闪电网络深入解读（下）：HTLC 与支付路由

闪电网络深入解读（上）：支付通道

作者：Magomed Aliev

来源：<https://medium.com/softblocks/lightning-network-in-depth-part-2-htlc-and-payment-routing-db46aea445a8>

在上一篇文章里，我们详细解释了支付通道的运作，以及多种保证支付安全发生的方法。不过，这些功能，还不足以支撑一个可用的支付通道网络：即使我们很确定在每个通道内每个参与者都是诚实守信的，也没法保证通过多个通道来支付同样是安全的。这就是我们需要 “HTLC（哈希-时间锁-合约）” 这种智能合约的原因。在本文中，我们会讲解 HTLC 工作的方式，并使用一个例子来展示多跳支付是如何在闪电网络中实现的。

哈希时间锁合约（HTLC）

HTLC 的结构并不复杂，但非常高效。它使我们可以创建具有明确 “过期时间” 的支付。你可能也猜得到，HTLC 合约由两部分组成：哈希验证和过期验证。

我们先从哈希值（hash）开始。要创建一笔带有 HTLC 的支付事务，你先要生成一个 秘密数值 R，然后计算出其哈希值。任何词语、任何数字都可以充当这个秘密值，因为，对哈希函数来说，它们都是一堆数据的组合，没有什么分别。

H = Hash(R)

这个哈希值 H 会放在事务输出的锁定脚本中。如此，只有知道 H 所对应的秘密值的人才能使用这个输出。而 R 就是所谓的 “原像（preimage）”。

HTLC 的第二部分是过期时间的验证。如果秘密值没有及时地公开，这笔支付就用不了了，发送者会收回所有的资金。

我们来考虑一个发给某人的 HLTC 支付事务：

# 检查所提供的 R 是否为 H 的原像
HASH160 <H> EQUAL
IF
    # 检查公开 R 的人是否为事务最初的接收者
    <Payee Public key> CHECKSIG
ELSE
    # 检查时间锁是否已终止
    <locktime> CHECKLOCKTIMEVERIFY
    # 检查请求返回资金的是不是事务最初的发送者
    <Payer Public Key> CHECKSIG
ENDIF

在正确的 R（哈希值 H 的原像）公开之后，我们进入 IF 流程，进一步验证提供 R 的是不是这笔支付事务一开始的支付对象。在花费这个输出时，接收方只需提供一个非常简单的解锁脚本：

<sig> <secret R>

如果解锁脚本所提供的 R 是错的，我们跳转入 ELSE 流程，首先验证时间锁解锁了没有。如果时间锁已然解锁，发送者就可以收回所有的资金。收回资金这个操作的解锁脚本也差不多，唯一的区别在于，为了进入 ELSE 流程，需要提供一个错误的秘密值：

<sig> <wrong secret>

当然，这只是 HTLC 的一个非常基础的实现，代表着一个普通的时间锁支付。你可以在脚本中加入任意多的其它条件，比如说，在 IF 流程中移除公钥验证，这样只要知道秘密值 R 的人都可以使用这个输出；也可以在其中加入多签名限制，要求提供多个预设私钥的签名才能解锁。

多说一句，在这个案例中，我们使用的操作码是 CHECKLOCKTIMEVERIFY，这个操作码使用绝对数值来定义时间锁，意思就像：“这个输出在区块 #546212 之前是无法动用的”。而在闪电网络中，还用上了另一种时间锁，更 “灵活” 的一种：CHECKSEQUENCEVERIFY，它用到的是相对数值，意思近于：“这个输出，在使用它的事务上链之后的 1000 个区块内，是无法使用的”（译者注：这里的数值都是例子，实践中当然可以使用别的数值）。

