超越白皮书：穿越云端的闪电网络

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近年来，随着比特币一步步走进更多人的视野，其可伸缩性问题也随之而生，甚至日益严重，已经成为比特币头顶上的一朵大云。因此，学术界和产业界提出了多种解决方案，如区块扩张、碎片化、侧链等，其中支付渠道方案中具有代表性的闪电网就如它的名字，像一道穿越云端的闪电，它已经成为解决可伸缩性问题的最耀眼的解决方案之一。之后，雷声隆隆，引得人们回首。

自2015年lightning network白皮书发布以来，lightning labs、ACIQ和blockstream作为三个主流lightning网络技术团队，采用不同的编程语言实现了lightning network的技术框架。许多社区开发者也加入了lightning网络生态，开发了钱包、游戏、购物、即时通讯等贴近生活场景的应用，目前，lightning网络上有13000多个节点和37000个支付渠道，其中比特币就有1000个。

从技术角度看，闪电网是比特币两层链下的可扩展技术，是由微支付渠道演变而来的。其核心技术包括RSMC（可撤销序列成熟度契约）和HTLC（散列时间锁契约）。小额支付渠道提供了链下点对点单向支付的能力。与链上交易相比，小额支付渠道的绩效有了质的提高，但其缺陷在于渠道时间有限，资金只能单向流动。RSMC技术在微支付渠道的基础上，解决了资金单向流动的问题，使支付渠道不再有时间限制，为用户提供了即时高效的两两交易，HTLC进一步扩展RSMC，解决多方参与资金路由时的信任问题。这些技术相互融合形成闪电网络。

不可否认，闪电网的诞生为比特币的扩容带来了质的飞跃。同时，其交易成本低、支持跨链交易的特点带来了新的应用场景，为比特币的生态注入了新的活力。但与lightning网络的优点一样，lightning网络的明显缺点是中心化性、稳定性、隐私性、易用性等。

新技术带来新问题，新技术解决新问题。这是一个循环。闪电网络也是如此。针对雷电网络的各个方面，研发团队都提出了新的解决方案。推出了多种扩展技术和服务，如确保离线状态下用户资金安全的望塔、实现链内外资金便捷交换的潜汇、超渠道支付上限的原子多径支付等。

展望未来，闪电网有望成为比特币生态的技术基础之一，将吸引更多的生态甚至非生态元素加入摩擦火花。此外，它可能成为个人金融业务和零售业应用的重要支付工具。在这个过程中，技术人员和生态运营商也需要为雷电网络的稳定性、安全性、隐私性、易用性和开放性付出更多努力。

1、 闪电网络的诞生

2008年，比特币白皮书发布，将加密数字资产和区块链的概念和技术引入公众视野。然而，比特币自发布以来一直伴随着一些技术问题。1交易延迟：每一笔交易的确认需要等待至少6个区块，即至少1个小时，与当前各类电子支付交易确认速度相比，以毫秒级为单位。吞吐量问题：受限于区块容量和共识算法pow的时间消耗，比特币全网每秒只能处理7笔交易，而天猫双11 2019年的峰值每秒订单已经达到54.4万笔；3存储问题：到目前为止，比特币区块链上有超过60万个区块，约270gb，只会在可预见的未来增加，远远高于各种手机和PC软件的存储容量。在其他区块链中，这些问题也存在。这些技术瓶颈严重制约了加密数字资产和区块链大规模商业落地引发产业变革的能力。

因此，学术界和产业界提出并实现了各种链上和链下的改进方案。1链上解决方案，如块扩展（以bitcash为例）、替换POW中的算法以减少挖矿时间（如莱特币）、分片，并提出更轻的一致性算法（例如POS）；2。链外解决方案如segwit、wedge-in-side-chain、平行链、plasma、支付渠道等，如表1所示，为提高可扩展性而采用的各种技术方案的比较如表1所示。

以支付渠道为代表的Lightning网络被认为是解决比特币可扩展性问题的最优秀的技术解决方案。闪电网自2015年提出以来，近年来备受关注。拉兹洛·汉耶茨（Laszlo hanyecz）用1万比特币买了两个比萨饼，2018年再次以64.9万丛的价格购买了两个比萨饼。2019年1月，一场名为“闪电火炬”的活动启动，覆盖全球数十个国家，众多科技界大佬作为火炬手参与传递。在短短的五年里，几个团队已经用各种语言实现了lightning网络，并且各种各样的LAPP都涌现出来了。目前，lightning network拥有13000多个节点和37000多个支付渠道，其中比特币有1000个。

为什么lightning network能为比特币的可扩展性带来质的飞跃？为什么不能解决比特币网络的可扩展性问题？本文对雷电网络技术的原理、贡献和局限性、扩展技术和生态状况进行了深入的探讨。

2、 雷电网络技术原理

“如果一棵树倒在森林里，周围没有人听见，它会发出声音吗？”导言来自18世纪哲学家乔治·伯克利，也是约瑟夫·庞和塔迪斯·德里亚在2015年提出的“闪电网络”概念的根源。正如没有人听说下跌是微不足道的，每天重复交易也不必知道。

对于比特币网络，如果事务的双方有多个事务，则不需要将每个事务同步到网络的每个节点。只有在多次交易后，将双方最终的资金分配情况上报到比特币网络，既可以保证资金状态的最终正确性，又可以减少双方在低效比特网络中的等待时间，提高交易频率，减少计算和计算的消耗比特币网络的存储资源。可以说，它可以解决比特币网络高延迟、低吞吐量的问题，打破困扰比特币多年的性能瓶颈，为减少事务存储提供了一个很好的解决方案。

本节将探讨闪电网络的技术原理，一个看似“完美”的解决方案。Lightning network基于微支付渠道演进，将其单向支付渠道扩展到双向支付渠道，通过RSMC（可撤销序列到期合同）解决双向渠道中历史合约无效的问题，并采用HTLC（散列时间锁）来解决跨节点交易问题比特币链形成了不依赖可信第三方和可信交易对手的支付网络。

2.1单向支付的小额支付渠道

提出的小额支付渠道为双方建立小额支付渠道提供了解决方案。它具有四个特点：高性能、低服务费、安全性强、渠道资金单向流动、渠道时效性强

2.1.1高性能、低服务费

1） 只需进行两次通信（即比特币网络上的两次交易）。建立和关闭通道时，交易双方只需与比特币网络通信。第一通信建立微支付通道，第二通信将通道内交易的最终结果发布到比特币网络。

