哈爾濱工程大學 區塊鏈討論課
2018201125 陳曉龍
2018201204 魏金龍
參考博客/視頻：
https://www.bilibili.com/video/BV1yW411B7F5?t=16
https://www.bilibili.com/video/BV1et411d7m9?t=553
https://www.8btc.com/article/92887
https://www.zhihu.com/question/46515457
歡迎指正！

區塊鏈可擴展性技術：閃電網路

區塊鏈技術的瓶頸

區塊鏈技術發展到現在遇到一個瓶頸，就是交易吞吐量和交易速度的問題，位元幣在目前區塊大小是1MB的情況下，處理交易的能力是7筆每秒，而VISA支付處理量大約是4000筆每秒，平時我們使用的支付寶、微信等工具交易處理量也遠大于位元幣網路，交易的緩慢，會造成網路的擁堵，這樣用戶之間就會就手續費這個問題產生競爭，從而能夠盡早被礦工處理，進一步會使轉賬的手續費變的更加昂貴，這是非常不利于位元幣的普及使用的，

閃電網路

閃電網路使小額的、經常發生的在兩個用戶之間的交易可以快速地完成，不需要很長的交易確認時間，

閃電網路的核心思想

閃電網路的核心思想是，小額的和日常經常發生的交易無需發生在鏈上，這就避免了每秒處理7個交易的限制，可以很快地處理交易，所以閃電網路被稱為線下方案，
閃電網路的關鍵技術有兩個：序列到期可撤銷合約RSMC（Revocable Sequence Maturity Contract）、哈希時間鎖定合約HTLC（Hashed Timelock Contract），

RSMC

下面通過一個簡單的例子來闡述一下閃電網路的整個作業程序，

每天早上上課的時候我都會從宿舍旁邊買早餐，假設我使用位元幣付款，想象一下我會遇到什么麻煩，第一個是我需要等待很長的時間，讓位元幣網路確認我的交易，這樣我買一個早餐都要等上一個小時或更長時間，我就也不用上課了，可以直接吃午飯了，第二個是，我買一個早餐可能只需要0.00005 BTC，對于這種小額付款，手續費都可能比付款高，

那怎么解決呢？

我想向買早餐的大媽賒賬，每個月結一次帳，這樣我所有交易的處理時間都集中在一次交易上，手續費也只需要付一次交易的手續費，

大媽卻是想讓我直接預付，將一整個月的帳在月初提前支付，

其實我們都是無法相信彼此的，大媽怕我突然某天不來了賴賬，我怕大媽哪天拿著我的錢跑路了，所以我們都無法說服對方讓對方來使用我們的方案，

RSMC的解決方案是：

借助閃電網路，我與大媽之間可以建立一個支付通道，要實作這個通道，我們都要把一些位元幣發送到一個多重簽名地址，這個通道需要我們雙方的共同的簽名才能建立，同時建立一個賬單，這個支付通道是建立在主鏈之上的，所有人都可以看到，

比如我發送了0.001 BTC、大媽發送了0 BTC（可以發送0，因為大媽不需要付款）到這個多重簽名地址，如下圖所示，

當我每天消費的時候，我只要對賬單進行修改即可，如下圖所示，

需要注意的是，修改賬單之后，前面的賬單應該是被舍棄的，應用的永遠都是最新的賬單，
我們兩個人應該都是有權力去結束這個通道的，這個通道被結束的時候，最后的賬單會被上傳到多重簽名地址中，然后主鏈會將我們兩個之間的賬單進行處理，

我們發現整個程序只會有兩次在主鏈上的交易，

在這個程序中，我們可以發現兩個安全性問題，以下面賬單為例，

1. 不合作

   我們兩個人應該都有權力去結束這個通道的，因為如果大媽想結束通道，結賬，而我始終拒絕的話，賬單就遲遲不能被主鏈所處理，但是當前的賬單是只有一個賬單，提交賬單必須要兩個人同意才行，我們應該合理地改變資料結構，使我們兩個人都能獨立地結束這個通道，

2. 舊版本

   我們在解決上面一個問題之后，我們兩個人都能獨立結束通道，但這就會引出一個新的問題，賬單最終的版本應該是4號賬單，我獨立結束通道，提交1號賬單到主鏈上，那就相當于白嫖了所有的早餐，這個問題也必須要解決，舊版本必須在有新版本之后被廢除，

接下來我們來看RSMC是如何解決兩個問題的，

通道建立

通道建立只需要雙方在鏈下準備一套類似上圖的交易結構，完成后僅將funding交易發布到區塊鏈上即可，
交易圖中帶有尖括號的簽名表示待填入，

流程如下：

1. 雙方各拿出0.5 BTC構造Funding Tx，Funding Tx需要Alice和Bob的多重簽名，此時，兩個人都未簽名，不廣播，
2. Alice構造Commitment Tx，包括C1a和RD1a，并交給Bob簽名，Bob簽名后再發送給Alice，C1a有兩個輸出，第一個輸出為多重簽名地址，第二個輸出為Bob 0.5 BTC，Bob構造Commitment Tx，包括C1b和RD1b，并交給Alice簽名，C1b的結構與C1a類似，
3. C1a的第一個輸出為RD1a，這個交易需要Alice2和Bob的同時簽名，會輸出給Alice 0.5 BTC，此型別交易帶有seq，seq=1000表示交易RD1a只能在包含其父交易C1a的區塊得到1000個確認后才能被收錄，

