基本思路
Layer 2 解決方案旨在克服區塊鏈技術固有的可擴展性限制。
閃電網路是第 2 層擴展解決方案，無需區塊確認即可提供快速交易，從而可以有效地進行小額支付。
該網路確保了跨多重簽名位址、哈希鎖和時間鎖的支付的安全性和可擴展性。
簡介
加密貨幣具有一些獨特的屬性。它們不易被竊取或撤銷，任何人都可以使用它們在世界各地轉移價值，而無需第三方干預。
爲了確保這些屬性的連續性，必須犧牲其他一些重要方面。由於許多節點負責運行加密貨幣網絡，因此吞吐量有限。因此，考慮到該技術旨在供大量受衆使用，區塊鏈網絡每秒可以處理的交易數量相對較低。
爲了克服區塊鏈技術的固有侷限性，人們提出了許多可擴展性解決方案，以增加網絡可以處理的交易數量。在本文中，我們將詳細討論閃電網絡，這是比特幣協議的擴展。
什麼是閃電網絡？
閃電網絡是一個位於區塊鏈之上的網絡，旨在促進人與人之間的交易。它不僅限於比特幣——萊特幣等其他加密貨幣也已經集成了它。
您可能想知道“在區塊鏈之上”是什麼意思。閃電網絡屬於所謂的鏈下或第 2 層解決方案。它允許個人進行交易，而無需在區塊鏈上記錄每筆交易。
閃電網絡與比特幣網絡是分開的——這意味着它有自己的節點和軟件，但仍然連接到主網。要進入或退出閃電網絡，您必須在區塊鏈上創建私人交易。
事實上，您所做的第一筆交易就是與另一個用戶創建一種智能合約。我們稍後將詳細討論這一點 - 但現在您可以想象一個包含您和其他用戶記錄的智能合約。你可以在這個寄存器中寫入很多交易。只有您和您的交易對手可以看到這些交易，但由於記錄設置的一些特殊性，你們都無法作弊。
這個小寄存器稱爲通道。假設Alice和Bob各將5個BTC放入智能合約中。這使得他們的渠道餘額現在達到 5 BTC。然後，Alice 可以在日誌中寫入“向 Bob 支付 1 BTC”。因此，鮑勃有 6 個 BTC，愛麗絲有 4 個。鮑勃可以稍後將 2 個 BTC 返還給愛麗絲，將餘額更新爲愛麗絲和鮑勃擁有 6 個 BTC。他們可以繼續這樣做一段時間。
任何時候，他們中的任何一個都可以在區塊鏈上發佈通道的當前狀態。然後，通道每一側的每個信用都會分配給鏈上的相關方。
顧名思義，閃電網絡上的交易以閃電般的速度進行。無需等待區塊確認——只要您的互聯網連接允許，即可快速付款。
爲什麼閃電網絡很重要？
到目前爲止，閃電網絡（簡稱 LN）似乎是擴展比特幣區塊鏈最明智的方法。在如此龐大的系統中協調變化充滿了風險——例如鏈分裂的風險和潛在的災難性軟件錯誤的風險。由於價值如此之大，實驗的風險極大。
當您將這種實驗從區塊鏈中取出時，您將獲得更大的靈活性。如果出現問題，不會對實際的比特幣網絡產生影響。第 2 層解決方案不會削弱任何使協議保持 15 年以上的安全假設。
也沒有義務改變舊的工作方法。最終用戶的交易照常在鏈上繼續，但用戶現在也可以選擇執行鏈下交易。
使用閃電網絡有很多好處。我們將在下面討論其中最重要的好處。
可擴展性
比特幣區塊大約每十分鐘創建一次，這些區塊可以包含大量交易。但區塊空間是一種稀缺資源，因此您必須與其他用戶競價才能及時包含您的區塊。礦工首先關心的是賺錢，因此他們一定會首先考慮費用最高的交易。
當沒有多少用戶同時嘗試匯款時，這實際上不會成爲問題。您還可以選擇較低的費用，您的交易很可能會包含在下一個區塊中。然而，當太多用戶同時進行交易時，平均費用可能會飆升。在很多情況下，這個平均值超過 10 美元。 2017年牛市頂峯時曾突破50美元。 2021 年 4 月，比特幣平均交易費用超過 60 美元。
對於轉移相當於數千美元的比特幣的交易來說，這似乎微不足道，但對於較小的支付來說，這是不可持續的。誰願意花 3 美元喝一杯 10 美元的咖啡？