2） 渠道中的资金交易采用点对点的通信方式进行。通道内的支付只需要交易双方的签名，省去了复杂的网络传播和验证，交易速度接近实时。而点对点的交易费用几乎可以忽略不计。

2.1.2安全性强

1） 交易双方利用双签名账户构建支付渠道。支付渠道中的交易需要双方的签名，拒绝不能发布到主链。

2） 当受款人消失后，付款人仍然可以追回余额，保护付款人的权益。如下图1所示，在签署将10 BTC存入双人签名账户的基金合同之前，Alice会要求Bob签署退款合同，并确定取回余额的时间点。在本例中，退款合同意味着4月30日之后，Alice可以签署合同并在比特币网络上发布。成功后，双签名帐户中的10个BTC将返回到Alice的帐户。这样，Bob就不能通过拒绝发布交易合同来勒索Alice收回渠道中的余额。

3） 付款人不得拒绝为保护收款人权益而发生的交易。如图2所示，每次发生新事务时，Alice都会签署余额重新分配合同并将其发送给Bob。图中的TX1表示Alice支付Bob 1 BTC，TX2表示Alice支付Bob 3 BTC。然而，如果Alice希望通过tx3收回所有10台BTC并拒绝之前的两次付款，它将无法这样做。因为tx3没有经过Bob的签名，所以无法发布。Bob只需要忽略tx3，签署TX2并在比特币网络上发布它就可以得到他应得的4个BTC。同时，可以注意到，微支付渠道对那些试图拒绝的人没有惩罚机制（这里是爱丽丝），剩下的6个BTC仍将返回Alice的账户。

2.1.3渠道资金单向流动

微支付渠道只适用于Alice向Bob付款的场景，不适用于Alice和Bob相互转账的情况。渠道在容量上不限制资金的双向流动，但从Bob到Alice的交易并不可信。即使Bob签署了付款合同并将其发送给Alice，Bob仍然可以在合同发生之前签署并解除合同，从而拒绝付款。

2.1.4信道时限

小额支付渠道通过时间锁定机制（上文第2.1.2节所述）保护付款人的权益，但同时，该渠道只能保留到时间锁定到期时间。一旦到了最后期限，即使渠道中的金额未全额支付或双方仍有付款要求，渠道也将关闭。如果没有关闭，在上例中，信道中的所有10个btc都将返回给Alice。鲍勃显然不会允许这种情况发生。他将发布频道的最新合约，并在截止日期前关闭频道。

2.2进一步的RSMC

为了给双方提供双向、长期的支付渠道，lightning network设计了基于微支付渠道的可撤销序列到期合同（RSMC）。与之相伴而生的是更为复杂的签名机制和不可否认性机制。

RSMC有五种交易

1） 存款（资金）：渠道建立初期，双方资金通过“存款”交易存入双签名钱包。向比特币网络广播存款交易，意味着双方已经建立了支付渠道。但是，在播出前，需要签署一个“提交”交易，以确保即使对方消失，双签名钱包中的资金仍然可以收回（上述微支付渠道是通过“退款”交易实现的）。

2） 承诺：支付渠道建立后，交易双方在该渠道进行资金交易时实行“提交”交易。交易特征一式两份，双方签署交易信息后提交给对方。如果参与者想终止支付渠道，可以签署对方已签署的合同，并将其广播到区块链网络，进行资金分配，关闭支付渠道。

3） 指的是“在交易中交付的资金”交易完成后，资金将到达目标账户。通常指不可逆分布。

4） 可撤销交割：也是现金交割的交易，但交易的执行可能因其他交易的执行而撤销。在RSMC，它将被收回主要是因为“违约赔偿”交易的执行。

5） 违约救济：RSMC的核心不可抵赖机制。当交易对手试图通过公布历史交易来拒绝后续交易时，可以通过发行“违约赔偿”交易没收交易对手的所有资金。

本节将详细讨论这五种交易如何相互配合，在Alice和Bob之间的交易中实现高效可靠的支付渠道。

2.2.1支付渠道的建立与交易

1） 存款交易与信托

如图3所示，这是在Alice和Bob之间建立支付渠道和渠道内的资金流动的过程。最初，爱丽丝贡献了2个BTC，Bob投资了8个BTC。双方签署了一项“存款”交易，并计划将这笔钱储存在他们的双签名钱包中。但是，由于双签名钱包里的资金只有双方签字同意后才能使用，双方都会担心，尤其是投资较多的鲍勃，如果对方消失，将无法收回钱包中的余额，甚至对方可能会以不签字的方式勒索他。因此，在播放“存款”交易之前，双方都需要一个担保来取回账户余额，这是通过“提交”交易实现的。

2） 交易提交和渠道建立

如图3所示，在状态1时，Alice和Bob将各自签署一个提交事务以供另一方持有。以Alice持有的提交事务C1a为例。交易输入是双方的签名。此时，鲍勃已经签字，但爱丽丝还没有签字。

事务的输出是资金分配方案的脚本。此时不会执行脚本。只有在事务中执行Alice和signs时，才会在事务中执行Alice和signs。这种想法类似于员工已经与公司签订了竞业禁止协议，但协议中的索赔条款在他们签署时不会生效。只有当员工违反条款并引发竞争时，公司才会起诉员工并执行索赔条款的内容。

输出脚本具有以下功能：1。给鲍勃分配8个BTC；2。用两种方法处理剩余的2个BTC。如果使用Alice的密钥取款，等待100个街区后，2个BTC可归属于Alice。如果使用Alice R1（此密钥将在下面描述）和Bob的密钥共同取款，则2 BTC将立即归属于Bob。因此，即使竞争对手Bob消失了，Alice也可以在等待100个街区后通过广播C1a找回自己的资金。

通过签订C1A和C1B交易，双方建立了付款的信托基础。此时，押金交易将广播到区块链网络，并建立Alice和Bob之间的支付通道。

3） 支付渠道交易

支付通道建立后，Alice和Bob之间的交易可以在该通道中进行，无需向区块链广播。每个交易只需签署一个“提交”交易并将其传递给另一方。当双方在线时可以实时完成。与区块链等待10分钟相比，这是一个质的进步。