闪电网络案例

现在，我们终于讲解完所有元素了，可以尝试理解闪电网络运作的全景了。

我们假设现在闪电网络有 5 个参与者：Alice、Bob、Carol、Diana 和 Eric，他们各自有一个支付通道相连，而每个通道的每一边都有 2 btc 的余额可用。现在，我们尝试让 Alice 通过通道链条给 Eric 支付。

- 一系列相连的双向支付通道，组成了闪电网络，可以转介 Alice 对 Eric 的支付 -

假设 Alice 现在要给 Eric 支付 1 btc。但是，如我们所见，他们并无直接的通道相连，而开设通道需要时间和金钱。幸运的是，Alice 连接着闪电网络，可以在一系列 HTLC 合约的帮助下完成间接支付。我们一步一步拆开来看。

- 逐步分解闪电网络中的支付路由 -

1. Eric 生成了一个秘密值 R，并把其哈希值发给了 Alice（他不会把 R 展示给其他人）
2. Alice 使用这条哈希值创建了一个 HTLC，而时间锁设置成未来 10 个区块，输出的数额是 1.003 btc。这额外的 0.003 btc 是给支付通道链条中间方的手续费。那么，Alice 现在用 HTLC 锁住了 1.003 btc，而 HTCL 的具体条件以大白话表述如下：“Alice 会给 Bob 支付 1.003 btc，只要他能在 10 个区块内交出秘密值 R，否则这些钱会返回给 Alice”。他们之间的通道的余额也会因为这笔承诺事务而发生这般变化，现在 Bob 在通道内拥有 2 btc，Alice 有 0.997 btc，还有 1.003 btc 锁在 HTLC 里面
3. 到了 Bob 这里，他可以随意处置 Alice 的承诺事务（这笔 HTLC 事务是通过他们之间的通道来发送的）。他在自己跟 Carol 的通道中创建了一个 HTLC 输出，数额是 1.002，时间锁设定为 9 个区块，使用了跟 Alice 所提供的同样的哈希值。Bob 知道 Carol 如果想获得这笔钱，就不得不找出秘密数值 R 来解锁这个 HTLC，而一旦她这么做了，他就会知道这个 R，因此也能解锁 Alice 的 HTLC，拿到 1.003 btc。如果 Carol 没法找到这个秘密值 R，Bob 和 Alice 都能在时间锁解锁后拿回自己的钱。注意，Bob 发送的资金数额比自己能够得到的数额小 0.001 btc，这就是他收取的手续费数额。Bob 和 Carol 在通道内的余额变成：Carol 拥有 2btc， Bob 拥有 0.998 btc，还有 1.002 btc 锁在 HTLC 中
4. Carol 获得 Bob 发出的承诺事务之后，也如法炮制，在与 Diana 的通道中创建一个 HTLC，使用的哈希值与 Bob 提供的无二，时间锁设置为 8 个区块，数额为 1.001 btc。如果 Diana 能在 8 个区块以内揭示这个秘密数值 R，就能解锁这个 HTLC，获得 1.001 btc，相应地，Carol 也会知道这个秘密数值，解锁 Bob 给她的 HTLC，获得 1.002 btc，赚得 0.001 btc。Carol 和 Diana 通道内的余额变成：Diana 拥有 2btc、Carol 拥有 0.999 btc，还有1.001 btc 锁在 HTLC 里面
5. 最终，当 Diana 将一个 HTLC（使用同一个哈希值作为锁）通过通道发送给 Eric 时，她把数值设为 1 btc，时间锁设为 7 个区块。Diana 和 Eric 的通道内余额变成：Eric 拥有 2btc、Diana 拥有 1 btc，还有1 btc 锁在 HTLC 里面
6. 现在，我们来到了这个连锁支付的终点。Eric 拥有这个秘密值 R，这个 R 的哈希值用在了所有的 HTLC 承诺事务中。Eric 可以解锁 Diana 发给他的 HTLC，获得 1 btc；而 Eric 取回资金之后，Diana 也会知道这个 R。Diana 与 Eric 的通道内余额会变成：Eric 拥有 3 btc，Diana 拥有 1 btc。
7. Diana 收到这个秘密之后，也拿来解锁 Carol 发给她的 HTLC，获得 1.001 btc 的同时也向 Carol 公开了秘密值。他们通道内的余额变成了：Diana 拥有 3.001 btc，Carol 拥有 0.999 btc。
8. Carol 收到秘密值 R 之后，解锁了 Bob 发过来的 1.001 btc，因此 Bob 也知道了这个秘密值。他们通道内的余额变成了：Carol 拥有 3.002 btc 和 Bob 拥有 0.998 btc
9. 最后，Bob 使用秘密值 R 获得了和 Alice 通道中的 1.003 btc。于是通道内的余额变成了：Bob 拥有 3.003 btc，Alice 拥有 0.997。