使用閃電網絡，您仍然需要支付兩項費用 - 一項用於打開通道，一項用於關閉通道。但您和您的交易對手只需打開通道就可以免費進行數千筆交易。完成後，您所要做的就是在區塊鏈上發佈最終狀態。
從更普遍的角度來看，如果更多的用戶依賴鏈下解決方案，例如閃電網絡，區塊空間將得到更有效的利用。低價值、高頻次的轉賬可以在支付通道中進行，而區塊空間則用於較大的交易以及通道的打開和關閉。這將允許更多的用戶羣訪問該系統，從而實現其長期擴展。
小額付款
在任何交易中，您可以發送的比特幣數量有最低限制——大約 0.00000546 BTC。在撰寫本文時，這大約相當於 38 美分。這是一個很小的金額，但閃電網絡允許您超越限制，以當前可用的最小單位（0.00000001 BTC 或 1 satoshi）進行交易。
閃電網絡在小額支付方面做得更好。常規交易費用使得在主鏈上發送小額金額變得不切實際。但在任何渠道中，您都可以自由地免費發送一小部分比特幣。
小額支付適合許多用例。一些人預計它可能是基於訂閱的模式的可行替代方案，在訂閱模式中，用戶每次使用服務時都需要支付少量費用。
隱私
閃電網絡的第二個優點是它可以爲用戶提供高度的保密性。各方無需讓更廣泛的網絡瞭解其渠道。儘管您可能可以查看區塊鏈並說這筆交易打開了一個通道，但您不一定能夠知道其中發生了什麼。如果參與者選擇將通道設爲私有，則只有他們知道正在執行哪些交易。
如果 Alice 與 Bob 有一個通道，並且 Bob 有與 Carol 的通道，那麼 Alice 和 Carol 可以通過 Bob 相互發送付款。如果 Dan 與 Carol 連接，則 Alice 可以向他付款。您可以想象這將變成一個不斷擴大的重疊支付渠道網絡。在這樣的設置中，您無法確定當通道關閉時 Alice 將錢發送給了誰。
閃電網絡如何運作？
我們已經解釋了閃電網絡如何在高層依賴節點之間的通道。現在讓我們看看詳細信息。
多重簽名地址
多重簽名地址是具有多個可供花費的私鑰的地址。當您創建此地址時，您可以確定這筆錢可以花費多少個私鑰，以及簽署任何交易需要多少個私鑰。例如，五分之一方案意味着五個密鑰可以產生有效簽名，並且只需要一個簽名。 2 of 3 圖表表示三個可能的鍵中，任意兩個都需要花錢。
要啓動閃電通道，參與者以 2×2 方案持有資金，只有兩個可以簽名的私鑰，這兩個私鑰都需要用於轉移代幣。這裏我們回到 Alice 和 Bob 的例子。他們將在未來幾個月內頻繁交換付款，然後決定與閃電網絡開通通道。
首先將 3 BTC 存入他們共同擁有的多重簽名地址。這裏值得強調的是，未經Alice同意，Bob不能從該地址轉賬資金，反之亦然。
現在他們只需保留一張紙來調整兩邊的平衡即可。他們每人的初始餘額爲 3 BTC。如果愛麗絲想向鮑勃支付 1 BTC，爲什麼她不直接記下愛麗絲現在有 2 BTC，鮑勃有 4 BTC？在他們決定將資金移出渠道之前，無法追蹤餘額。
這是可能的，但是這樣做的樂趣在哪裏呢？更重要的是，這不是很容易讓人不合作嗎？如果愛麗絲最終擁有 6 個比特幣，而鮑勃什麼都不擁有，那麼鮑勃拒絕釋放資金也不會造成任何損失（也許除了他與愛麗絲的友誼）。
哈希和時間鎖定合約（HTLC）
上述系統很無聊，並且沒有對現有的可靠設置添加太多內容。但當您添加一個強制執行 Alice 和 Bob 之間“契約”的機制時，事情就會變得更有趣。如果一方決定不遵守規則，另一方仍然有辦法將資金從渠道中取出。
這種機制就是哈希鎖和時間鎖合約（HTLC）。這個術語看似困難，但實際上是一個清晰易懂的概念。該機制結合了其他兩種技術（哈希鎖和時間鎖）來解決支付渠道中的任何不合作行爲。