如图3所示，在状态2，Alice和Bob开始新一轮事务。通过交换签名的“提交”事务C2A和C2B，Bob向Alice支付4 BTC。值得注意的是，当Alice和Bob互换合约时，Alice R1和Bob R1也被释放给对方，用于向对方声明上一轮持有的“提交”交易C1a和C1b无效，资金分配以状态2的“提交”交易C2A和C2B为准。

Alice和Bob可以根据此规则在支付渠道进行资金交易。与小额支付渠道不同的是，这里没有时间锁，所以在理论上，渠道可以永远存在，直到交易的一方主动关闭支付渠道。

2.2.2支付渠道正常关闭

当Alice或Bob认为他们的资金交易已经结束或想要取回双签名钱包中的资金时，他们可以在区块链上广播最新的“提交”交易进行资金分配。

如图4所示，以Alice为例，她可以广播C2A，C2A中的输出脚本将执行以触发d2a“allocate”事务。分配时，Bob将立即检索4个BTC，但Alice仍然需要等待100个块来检索6个BTC。这是RSMC对第一个提议结束交易的一方的“惩罚”

“分配”交易完成后，Alice和Bob关闭交易通道，在比特币网络上注册他们的最终基金状态。

RSMC的违约责任与违约赔偿

由于基于RSMC的支付渠道在物理上不会使具有历史状态的交易失效，理论上，参与者仍然可以通过广播历史交易来拒绝后续的支付交易。但是RSMC巧妙地设计了惩罚机制来防止这种情况的发生。

如图5所示，假设Bob通过发布状态1的C1b并关闭支付通道来拒绝状态2中的支付事务，D1b将被触发执行，并且Alice在状态1中的余额2 BTC将立即分配给Alice的帐户。剩下的8个BTC将在C1b发布后通过rd1b“可撤销分配”交易分配给北京银行账户，但100个区块的生成时间较长。如果Alice在此期间发现Bob的拒付行为，可以提取Bob给的Bob R1的密钥来广播br1b的“违约赔偿”交易，并将双签名电子钱包中剩余的8个BTC全部取走，使rd1b交易无效。被拒者不仅收回了自己的资金，还没收了钱包里的所有资金。这消除了支付渠道交易的交易对手风险。

值得一提的是，2019年，望塔机制已逐步应用到雷电网络的节点上。即使用户离线，也可以委托望塔监控资金是否被盗。一旦被盗，望塔将广播“默认补偿”交易，而不是用户。用户不再需要每隔一段时间检查对手是否作弊，这大大降低了闪电网络的使用成本。望塔将在本文第5.1节中讨论。

2.3编织网HTLC

基于小额支付渠道，RSMC为用户之间的资金交易提供了一个长期有效的解决方案。但是，如果每两个用户在交易时需要建立一个新的支付渠道，那么网络中的连接数将大大增加。每个通道的建立还需要比特币网络的处理（这不可避免地涉及等待和交易成本），这是不经济的。HTLC（哈希时间锁

契约（hash-time-lock-Contract）提供了一种借用网络中已建立的连接的解决方案，使非直接连接的用户可以进行可信资金交易。只要网络中有一条可以连接交易双方的路径，就可以进行可信交易，大大提高了网络的可扩展性。

2.3.1多方参与

如图6所示，没有HTLC，如果还没有建立支付渠道的Alice想把1个BTC转移给Carol，她需要Bob的帮助，Bob已经与他们建立了支付渠道。爱丽丝先把1个BTC转给鲍勃，然后鲍勃再把它转给卡罗尔。这就需要一个可信的Bob来确保支付成功完成，因为Bob可能已经将1 BTC收入囊中。即使Bob是可信的，这种交易也违背了比特币的初衷，即避免通过分布式账本依赖可信的第三方。

2.3.2 HTLC工艺流程

HTLC通过巧妙地使用hash时间锁来保证中间路由节点不会截留通过的资金，并且不需要依赖可信的第三方来保证。图7显示了HTLC处理流程。

启动交易。当Alice想向Carol支付1 BTC时，在正式发起交易之前，Carol会自己准备一个R，然后对其哈希进行加密生成H（注意R不能通过H倒出），即H=hash（R），并将H发送给Alice。

转发h以建立HTLC。在Alice得到h后，她将h发送给Bob，并向Bob发起HTLC转账交易。如果Bob能在15:00之前告诉Alice r对应于h是什么（只是一个示例时间），Bob可以得到1个BTC，否则，Alice可以得到1个BTC。在Bob与Alice签署HTLC合同并得到h之后，他将对Carol执行相同的操作，签署合同并通过h，并将较早的截止日期设置为14:00。

反向通过r清除HTLC。卡罗尔得到h后，发现它和她自己的h是一样的，所以她将r与HTLC匹配，得到1 BTC，并告诉Bob r。同样，Bob可以使用r来获得Alice的1 BTC，并用Alice结束她的HTLC。一切都结束了。

为了在BTR过程中得到BTR节点，他必须将BTR交给BTR，但是他必须通过BTR来解决问题。

值得注意的是，链路上的锁定时间必须减少。假设Alice和Bob约定的截止时间是15:00，Bob和Carol约定的截止时间是16:00，Carol可以在15:30从Bob的1 BTC转到R，并且Alice的1 BTC已经在15:00取回，Bob将蒙受损失。但是，由于Bob和Carol之间的交易截止日期是由Bob设定的，Bob可以通过合理安排时间来避免这种情况。

同时，RSMC和HTLC可以在同一个“提交”事务中提出，具体形式如图8所示。

2.3.3路线和手续费

读完这篇文章后，读者可能会想知道爱丽丝是怎么知道鲍勃可以和卡罗尔联系的，为什么鲍勃要帮助爱丽丝把钱转给卡罗尔？这涉及到HTLC的路由机制和成本机制。

路线

在路由方面，HTLC采用了源路由和洋葱路由机制。网络上的所有节点都会发布自己的路由信息和资金限制，形成一个支付通道表。并计算从事务的源到目标的路径。同时，通过使用洋葱路由机制，每个路由节点只知道相邻节点，不能了解整个路径，从而达到了隐私保护的目的。这两种机制都是现有的路由机制，已经应用于雷电网络的建设中。

