认）。

其次，交易费用可能接近甚至高于咖啡本身的成本。没有办法保证比特币能够快速且廉价地处理此类交易，而且这种不确定性可能使其成为一种不太有吸引力的支付方式。

比特币作为支付系统的局限性包括：

区块创建时间相对较长。

对于要添加到区块链上的块的交易，必须通过挖掘过程进行验证。矿工验证是比特币去中心化和安全性的关键，但这也意味着交易不是即时的，需要相当长的时间才能确认成功。事实上，一个新区块在大约10 分钟内就会被开采出来（平均而言，在撰写本文时）。

吞吐能力有限。

相比之下，像 Visa 这样的主要支付巨头可以在其网络上支持每秒约24,000笔交易 (tps)，而比特币区块链最多只能处理 7 tps（在撰写本文时）。作为支付网络，比特币的吞吐量太低，无法处理如此大量的交易，这可能成为广泛使用的重大障碍。

小额支付的交易费用过高。

比特币交易费用在 2021 年 4 月达到超过60 美元的峰值。虽然对某些人来说这似乎不是一个大数目，但如果商家决定接受比特币作为支付方式，交易成本必须大幅降低才能被认为是可持续的，特别是对于小额购买。

这就是闪电网络的用途：它使比特币能够像最初设想的那样更像“数字现金”。通过允许交易（例如购买一杯咖啡的小额支付）绕过主网，闪电网络可以在其网络中大规模处理近乎即时的大容量交易，同时仍然利用网络的去中心化和安全特性。比特币网络。

什么是比特币闪电网络？

简而言之，闪电网络是建立在比特币区块链之上的第 2 层支付协议，可通过支付渠道为参与者提供近乎即时的支付。

闪电网络被设计为比特币的可扩展性解决方案：为了减少比特币网络拥塞，它使用支付通道来处理链下比特币小额支付。这些支付渠道构成了该层。

支付通道是与主区块链并行运行的链下网络。这个想法是在想要进行交易的两方之间建立一个通道，在该支付通道中进行的交易基本上绕过主区块链。这使得多个交易无需在主网（如比特币网络）上达成全球共识和确认即可进行。因此，交易几乎是即时的，而且费用极低。

支付通道中的用户可以进行任意数量的交易，并且这些通道可以根据需要运行。支付通道唯一一次接触主网是在打开和终止它时。当通道关闭时，参与者的最新“状态”（作为双方同意通道中的信息正确的“签字”的链下交易）被合并为单个交易，该交易然后广播到主网。

比特币和闪电网络简史

2016年：闪电网络的概念由Joseph Poon和Thaddeus Dryja首次提出，他们创立了Lightning Labs来开发该网络。

2017 年：比特币协议升级隔离见证( SegWit ) 推出，被认为是全面启用闪电网络作为第 2 层解决方案的一个重要里程碑。今年还见证了莱特币的首次闪电支付，这展示了其在比特币网络之外的潜力。

2018 年：经过 Beta 测试阶段，闪电网络最终在比特币主网上线。

闪电网络如何工作？

闪电网络依靠节点网络来运行，在撰写本文时约有16,000 个活跃的闪电节点。闪电网络与比特币的主要区别在于不需要全球共识，而是节点之间私下进行交易。为了在网络中执行转账和支付，闪电节点使用通道。

第1步：开通闪电通道

假设爱丽丝想用比特币向鲍勃付款。要建立支付通道，爱丽丝或鲍勃（或两者）必须将比特币存入2-of-2 多重签名( multisig ) 钱包。这将创建一个记录在主网上的链上“资金交易”；资金被锁定在这个共同拥有的多重签名地址中。双方贡献的金额显示在开放频道“state”上。一旦初始开仓交易得到确认，他们就可以立即进行交易。

第2步：在闪电通道中进行交易

现在有了可用资金，Alice 可以将付款发送给 Bob。闪电网络使用双向支付通道来促进转账，这意味着鲍勃如果愿意的话也可以在同一通道中向爱丽丝发送资金。

Alice和Bob之间的所有交易都是由智能合约执行并在链下进行，费用低廉，只要每笔交易都签署（否则交易可能无法通过）。它的设计使各方都持有私钥，只有双方都确认后才能在通道中重新分配资金。对于每笔交易，通道的余额也会在链外更新。

使用上面的示例，Alice 和 Bob 在打开通道时各存入 1 个比特币。链下发生了三笔交易：1）Alice 将 0.25 BTC 转移给 Bob，2）Alice 将另外 0.25 BTC 转移给 Bob，3）Bob 将 1 BTC 发送回 Alice。关闭通道后，关闭交易会考虑这些先前的交易，并根据各方的未偿余额进行更新：Alice 为 1.5 BTC，Bob 为 0.5 BTC。

第三步：关闭闪电通道

与打开通道的初始资金交易一样，关闭闪电通道也是链上交易。一方可以发起关闭通道，但双方必须同意这一点，之后资金将被送回各自的钱包。一旦通道成功关闭，代表各方之间余额的单个交易就会在链上广播。