哈希鎖是對交易施加的一個條件，它規定只有當你證明你知道某個祕密時你才能花錢。發送方對數據進行哈希處理，並將片段包含在接收方的交易中。接收者花錢的唯一方法是提供與該部分匹配的原始數據（祕密）。接收者提供此數據的唯一方法是發送者將其提供給他們。
至於時間鎖，它是一種阻止你在某個時間之前花錢的條件。它被指定爲實際時間或特定的質量高度。
哈希鎖和時間鎖是通過結合這兩種類型的鎖創建的。在實踐中，哈希鎖和時間鎖可用於進行有條件付款——接收者必須在指定時間之前提供祕密，否則發送者將收回資金。我們下面要討論的內容可以通過示例更好地解釋，所以讓我們回到愛麗絲和鮑勃的例子。
打開和關閉通道
我們給出了一個示例，其中 Alice 和 Bob 創建交易來爲他們共享的多重簽名地址提供資金。但這些交易還沒有在區塊鏈上公佈！必須首先執行一個附加步驟。
鮑勃給了三枚硬幣，愛麗絲給了三枚硬幣。
請記住，將這些代幣移出多重簽名地址的唯一方法是讓 Alice 和 Bob 一起簽署交易。如果愛麗絲想將六個硬幣發送到外部地址，她將需要鮑勃的批准。 Alice 將首先發起一筆交易（6 個比特幣到該地址）並添加她的簽名。
您可以嘗試立即廣播該交易，但這將是無效的，因爲鮑勃沒有添加他的簽名。愛麗絲必須先給他不完美的待遇。一旦鮑勃添加了他的簽名，交易就有效。
我們還沒有建立一個強制大家講誠信的機制。如前所述，如果您的交易對手拒絕合作，您的資金將被扣押。那麼讓我們看看防止這種情況發生的機制。影響因素有很多，請耐心等待。
每一方都必須提出一個祕密——我們將這些祕密稱爲“A”和“B”。如果愛麗絲和鮑勃透露了它們，它們就不再是真正的祕密，所以他們現在會隱藏它們。 Alice 和 Bob 將產生他們的祕密的哈希值 – h(As) 和 h(Bs)。因此，他們不會共享他們的祕密，而是共享這兩個哈希值。
Alice 和 Bob 共享他們的祕密的哈希值。
Alice 和 Bob 在將第一個交易發佈到多重簽名地址之前還必須創建一組提交交易。如果另一方決定扣留資金，這將爲任何一方提供補償。
如果您將通道視爲我們之前提到的小記錄，那麼提交事務就是您對該記錄所做的更新。每當您創建一對新的提交交易時，您都會重新平衡參與者之間的資金。
Alice 的交易將有兩個輸出 - 一個將支付到她擁有的地址，另一個則保留在新的多重簽名地址。 Alice 簽署交易並將其呈現給 Bob。
Alice 的交易有兩個出口 - 一個到她的地址，一個到新的多重簽名地址。您仍然需要鮑勃的簽名才能使交易有效。
鮑勃做了同樣的事情——一位董事向他支付費用，另一位董事支付另一個多重簽名頭銜。他簽署交易並將其提交給愛麗絲。
這是兩筆非常相似的不完整交易。
通常，Alice 會爲 Bob 的交易添加簽名以使其有效。但您會注意到，這筆錢是從我們尚未資助的 2-of-2 方案多重簽名地址中支出的。這就像試圖從當前沒有餘額的帳戶兌現支票一樣。因此，這些部分簽名的交易只有在多重簽名地址開啓的情況下才能使用。
新的多重簽名地址（向其傳輸 3 個 BTC 輸出）具有一些特殊屬性。讓我們看一下 Alice 簽名並提供給 Bob 的不完整交易。多重簽名地址輸出可以在以下條件下使用：
雙方可以共同簽署。
鮑勃可以在指定的時間段後自己使用它（由於我們施加的時間鎖定）。
如果愛麗絲知道鮑勃的祕密 B，她就可以花掉它。
關於鮑勃對愛麗絲的待遇：
雙方可以共同簽署。
經過一段時間後，愛麗絲可以自己花掉它。
如果鮑勃知道愛麗絲的祕密，他就可以花掉它。
請記住，各方都不知道對方的祕密，因此條件 (3) 尚不適用。另一件需要記住的事情是，如果您簽署了一筆交易，交易對手可以立即花費它，因爲其輸出沒有特殊條件。你可以等到時間鎖到期自己花錢，也可以和對方一起立即花掉。
好的！現在，您可以使用 2 of 2 方案將交易發佈到本機多重簽名地址。這樣做最終是安全的，因爲如果交易對手離開通道，您可以取回資金。