服务费

实际上，作为中间节点，Bob可以指示其路由的服务费，如0.01btc。在向Carol转移1 BTC的交易中，Alice在与Carol签订交易时向Bob支付1.01 BTC，Bob向Carol支付1 BTC，达到收取服务费的效果。如果Bob是一个暴涨的收费员，Alice会在计算路由方案时排除Bob并选择其他路由节点。

2.4雷电网络

由此，RSMC和HTLC互相帮助，RSMC解决了资金单向流动的问题，HTLC解决了多方参与的问题，在比特币两层链下形成了一个高度可扩展的支付渠道闪电网络。

3、 雷电网络生态学

3.1开发团队

自2015年潘宇森（Joseph Poon）和塔迪斯（Thaddeus dryja）发布第一版闪电网络白皮书以来，团队相继加入了闪电网络核心技术研发的行列。详见表2。最主流的三家公司是闪电流。他们开发了基于不同语言的闪电网络协议和相关核心技术。后来，纳尤塔也加入了他们。现在我们来介绍这四支队伍。

闪电实验室成立于2016年，是一个专注于闪电网络技术和产品开发的国际团队。其开源产品包括（loop、LND、neutrino等），以提供一个安全且可扩展的闪电支付系统，帮助用户高效地进行日常转账和支付操作。此外，lightning labs还提供基于lightning network的可验证、非托管的衍生金融服务。从开源开发者社区来看，lightning labs在实践中开创了开源软件生态和下一代比特币金融软件生态。

ACIQ成立于2014年，是一支来自法国巴黎的创业团队。主要针对比特币生态进行面向可伸缩性优化的技术研发，并提供相关产品和服务。aciq开发了一个基于Scala语言的lightning网络实现，它被认为是最流行的lightning网络协议实现之一。此外，基于“索赔”网络，ACIQ还推出了相应的产品栈，包括Phoenix、ACIQ node、strike等。

Blockstream成立于2014年，是比特币的领先技术和服务提供商，专注于密码和分布式系统。blockstream的核心产品C-lighting是lightning网络最流行的实现之一。其他主要产品包括elements、blockstream satellite、liquid network等，其技术愿景是构建基于比特币区块链的加密金融基础架构框架。Blockstream旨在利用先进的密码技术和安全工程技术降低金融市场的信任成本，从而大大提高交易效率。经过长期的实践和积累，团队对于在P2P开放网络环境下构建高性能、可伸缩、包容的金融交易协议具有重要的研发经验。

Nayuta是一个来自日本的技术产品团队，成立于2015年。主要为比特币生态系统开发软硬件系统。围绕lightning网络，nayuta推出了包括协议实现和上层应用端在内的不同产品，如ptarmigan、nayuta wallet等，其中核心产品ptarmigan节点软件实现了lightning网络标准，并在不同的硬件平台上提供支持，以更好地满足基于物联网设备的新一代支付需求。此外，纳尤塔正在为企业用户开发联盟连锁闪电网络，为企业间提供高性能的支付结算服务。

3.2应用

Lightning network apps（Lapps）尚处于开发初期，但其即时性和低手续费吸引了众多开发者贡献大量支持闪电支付的应用，涉及钱包、游戏、购物、加密数字资产交换、餐饮、即时通讯等。

加密数字资产钱包。根据lightning network stores的数据统计，截至目前，市场上支持lightning network的加密数字资产钱包约有30种，2019年初仅为6款。这些钱包分为托管钱包和非托管钱包。支持的终端主要是Android和IOS。一些钱包还支持windows、MAC、Linux和浏览器插件。值得注意的是，7月初，老款钱包electrum发布了新版本，该版本还支持闪电网络、望塔和电位交换。

即时消息。一些开发人员根据闪电网络的特点，开发了基于闪电网络的即时通讯软件。该应用程序可以提供通过间接连接匿名发送信息的能力。洋葱路由会使信息的路径和来源难以追踪，增强了匿名性；另一方面，由于没有中心化式服务器，两个用户之间通过建立直接连接的聊天内容很难被外界追踪。类似的应用包括LnSMS.world公司，接收短信、付费电话等。

网上购物。闪电网以支付快捷、服务费低廉为特点，为比特币购物的使用提供了新的活力。一些开发者已经提供了基于闪电网络的在线购物中心，比如Bitrefill支付公司一些团队还支持将lightning online wallet用于现有的电子商务平台（如bitcard，它支持在亚马逊上使用比特币）购买礼品卡）或在餐厅购买商品或服务，例如在披萨店, 星形块等。

游戏。闪电网络的即时性为在线轻量游戏提供了可能，例如国际象棋（以闪电棋为例）、纸牌（以闪电扑克为例）和赌博（例如BC.游戏例如，幸运骰子）都出现在app store中，并吸引了大量玩家的注意。

跨链交易。闪电网络点对点的网络传输方式使其能够自然地支持原子交换，这使得跨链交易非常方便。相关应用，如sparkswap和zigzag，也出现在市场上，提供无管理的去中心化交易和加密数字资产交易服务。

除此之外，lightning网络上还有很多其他应用程序在活动，例如小费支付、广告，甚至尝试嵌入硬件（如pollofed，一个通过lightning network远程喂养鸟类的应用程序）。

可见，闪电网的诞生为街区生态注入了新的活力。由于缺乏对智能合约的支持，区块链的去中心化应用生态与以太坊等相比并没有得到很好的发展，闪电网的诞生使得我们日常生活中经常使用的应用或服务开始在比特币网络下重印。尽管它的可用性和用户规模远不能与之相比，但它至少提供了一个起点。

3.3活动

2015年，闪电网概念一经推出，就受到区块链领域和开发者投资的热烈讨论。2017年12月27日，Alex Bosworth使用BitRefill支付电话费，在lightning network上诞生了第一笔商业交易。2018年初，闪电网在比特币主网正式上线。在经历了短期的快速增长之后，增长率趋于平稳。

从2018年10月到2019年3月，闪电网经历了一轮快速增长，频道数量和容量增长了几倍，从近1万个频道和约100个BTC增加到4万个频道和1000多个比特币。上涨的一部分原因是大规模的“闪电火炬”接力活动，一度走出怪圈；另一部分原因是这段时间比特币的价格一直在低位徘徊，导致持币人兑现意愿大幅下降，这使得比特币的一部分进入了闪电网络。此后，渠道数量和运力经历了小幅下降后又呈上升趋势，这也可能是比特币的投资属性造成的。截至目前，闪电网络通道已超过3.7万个，可容纳1000个BTC上下浮动的资金，至今尚未回到19年的峰值水平。