路由和多方交易

闪电网络的多重签名和智能合约设计确保网络独立运行，没有交易对手风险，这对于多方交易非常方便。例如，Alice 可以与 Bob 打开一个频道，而 Bob 恰好与 Carol 建立了一个频道，而 Carol 也与 Dave 建立了一个频道。如果 Alice 想向 Dave 发送资金，但他们没有直接连接怎么办？在这种情况下，付款将通过 Bob 和 Carol 进行路由，并使用他们作为“跃点”。

只要两方已经建立了自己的支付通道，他们就可以让网络决定如何将付款路由到收件人。闪电网络采用源路由和洋葱路由协议的组合来实现这一点。源路由使节点能够完全控制其支付路由；洋葱路由允许节点选择最佳路径，以确保最短路线和较低的费用，并且每一跳都被加密。

哈希时间锁合约

这一切都是在哈希时间锁合约（HTLC ）的帮助下安全地执行的。简而言之，HTLC 作为一种智能合约，一旦在一段时间内（或区块高度）内满足某些条件，接收者就可以收到资金。为了了解这一点，让我们以 Alice 为例，看看如何与 Dave 进行交易（见下图）。在这种情况下，Alice 希望向 Dave 发送 1 BTC，并有 10 个区块退款超时。Alice的节点决定最佳路径并计算费用（例如，发送1 BTC需要0.002 BTC费用）。

多方交易：示例

1. Dave创建一个只有他自己知道的“秘密”（R），并对其执行哈希函数以生成哈希值（H），然后将其发送给 Alice。

2. Alice建立一个HTLC，该HTLC应该满足预定义的条件来释放资金。在这种情况下，如果鲍勃在接下来的 10 个区块内成功提供秘密 (R)，爱丽丝承诺向鲍勃支付1.002 BTC。如果没有，付款将转回给 Alice。

3. Bob不知道领取 Alice 锁定的 1.002 BTC 的秘密 (R)，因此他建立了一个 HTLC，将 1.001 BTC 提交给路线上知道秘密的某人（在本例中为Carol ），以解决该问题哈希“H”。在这个 HTLC 中，如果 Carol 在以下 9 个区块内提供 (R)，她将获得 1.001 BTC 的报酬；否则，资金将被退回给 Bob。

4. 以同样的方式，Carol与Dave创建了一个 HTLC ，其中如果他在以下 8 个区块内提供（R），他将获得 1 BTC；否则，资金将退还给卡罗尔。

5. 此时，Dave知道了解决哈希值“H”的秘密“R”，因此他可以解锁 HTLC 以从 Carol 处获得 1 BTC 付款。一旦戴夫使用该秘密接收资金，卡罗尔也可以使用该秘密。

6. Carol收到秘密后，解锁了 Bob 发送的 1.001 BTC，并向他透露了秘密。

7. 最后，Bob使用该秘密从他和 Alice 之间的通道中获取了 1.002 BTC 。

为什么哈希时间锁合约至关重要

HTLC 是运行闪电网络的关键，因为它们 1）通过确保满足交易中的某些条件来启用网络中的去信任系统，2）安全地促进“多跳”交易。对于 Alice 来说，这意味着她不必信任 Bob 和 Carol 作为中介——协议代表她完成工作，确保 Dave 安全地收到代币；否则，代币将自动退还给她。

结论：闪电网络的现状

迄今为止，闪电网络已被证明是有前途的。然而，它并不完美。

以下是其主要问题和缺点：

围绕支付路由的问题可能会受到节点的可靠性和可用性的影响（例如，当路由节点没有足够的开放通道与其他良好的路由节点进行可靠路由时）。还有不明原因的支付路由失败，各方可能最终使用有故障的节点，甚至没有意识到它们存在问题。

路径流动性不足或路径中渠道资金不足可能会导致该渠道中的支付失败。对于较大的交易尤其如此。

存在严重漏洞和其他安全威胁，例如僵尸攻击或恶意攻击，其中恶意组织使网络拥塞并导致某些节点无法使用，从而锁定了与其连接的所有通道的资金。此外，除其他外，还存在双重支出攻击的可能性（网络中配置不当的瞭望塔可能允许恶意行为者多次花费相同的资金）。

尽管闪电网络存在缺陷，但值得注意的是，过去几年的开发和实施一直在持续进行。2023年初，MicroStrategy宣布计划开发闪电网络解决方案。最近，数字支付公司 Strike在菲律宾推出了由闪电网络支持的汇款服务。

闪电网络持续发展，数百家公司、项目和应用程序构成了其生态系统，并在该领域分配了数百万美元的资本。由于比特币领域的大多数发展都是通过闪电网络实现的，因此在未来几年继续看到它的进步，并且行业参与者不断推动该技术向前发展也就不足为奇了。

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