一旦交易被確認，通道將啓動並運行。第一對事務向我們顯示了小寄存器的當前狀態。目前，將向 Bob 支付 3 BTC，向 Alice 支付 3 BTC。
當Alice想要向Bob進行新的付款時，雙方將創建新的交易來替換第一批。同樣的步驟適用——只有一方簽字。但首先，愛麗絲和鮑勃放棄他們的舊祕密，併爲下一組交易交換兩個新的哈希值。
例如，如果 Alice 想向 Bob 支付 1 BTC，那麼這兩筆新交易將給 Alice 2 BTC 和 Bob 4 BTC。然後，餘額將被更新。
最近的交易之一可以隨時由任何一方簽名和廣播，以便在區塊鏈上“結算”。但無論哪一方這樣做，都必須等到時間鎖到期，而另一方則可以立即花費。請記住，如果鮑勃簽署並廣播愛麗絲的交易，她將無條件退出。
雙方可以共同同意關閉通道（合作關閉）。這可能是讓你的錢回到鏈上的最簡單、最快的方法。但即使一方反應遲鈍或拒絕合作，另一方仍然可以獲得退款，直至時間鎖定到期。
閃電網絡如何防止欺詐？
您可能已經注意到這裏存在威脅。如果 Bob 目前的餘額爲 1 BTC，那麼是什麼阻止他廣播他擁有更大餘額的舊交易？他已經得到了 Alice 簽名的交易，所以他所要做的就是添加他的簽名並廣播該交易，對吧？
沒有什麼可以阻止他這樣做——除了他可能會失去整個平衡。假設他確實這樣做了，並廣播了一筆舊交易，其中一枚硬幣支付給了愛麗絲，五枚硬幣支付給了我們之前提到的多重簽名地址。
愛麗絲將立即收到她的硬幣。對於Bob來說，他必須等到時間鎖到期才能從多重簽名地址進行花費。還記得我們提到的另一個條件，即允許愛麗絲自己立即花掉這筆錢嗎？她需要一個她以前不知道的祕密。現在她知道了——第二輪交易一產生，鮑勃就泄露了祕密。
雖然鮑勃在等待時間鎖到期期間無法執行任何操作，但愛麗絲可以轉移這筆錢。這種基於懲罰的機制意味着參與者不太可能嘗試作弊，因爲另一方可以使用他們的代幣。
指導付款
我們之前簡單地提到過這一點——頻道可以鏈接。如果沒有這個，閃電網絡就無法用於支付。您真的願意花 500 美元預訂一個帶有咖啡店的頻道，這樣您就可以在接下來的幾個月裏每天喝到咖啡嗎？
你不必這樣做。如果 Alice 打開了與 Bob 的通道，並且 Bob 已經與 Carol 建立了通道，則 Bob 將能夠在兩者之間路由付款。這可以跨多個“層級”完成，這意味着愛麗絲可以向任何已經有路徑的人付款。
在這種情況下，愛麗絲可以通過多條路徑到達弗蘭克。在實踐中，您將始終遵循更簡單的路徑。
由於經紀人在路由中扮演的角色，他們可能會收取少量費用（儘管沒有義務這樣做）。閃電網絡還相對處於起步階段，因此收費市場尚未形成。許多人期望看到的是根據所提供的流動性收取費用。
在主鏈上，您支付的費用僅取決於您的交易在區塊中佔用的空間 - 轉移的價值並不重要 - 1 美元付款和 10,000,000 美元付款的成本相同。相比之下，閃電網絡中沒有區塊空間。
相反，有本地餘額和遠程餘額的想法。本地餘額是您可以“支付”給通道另一端的金額，而遠程餘額是交易對手可以支付給您的金額。
讓我們看另一個例子。我們將仔細研究上面顯示的路徑之一：“Alice”<>“Carol”<>“Frank”。
用戶從 Alice 向 Frank 轉賬 0.3 BTC 前後的餘額。
因此，“Alice”<>“Carol”和“Carol”<>“Frank”路徑的總容量變爲 1 BTC。 Alice 的本地餘額爲 0.7 BTC。如果他們現在在區塊鏈上結算，“Alice”將收到 0.7 BTC，“Carol”將收到遠程餘額（即 0.3 BTC）。