目前，lightning网络上大约有13000个节点。根据lightning network explorer的数据，大部分中心化在西欧和美国，这与比特币的活跃区域基本一致。Lightning network是比特币网络的两层网络，Lightning network的主要用户也来自比特币网络用户的改造。参照比特币的活跃地址数近年来上下波动（地址数量和用户数无法对等），lightning network仍有很大的增长空间。新技术的研究和开发可以提高雷电网络的实用性和用户友好性，或者是雷电网络后续扩展的动力。

4、 雷电网络的贡献与局限性

4.1贡献

4.1.1提高比特币网络可扩展性

毫无疑问，lightning网络可以提高比特币的可扩展性。其设计初衷是为了解决比特币块的大小限制和事务等待时间长，每秒只能处理7个事务，这是制约比特币发展的重要因素之一。闪电网创新设计RSMC和HTLC，提供链下近实时微交易的能力，不仅缓解了比特币主链的压力，也为用户提供了便捷的支付方式。它可以一笔勾销，为区块链的更大规模扩张提供了可能。

4.1.2减少交易时间和资本成本

降低交易成本有两种方法。1减少事务等待时间。原来，在比特币主链上，每笔交易需要10分钟提交，1小时确认。但在闪电网络中，点对点通信模式下，用户只需签署双方认可的交易协议即可提交，双方在线时双方即可实时达成协议。此外，通道的持续时间不受限制。用户可以在频道中重复交易。交易完成后，将资金下拨状态广播到主链，进行资金下拨确认，将原来的多次确认等待时间缩短为一次。2降低交易费用。比特币主链上的每笔交易都需要收取一定的手续费，其峰值曾经达到55美元（后来下跌，最近在1美元左右波动）；但在闪电网，只有开、关渠道需要在主链上交易，其余的交易都在闪电中进行网络。目前，网络中主要路由节点的日收入只有10万丛左右（约合7美元），可见路由佣金较低。因此，闪点网为比特币生态拓展了中高频微交易场景，也为用户提供了更好的中高频微交易选择。

4.1.3支持跨链交易

区块链中有三种主要的跨链机制，即公证方案和侧链

/继电器）和来自lightning网络的散列锁。与其他两种类相比，哈希锁不需要依赖可信的第三方，不会受到51%的攻击，并且实现最轻。lightning网络采用哈希时间锁技术，自然支持跨链交易，使lightning网络能够为用户提供多方跨链交易的去信任能力。

4.1.4促进比特币生态发展

比特币是一个基于点对点的电子支付系统。无疑，闪电网络技术的诞生对于突破比特币支付瓶颈具有重大的现实意义。虽然与支付宝、VISA等传统支付方案相比还有一定差距，但对于比特币本身来说，实现即时支付是不可能的一大进步，为其日常生活中的支付场景提供了重要的技术支持。

此外，比特币 ecology也因未能开发出像以太坊这样的去中心化应用（DAPP）生态而备受诟病，使得其应用场景蜷缩在支付和投资（目前更可能是投机行为），也将其开发和用户群限制在非常小的范围内。闪电网络的诞生催生了Lapps，为比特币生态系统中全分布式应用的发展铺平了道路。交易成本（时间成本和资金成本）的降低和微支付的高性能支持吸引了更多社区开发者加入，从而贡献出更加多样化的应用场景，吸引更多用户加入，形成良性循环。

4.2限制

4.2.1限制性付款上限

非直连用户在闪电网络上进行支付时，实际上是通过支付中继进行支付的，这会导致路由节点的资金不足以完成中继，而且资金越大，成功支付的难度就越大。19日年初，由于流动性问题，大规模的“闪电火炬”接力活动也显得有些乏力。

不过，值得注意的是，2019年12月底，blockstream宣布原子多路径支付技术已通过互操作性测试，尚未正式推出。在今年5月中旬发布的0.8.2版本中，C-lighting还支持大通道支付，取消了0.16 BTC的支付上限。虽然这两项技术尚未在雷电网中大规模实施，但这些扩展技术的发展有望有效解决雷电网支付通道上限的问题，并为闪电网引入更多金融、贸易领域的应用场景。

4.2.2节点和资金中心化明显

闪电网自开通以来，其中心化问题一直受到广泛关注，主要体现在两个方面。1中心化路由节点。2资金中心化。

Lightning网络采用HTLC机制实现用户之间的支付通道，无需直接连接，但中间路由节点的创建和维护需要一定的技术门槛，低佣金难以激励用户节点承担路由工作，路由节点中心化。中心化路由节点在一定程度上缩短了路由的路径长度，提高了交易的稳定性，但会带来单点问题、负载问题、隐私问题等，违背了区块链去中心化的思想，也在一定程度上催生了资金中心化的问题。

为了保证中心的路由节点能够承担更多的路由负载，节点上会存储大量的资金。研究论文[1]分析了2018年1月14日至2019年7月13日雷电台网的数据。结果表明，闪电网资金分布极不均匀，基尼系数高达0.88，说明网络上10%的节点持有80%的资金，50%的节点持有99%的资金。这不是一个健康的生态环境的表现。

4.2.3需要解决的网络稳定性问题

对于支付系统来说，稳定是重中之重，没有人愿意把钱投到发生两三天倒闭或倒闭的平台上。但年轻的闪电网络确实面临一系列的稳定性问题。其中，单点问题、流动性攻击问题和支付成功率问题可能是最显著的稳定性问题。

在前面的文章中，我们提到了雷电网络的中心化问题。单点问题是中心化问题的扩展。一旦中心节点或信道受到攻击或失去连接，许多节点将成为孤立的节点，这将大大降低整个网络的可用性，甚至导致网络崩溃。如图16所示，当前关键通道数（如果通道断开，部分节点将无法形成支付路径）已超过2200个，约占通道总数的38%。

另一个值得关注的稳定问题是流动性攻击问题。[2]中提到，在现有的lightning网络技术条件下，攻击者可以使用小于0.25 BTC，以弥补lightning network中多达650 BTC的流动性损失，时间长达3天。这种攻击的主要思想是攻击节点作为支付的发起者和接收者，用少量的资金发起转移请求，但是接收方在签署HTLC后没有为前一个节点提供R，使得整个链路处于等待状态，并且节点在信道上的流动性也很高已锁定。通过这种流通操作，可以达到锁定网络中大量流动性的目的，从而导致网络瘫痪。