不合作

上面的交易結構其實就可以解決不合作的問題，

這套交易結構是完全準備就緒的一套結構，Funding Tx要提交到區塊鏈上，只需要Alice和Bob的私鑰簽名，

如果Alice想要單方面結束通道：因為C1a中Bob已經簽過名，所以Alice只要在C1a上用自己的私鑰簽名，然后就可以在區塊鏈上發布交易C1a，這時候seq就會起作用，seq=1000，那么Alice必須等C1a被收錄并得到1000個確認之后才能發布交易RD1a，這個輸出的分配是給Alice 0.5 BTC，而第二個輸出則是立即會給Bob分配 0.5 BTC，也就說，單方面結束交易通道的一方會受到延遲提款的懲罰，這個機制也為解決“舊版本”問題提供了基礎，

交易更新

如果Alice從Bob那里買了0.1 BTC的商品，那么通道的余額分配就會發生改變，變成Alice ：0.4 BTC，Bob：0.6 BTC，Alice和Bob會構建新的Commitment Tx，分別是上圖的C2a、RD2a，C2b、RD1b，

那么上面提到的**“舊版本”**的問題怎么解決呢？

RSMC采用的方法非常巧妙，

如果說Alice想要提交舊版本的C1a來賴賬，Alice在C1a上補完自己的簽名，發布到區塊鏈上，因為RD1a需要有1000個確認，也就是大約10000分鐘的時間，7天的時間，才能收到分配給自己的0.5 BTC，但是Bob將會立馬看到被廢除的C1a被發布，而且他已經有了Alice2 的私鑰，那么他就會立馬發布交易塊BR1a，交易塊的內容是把原本分配給Alice的0.5 BTC也分配給自己，那么這1.0 BTC就全是Bob的了，因為BR1a中沒有seq=1000的限制，而且他的父交易已經被放出，這個交易塊會立即執行，Bob會很快收到0.5 BTC，這樣，如果Alice敢這樣干，她會有很大的損失，這個措施也正好照應了RSMC的含義——序列到期可撤銷合約，

需要說明的是，在正常的情況下，如果C1a沒有提交，Bob雖然有Alice2 的私鑰，但是他沒有Alice 的私鑰，所以就無法提交C1a這個賬單，也就無法發布BR1a，所以對雙方來說都是安全的，

HTLC

參考
https://www.8btc.com/article/92887

協議內容

我們還會發現一個問題，這個支付通道是建立在兩個人之間的，那么我每次與一個人交易，都要新建立一個新的交易通道，

在閃電網路中，我們并不需要這樣做，我們可以利用閃電網路來傳遞 BTC，也就是說如果你想與Bob進行一次交易，但是與他之間沒有交易通道，而你和Bob都和Charlie有交易通道，那么你們就可以通過Charlie來進行交易了，如下圖所示

這個中轉交易就要使用哈希時間鎖定合約（HTLC）來實作了，

通過HTLC，Alice和Bob可以達成這樣一個協議：協議將鎖定Alice的0.1 BTC，在時刻T到來之前（T以未來的某個區塊鏈高度表述），如果Bob能夠向Alice出示一個適當的R（稱為秘密），使得R的哈希值等于事先約定的值H(R)，Bob就能獲得這0.1 BTC；如果直到時刻T過去Bob仍然未能提供一個正確的R，這0.1 BTC將自動解凍并歸還Alice，

實體

接下來來看一個例子，

Alice想要支付Dave 0.05BTC，但他們之間沒有支付通道，Alice找到了通過Bob、Carol到達Dave的一個通道，

Dave生成一個秘密R并將Hash(R)發送給Alice，Alice不需要知道R，

Alice和Bob商定一個HTLC合約：只要Bob能在3天內向Alice出示哈希正確的R，Alice會支付Bob 0.052 BTC；如果Bob做不到這點，這筆錢3天后自動退還Alice，

同樣地，Bob和Carol商定一個HTLC合約：只要Carol能在2天內向Bob出示哈希正確的R，Bob會支付Carol 0.051 BTC；如果Carol做不到這點，這筆錢到期自動退還Bob，

最后，Carol和Dave商定一個HTLC合約：只要Dave能在1天內向Carol出示哈希正確的R，Carol會支付Dave 0.05 BTC；如果Dave做不到這點，這筆錢到期自動退還Carol，

一切就緒后，Dave及時向Carol披露R并拿到0.05 BTC；現在Carol知道了R，她可以向Bob出示密碼R并拿到0.051 BTC（差額部分的0.001 BTC成了Carol的傭金）；Bob知道R后當然會向Alice出示并拿到他的那份0.052 BTC，差額部分的0.001 BTC成了Bob的傭金，

整個程序很容易理解，最終效果是Alice支付了0.052 BTC，Dave安全地拿到0.05 BTC，整個閃電支付網路為此收取的傭金成本是0.002 BTC，上述程序中的全部動作都發生在位元幣區塊鏈之外，