如果 Alice 想發送 0.3 BTC 給 Frank，她將向 Carol 的通道支付 0.3 BTC。然後，卡羅爾將從她的本地渠道餘額中向弗蘭克支付 0.3 BTC。結果，卡羅爾的平衡保持不變； Alice 的 +0.3 BTC 和 Frank 的 -0.3 BTC 相互抵消。
卡羅爾作爲愛麗絲和弗蘭克之間的聯絡人並沒有失去任何價值，但她確實讓自己變得不那麼靈活。她現在可以在 Alice 的頻道中花費 0.6 BTC，但在 Frank 的頻道中只能花費 0.1 BTC。
您可以想象這樣一種情況：Alice 僅連接到 Carol，而 Frank 連接到更廣泛的網絡。以前，Carol 可以通過 Frank 總共向其他人發送 0.4 BTC，但現在她只能支付 0.1 BTC，因爲這是她在渠道方面的全部資金。
在這種情況下，愛麗絲耗盡了卡羅爾的流動性。沒有任何激勵，卡羅爾可能不想削弱自己的地位。因此，你可能會說我會把每 0.01 BTC 當作 10 聰。這樣，卡羅爾從當地信用中犧牲的價值越多，走向“更強”的道路，她贏得的勝利就越多。
如前所述，沒有實際義務支付任何費用。有些人可能並不關心缺乏流動性。其他人可以直接向接收者打開通道。
閃電網絡的缺點
如果閃電網絡被證明可以解決所有比特幣可擴展性問題，那就太好了。但不幸的是，它有其缺點，可能會阻止這種情況的發生。
易於使用
比特幣並不是最適合初學者的系統——你可能會難以適應地址、費用等。設置閃電客戶端設備後，用戶還需要開始打開通道才能付款。這可能是一個耗時的過程，並且在向新人介紹諸如傳入/傳出容量等概念時可能非常困難。
然而，我們正在不斷進行改進，以降低進入門檻併爲用戶提供更流暢的體驗。
流動性
針對閃電網絡的主要批評之一是您的交易能力可能會受到限制。您的支出不能超過您在頻道中預留的金額。如果您花光了所有資金，使得遠程餘額包含該通道的所有資金，則您將必須關閉該通道。或者，您可以等待有人通過該渠道向您付款，但這並不理想。
您的路線也可能受到通道總容量的限制。讓我們回到之前的“Alice”<>“Carol”<>“Frank”示例。如果 Alice 和 Carol 的通道容量爲 5 BTC，但 Carol 和 Frank 的通道容量爲 1 BTC，那麼 Alice 永遠不能發送超過 1 BTC。即便如此，要實現這一點，全部功勞必須歸功於“Carol”<>“Frank”頻道的“Carol”一側。這可能會嚴重限制可以通過閃電網絡通道轉移的資金量，因此會對易用性產生影響。
中央中心
鑑於上一節提到的問題，有人擔心該網絡將促進巨大“樞紐”的創建。它們是具有大量聯繫和流動性的大型實體。任何大額付款都必須通過其中一些實體。
顯然這不是一個理想的情況。該系統可能會被削弱，因爲這些實體缺乏互聯網連接將大大削弱各方之間的關係。由於交易僅經過幾個點，因此審查的風險也增加了。
閃電網絡的現狀
2024 年 3 月，閃電網絡看起來不錯。擁有超過13,000個在線節點，超過52,000個活躍通道，容量超過4,570 BTC。
閃電網絡節點的全球分佈。
節點有多種不同的實現，其中最流行的是 Blockstream 的 c-lightning、Lightning Labs 的 Lightning Network Daemon 和 ACINQ 的 Eclair。許多公司爲不具備技術傾向的用戶提供即插即用節點。您對這些節點所要做的就是爲設備通電，然後您就可以開始使用閃電網絡了。
結論性想法
自2018年主網推出以來，閃電網絡取得了顯着的增長。仍有一些可用性障礙需要克服；目前，運行閃電節點需要一定程度的技術技能。但隨着現在的開發量的增加，隨着時間的推移，我們可能會看到進入限制的減少。
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