支付成功率也是衡量支付渠道稳定性的重要标准。根据DIAR 2018年6月底的一份报告，仅用几美元支付的成功率仅为70%左右，且随着金额的增加，支付成功率将显著下降。当交易金额超过300美元时，成功率仅为1%。这也与上述“支付渠道上限”相呼应。同时，中间路由节点离线也是支付失败的原因之一。闪电网交易需要双方同时在线签订协议。如果一方的离线时间超过约定的时间锁定时间，则交易将失败。

号

4.2.4数据隐私难以保障

在lightning网络中，洋葱路由在一定程度上增加了支付路径跟踪的难度。然而，随着中心化问题的出现，大多数交易都是通过中心节点进行的，这大大增加了暴露参与者的风险。一些研究者在研究中也指出了这个问题[3]。同时，当lightning network应用于更多线上线下支付环境时，在大数据技术成熟的当下，支付节点的所有者更容易暴露自己的身份。如果闪电网络的中心化问题能够得到解决，隐私问题也能在一定程度上得到缓解。

4.2.5受限的网络可扩展性

闪电网络本身的可扩展性也值得关注。由于lightning网络采用源路由机制，网络中的每个节点都需要维护一个支付路径路由表来规划交易的路由路径。这在目前闪电网络规模下不是问题，而是当网络规模扩大时，整个网络中节点的连接信息和应付金额信息的存储和实时更新，高并发性的路径选择平衡分配问题将带来可扩展性问题，制约着lightning网络的发展。

4.2.6较高的使用阈值

降低用户门槛，提高用户友好性是面向应用技术普及的重要前提。即使对于比特币用户来说，如何利用lightning网络交易或如何成为路由节点赚取佣金也不容易，更不用说广大非比特币用户了。由于雷电网络的发展还处于起步阶段，还没有成熟的商业包装。用户在使用lightning网络进行交易时，必须了解一些技术细节，体验不友好的操作过程。最后，他们可能会遇到支付失败，这大大提高了用户的门槛，降低了他们的使用意愿。

5、 雷电网络的扩展技术与服务

通过以上分析可以看出，雷电网络有利于比特币技术和生态的发展，但由于其技术完整性不高，不可避免地引入了一些问题。为了解决这些问题，研究人员和开发人员不断研究和引进各种lightning网络的扩展技术和服务。本章将以望塔、子交易所和原子多径支付为代表进行论述。

5.1“欺诈斗士”望塔

背景

为了消除闪电网络中的对手风险，RSMC技术设计了一种惩罚机制，不仅可以收回资金，而且可以没收信道中拒绝者的所有资金，以补偿受害者。不过，处罚机制的运行需要用户定期上网查询，确认是否遭遇了对手的抵赖。如果用户错过了处罚的时间窗口，其损失的资金将无法追回。然而，作为一种支付技术，用户需要定期检查资金的安全状况，其使用意识的差异不言而喻。可以认为，如果这个问题得不到解决，闪电网的支付方案在市场竞争中就没有优势。望塔技术就是为了解决这一问题，保证用户在连续离线状态下的资金不会被对手窃取。

发展

避雷网白皮书中提到了望塔技术的原。其核心思想是在不泄露用户隐私信息的前提下，对交易对手的拒绝行为进行监控，并发布违约赔偿交易。白皮书发布后，研究人员和开发团队针对望塔技术提出了更为详细的技术解决方案和闪电网络节点激励方案。McCorry等人提出的Pisa协议。[4] ，提出了aarikioti等人提出的dcwc[5]和具有望塔激励相容性的Cerberus信道[6]。除了学术研究，业内也有团队试图登陆望塔。2019年6月，lightning labs团队首次将望塔技术集成到过期的lightning网络中[7]。之后，在2019年7月，bitmex将其lightning网络节点升级到包含了望塔功能的版本[8]。

原理

望塔在雷电网络中的实现主要涉及交易双方和望塔三个角色。我们仍然以Alice和Bob的支付渠道为例，假设Alice使用watchtower服务。

Alice：每当两者之间发生交易并更新支付通道的状态时，Alice都会向望塔发送签名消息，授予望塔代表望塔执行默认补偿交易的权利，并将交易的哈希信息通知给望塔。

鲍勃：鲍勃是爱丽丝的对手。在向Alice转账后，Bob可能会通过发布历史交易链来拒绝当前的转账交易。

Watchtower：Watchtower将利用Alice提供的哈希信息与链上的事务进行比较，并持续监视是否存在拒绝行为。当Bob在线释放具有历史状态的交易后，Alice发送的历史交易对应的签名报文将被解密，默认的补偿交易将代替Alice被释放，通道中的所有资金都将转移给Alice。

望塔技术的提出和应用对提高闪电网络的可用性具有重要意义，但同时也面临着各种技术和操作上的挑战，其中最受关注的是可扩展性、隐私性和操作模式。

为了监控拒付交易，望塔需要实时收集和存储lightning网络中所有支付渠道的状态变化，并与链中新打包的交易进行比较。这意味着，望塔不仅需要存储和维护链上的全部数据，还需要实时收集、监控和存储链下的数据。随着闪电网络规模的不断扩大，望塔的可扩展性成为一个问题。

同时，随着望塔服务时间的增长，每个用户的存储和计算成本将继续上升。在这个过程中，用户对望塔开放的信息越少，用户的隐私就越强，但是望塔的成本就越高。以隐私为导向的望塔不会获取每一条发送到望塔的消息的账号和频道信息，但这意味着不能用账号模式对用户进行管理和收费，很难盈利，这使得望塔缺乏可持续经营的激励机制。面向业务的望塔可以将消息与账户联系起来，制定合理的收入模。然而，这种方式会暴露用户的资金流等个人习惯和信息，给隐私保护带来挑战。甚至可能把望塔变成金融监管中心，失去公链的完全分布式特征。