这样一个流程下来，Alice 就给 Eric 支付了 1 btc，无需在彼此间另开一个直接相连的通道。整个支付链条中，也没有人需要信任另一个人，而且他们还因为中介服务赚到了 0.001 btc。即使支付在某个环节卡住了，也没有人会遭受损失，因为资金还锁在那里，时间过了就可以取回。

清除故障

在我们这个例子中，整个流程都是很平滑、没有阻碍的，但在现实生活就像所谓的 “墨菲定律”：如果某种坏事可能发生，那这种坏事就一定会发生。于是我们要考虑闪电网络的 “保护” 机制。

从实践来看，支付链条越长，最终无法交付资金的概率就越大：某些参与者可能会关闭通道，或者某些节点会掉线。我们来考虑两种可能的出错情形。

通道故障

先考虑一种情形：我们假设资金已经达到了目的地，但在秘密数值一路返回到支付起点的过程中，某个参与者拒绝合作或者无法配合。假设是 Bob。

- 因为一个通道关闭，资金无法交付 -

当 Diana 收到了秘密值时，就立即取回了资金，并把秘密值暴露给了 Carol。Carol 也想从 Bob 发出的 HTLC 里面拿回资金，但 Bob 没有响应，为了避免风险，她关闭了通道，将自己手上的最后一笔承诺事务（也即 Bob 之前发出的、带有 HTCL 输出的事务）广播到了比特币网络中，而且，因为她知道秘密值，所以能取回资金。此时，Bob 还有三天时间可以从 Alice 处拿回自己的钱（因为 Carol 的事务已经上链，Bob 可以很容易地知道 R 的数值）。否则，等时间锁一解锁，Alice 就可以收回资金。

可以看出，即使某个参与者因为某种原因离开了网络，TA 自己是唯一一个可能损失资金的人，而其他人的资金都是安全的。

重新路由

在第二种情形中，我们假设资金无法到达目的地，也是因为某个参与者出了错。假设是 Carol。

第一种也是最明显的解决方法是，等待 HTLC 的时间锁过期，然后各参议者各自拿回自己的资金。

- 支付路径中的某个节点没有响应 -

但如果 Alice 就是着急支付，该怎么办呢？当然，Alice 可以通过另一条路径发起新的支付，不需要死等资金返回，但要是 Carol 突然之间又回来了，跟 Bob 把链条续上了呢？那 Alice 不就发送了两倍资金了吗？

- Alice 如果使用另一条路径 -

这是否意味着，但凡出现了支付失败的情形，都应该乖乖等时间锁超时，然后再发起新的一笔支付呢？

好在，要避免这种等待，我们可以 “取消” 这一次的支付。Diana（收款方）要发送等量的一笔资金给 Alice，也使用跟原来一样的哈希值，也可以使用另一条路径。现在，如果 Carol 重新上线并参与中介，那么资金会走完一个环路，这就意味着那笔原来失败的支付被抵消了，Alice 可以安全地使用另一个路径来支付了。