5.2“上下互通”电位交换

背景

两个用户之间的支付渠道可以想象成一个沙漏。沙漏的每一端代表一个用户，沙漏中的沙子代表锁定在支付渠道中的资金。沙漏可以在沙漏的两侧自由分布，但如果要向沙漏中添加沙子或从沙漏中移除沙子，则只能选择打破沙漏。这是用户使用lightning network支付渠道时的另一个易用性问题。渠道中的资本能力是在渠道建立之初确定的。不能向渠道增加资金，不关闭渠道就不能收回渠道资金。渠道之间和链条上的资金不能相互交换。这大大限制了用户的流动性。为了改善这一问题，再平衡技术使同一用户可以多渠道进行资金转移，但尚未实现链内外余额的统一管理。在这种背景下，提出了海底互换技术，它可以在不关闭支付渠道的情况下完成链上和链下的资金交换，补充渠道中的资金。最后，大大降低了链内同一用户、链下渠道统一资金管理的难度。

发展

潜艇交换技术是由闪电实验室的alexbosworth和olaolwa osuntokun首先提出的。它被称为潜艇交换，因为它可以把链上的资产转移到链下的闪电网络，就像潜艇可以把水上的信息传送到水下一样。目前，电位交换技术已逐步应用于现有的雷电网络中。lightning labs开发的loop[9]项目支持loop in和loop out功能，可用于单个用户的链上和链下转移资金，也可用于向lightning网络中的商户付款。除了比特币和在lightning网络内，由于潜在交换技术只要求双方中的一方在lightning网络中，因此它可以用于跨链传输场景。例如，redshift[10]为使用潜在交换的资产转移提供了可视化服务。

原理

通常，在涉及潜势交换时，其语义通常包括（正）势交换和反潜交换。（正）势交换是指用户将资金从链上转移到链下的过程，反潜交换则相反。两种交换的原理基本相同，技术上基于HTLC，应用的核心是潜在的交换服务提供商。

具体而言，电位交换的原理与上述2.3所述的HTLC基本相同。区别在于，上一篇文章中描述的HTLC技术只应用于链外场景。在潜在交换技术中，利用HTLC通过潜在交换服务商实现链上和链下的互通。

以（正）电位交换为例，如图20所示。假设Alice想将她的连锁资本“充电”到lightning网络频道，而Bob是潜在的交换服务提供商。然后是1。Alice准备R并将其散列得到h；2。Alice在链上与Bob建立HTLC，并将1 BTC传输给Bob。同时，她告诉Bob h，Bob需要在约定的时间内提供h对应的R来使用资金，否则资金将退还给Alice。Bob和Alice还在lightning网络中建立了HTLC，其中Bob向Alice支付1 BTC也要求Alice在约定的时间内提供R。4当Alice在lightning网络中采集到1个BTC时，她将R的值透露给Bob，Bob可以通过这个R得到Alice在链上传输的1个BTC，这与前面提到的“正向传输h建立HTLC，反向传递R以清除HTLC”的过程完全一致。但是，由于链上的交易，Alice需要为链上的交易支付另一笔服务费。

反潜交换的过程与正潜艇交换的过程相反，如图21所示，过程不再重复。但值得注意的是，在反潜交易中，由于链上交易是由Bob发起的（Bob向链上Alice的地址转账），Bob需要支付链上交易的服务费。因此，Bob会要求Alice预付链下在线交易的服务费。这笔预付款与爱丽丝的实际转账分开支付。即使Alice潜在的汇兑转账失败或被取消，也没有设计机制从技术上收回预付款。

5.3“将整体分解为部分”amp

背景

渠道支付的上限也是闪电网面临的主要易用性问题之一。因为非直连用户需要通过网络中的多个节点来完成支付，而路径上任意节点的信道余额小于支付金额，会导致支付失败。随着支付金额的增加，闪电网络的支付成功率将迅速下降。另外，同一用户的资金可能去中心化在多个lightning网络节点的多个通道中，无法实现跨渠道合并支付。原子多径支付技术就是为了解决这两个问题而提出的。

发展

原子多径技术于2018年由闪电实验室工程总监Olalouwa osuntokun首次提出[11]。2019年12月底，blockstream宣布该技术已通过互操作性测试，但并未正式推出。2020年5月初，lightning labs的LND 0.10版本发布，以支持多路径支付[12]。可以看出，这项技术已经逐步应用到雷电网络中。

原理

原子多径支付的原理并不复杂。简单地说，就是将支付从一条路径改为多条路径。其核心是实现原子性，支付哈希不可重用，顺序无关，无交互作用[11]。

原子性：原子多径中的原子在这里指原子性。这意味着，即使支付被分解成多个路径进行传输，最终，支付金额也是一个不可分割的原子，要么全部支付给接收方，要么返回给发送方。部分付款不可能成功。

支付哈希值是不可重用的：在将事务分解为多个路径后，每个分解的子事务都将有一个哈希值。为了避免安全风险，每个子事务的哈希值需要不同且相关性较低。

订单独立性：每个子交易的到达顺序不影响交易的合法性。

无交互：在这里，无交互意味着发送方可以在不与接收方进行额外交互的情况下发起原子多路径支付，而接收方并不知道这一点。

如图22所示，原子多径支付支持多种场景，包括流出流动性不足（支付节点单通道资金不足），流入流动性不足（接收节点对应节点单通道支付资金不足）和中间节点流动性不足（除了发送方、接收方，以及与其直接相连的对方节点外，其他传输节点在单个信道上资金不足。

5.4及以上

除了上述三个方面外，还有许多其他的扩展技术和服务来解决lightning网络中的其他类的问题。例如，lightning labs提供了自动驾驶仪，降低了lightning网络用户的配置难度；实现了一个用户多个渠道之间资金转移的再平衡；在减少带宽和存储的同时保护隐私，帮助实现轻量级lightning network钱包客户端的中微子协议；目前，它已应用于c-lightning的同一笔交易中，可以自动打开和关闭通道，完成渠道资金的转移；lnurl通道子协议技术可以降低渠道建立和退出的运营成本；以及LightningTo。我, LNBIG.com网站闪电网络服务提供商（LSP），如Bitrefill等等。这些创新将闪电网络和比特币推向了一个更受欢迎的方向。

6、 总结与展望

6.1未来发展

2019年12月3日，加密数字资产交易所bitfinex宣布支持Lightning network的存取款业务。可以预见，未来将有更多主流交易所和加密数字资产钱包加入其中，完成闪电网的业务拓展。在未来的加密数字资产活动中，用户只需通过交易所和钱包app即可完成闪电网的相关交易，从而更加灵活地管理和配置个人加密数字资产账户和资产。这种趋势的出现，将大大扩大雷电网络的用户群，进一步推动雷电网络的不断普及。