- Alice “取消” 了旧的支付，新的支付现在可以安全地发送了 -

支付数额

你可以也注意到了，当 Alice “取消” 其第一笔支付时，现在的确是可以安全地发起新的一次支付了，但这并没有改变一个事实：她的第一笔支付的资金现在仍然是锁定的，而她可能没有足够的钱来发起第二次支付了。这就是为什么在使用闪电网络时，用 HTLC 来支付时资金额度应该更小。因为承诺事务不会上链，数额可以分割成多个很小的额度。这样，无论什么时候一个路径不通了，都只有一小部分资金会被冻结（就是最后发送的那一笔）。

传输协议

闪电网络的另一个非常重要的特点是：有关这个路径的所有信息都是完全匿名的。也就意味着对于任何一个参与者来说，TA 都只知道跟自己有关的这部分，比如，对于 Carol 来说，这笔支付就像是 Bob 在给 Diana 转账，她不知道 Bob 会从 Alice 处收到资金，也不知道 Diana 会继续转账给 Eric。

闪电网络使用 Sphinx 多重加密协议。在使用闪电网络时，Alice 会为网络的每一部分都做一层加密，从支付路径的末端开始。她使用 Eric 的公钥为 Eric 加密了消息。这条加密消息会被嵌套在给 Diana 的消息里，并用 Diana的公钥对整个消息再做一次加密。再然后，这条给 Diana 的消息又会嵌套在给 Carol 的消息里，也用 Carol 的公钥对整个消息再做一次加密。如此不断重复，得出可以交给下一个人的消息。这样一来，Bob 只能解密消息的最外一层，得到本意发给他的内容；然后把消息转给 Carol；Carol 也是如此。每经过一个人，都只会公开绝对必要的消息：支付的数额、佣金的数额、时间锁的内容，等等。

为了让人不能从消息的长度中推测链条的长度，消息的长度都是一样的，总是像有 20 个人参与这个链条一样。每个人，包括最后一个，得到的都是同样大小的图像，都以为除了自己以外还有 20 个伙伴。

闪电网络的好处和应用场景

当然，闪电网络的好处并不像很多人以为的那样，只有可扩展性一项。我们想想闪电网络到底带来了哪些可能。

• 即时交易。使用闪电网络时，事务几乎是即时完成的。所以用比特币来买咖啡就变得可行了
• 交易所套利。当前，从一个交易所转出资金并转入另一个交易所是很不方便的，需要等待 3 至 6 个区块来确认交易。如果交易所能使用闪电网络，那用户就能即时转入资金、参与套利。交易所也不再需要冷钱包来存储资金，极大地降低了盗窃风险。
• 小额支付。比特币区块链的手续费对小额支付来说太高了。很难想象谁会愿意支付 0.001 btc 就为了转账同等数量乃至更少的金额。有了闪电网络，你就可以即时转移任意大小的金额，举个例子，你可以按 MB 来支付网费。
• 金融智能合约和交易。金融合约对时延是极度敏感的，而且通常需要许多计算。把大多数负担移到了区块链外，我们就有机会能创建非常复杂的事务以及合约，而无需把这些都记录到区块链上。
• 跨链支付。如果使用不同共识规则的区块链使用同一种哈希函数，就有可能使用闪电网络来跨链支付。参与者无需信任任何人，也无需使用中介。
• 隐私。在闪电网络中，事务比起在比特币区块链上要更加隐秘，因为支付链条的参与者并不知道交易的发起方和目的地。

结论

我们已经讲完了闪电网络。在下一篇文章中，我会告诉你如何使用 HTLC 来执行一次跨链的原子互换，用 btc 交换 ltc。

链接

• Lightning network in depth, part 1: Payment channels
• “Mastering bitcoin” — Andreas M. Antonopoulos
• Lightning network whitepaper
• Segregated witness for dummies

（完）

本文首发于：https://www.btcstudy.org/2021/09/15/lightning-network-in-depth-part-2-htlc-and-payment-routing/