近年来，闪电网络可以成为生态学中重要的基础服务之一，但它不会是唯一的。多种扩张方案动态共存的可能性更大。在提高比特币的可扩展性、降低交易费用、优化用户支付体验等方面，与lightning network共存的解决方案（碎片化、跨链等）将相辅相成，共同建立针对特定应用领域高度互补的技术体系，共同解决比特币自身的局限性和挑战。

另一方面，雷电网络的出现为上层3层的金融应用和服务提供了强有力的技术基础。随着实时结算的提高和交易费用的降低，未来比特币生态的去中心化金融市场（DeFi）可能会开始，比如贷款、抵押、保险业务，可以预见，这一市场的发展将依托闪电网络提供底层的基础支付环境，并大大提高比特币资产的流动性。

6.2改进方向

为了实现这一发展预期，雷电网络开发者和社区需要从技术开发和生态运营的角度开展大量工作。

1） 提高网络安全系数，增强用户隐私

从技术角度来看，雷电网络的设计和实现还处于比较早期的阶段。未来的技术发展重点将中心化在支付网络架构的不断优化、安全性、隐私性、易用性等基本环节。

在网络架构上，未来的工作将中心化在优化当前支付流程的局限性上，主要中心化在平衡支付渠道的负载、降低中心化度、提高其流动性、提供更好的用户交易体验等方面。

为了提高lightning网络的安全性，有必要在未来的发展过程中对lightning网络的攻击面进行系统的研究，并对潜在的安全风险进行建模，使lightning网络协议标准本身和不同版本的实施能够客观地进行实用的安全威胁评估。具体来说，lightning网络协议本身目前面临流动性攻击、恶意资金交易攻击（ce-2019-12998、ce-2019-12999、ce-2019-13000）等，此外，从软件安全的角度来看，相关lightning网络节点软件也可能受到潜在的代码级漏洞利用、网络劫持和其他传统安全攻击。因此，近年来，随着lightning网络的快速发展，相关技术开发人员需要进一步适应和应用lightning网络安全领域的前沿研究成果，以保证对已知安全攻击的免疫力，同时要尽快发现和发现尚未披露的潜在安全漏洞，确保闪电支付网络的资产安全。从这个角度来看，闪电网络的安全性不亚于比特币区块链的安全性。

在保护用户交易隐私方面，虽然lightning network采用洋葱路由的原则进行交易支付，但由于lightning网络的网络规模较小，发送地址、接收地址、交易金额、路由信息等敏感交易信息，仍然可以通过大数据分析、机器学习等手段进行有效推断。为了解决隐私保护问题，lightning网络开发者需要考虑更广泛的系统技术手段，包括加密方法、可信硬件等。因此，雷电网络隐私保护方案必须与其固有的交易速度快、服务费用低的核心优势相适应，以保证其具有较高的实用性。

闪电网尚处于发展初期，技术创新始终落后于用户友好性。然而，用户友好性是lightning网络走向公众的关键环节。将技术细节隐藏在软件包下，为用户提供最直接、最清晰的交互方式变得越来越重要。

2） 创建开放社区，丰富应用生态

为了进一步推动未来闪电网的发展，其生态运营商需要打造一个更加开放、活跃的开发者社区，并与传统开源软件社区有效融合，形成更加活跃的研发开放群体，不断推进雷电网络标准化，实现跨越式发展。

另一方面，也需要从应用场景的角度进行拓展，积极探索在主流金融行业和企业中的实际应用。这一过程不仅可以扩大雷电网络的影响力，还可以利用现实业务场景的需求，不断明确雷电网络的技术发展方向，从而在整个技术生态中形成良性循环。

当然，lightning network的进一步发展也离不开与其他主流加密数字资产市场（如以太坊等）的开放互动，展现了lightning network在互操作性和跨链交易交换方面的优势，从而增强闪电网络在加密数字资产行业的生命力。

随着闪电网在技术研发和生态社区运营两个维度上的共同发展，未来区块世界将在商业应用方面拥有更强、更丰富的扩展解决方案。当然，区块链产业整体面临着走向主流场景的重大使命，包括如何解决社会、经济、民生等领域的落地问题。典的主流应用包括全球基础设施、电子政务、智能医疗、数字身份等。区块链产业要实现整体高速发展，需要技术、政策、法律等多个领域的合作。随着比特币等加密数字资产在社会经济活动中的普及，闪电网作为比特币技术的重要补充，有望成为个人金融业务和零售业的重要支付工具。

参考

[1] Lin J H，Primicerio K，Squartini T等。闪电网络：比特币经济中心化的第二条道路[J]。arXi预印本arXi:2002.02819,

[2] Mizrahi A，Zohar A.支付渠道网络中的拥塞攻击[J]。arXi预印本arXi:2002.065642020年。

[3] Béres，Fence，Istan Andras Seres，and Andras A.Benczúr.quot;A比特币闪电网络的加密经济流量分析。quot; arXi预印本arXi:1911.09432（2019年）。

[4] McCorry P、Bakshi S、Bento I等人。Pisa:国家渠道仲裁外包[C]//首届ACM金融技术进步大会论文集。2019年：16-30日。

[5] Aarikioti G，Laufenberg F，Sliwinski J等。走向安全高效的支付渠道[J]。arXi预印本arXi:1811.127402018年。

[6] Aarikioti G，Litos O S T，Wattenhofer R.Cerberus channels:激励比特币的望塔[J]。金融加密与数据安全（FC），2020年。

[7] Lightning labs团队将望塔集成到Lightning网络中：https://github.com/lightningnetwork/lnd/releases/tag/0.7.0-beta-rc3

[8] Bitmex完全采用了望塔功能：https://blog.bitmex.com/zhcn-lightning-network-part-4-全部采用望塔/

[9] 循环：https://github.com/lightninglabs/loop

[10] 红移：https://ion.radar.tech/redshift

[11] Olaoluwa O.AMP:闪电上的原子多路径支付。https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/lightning-de/2018-二月/000993.html

[12] Lightning labs集成Lightning multipath支付团队：

https://github.com/lightningnetwork/lnd/pull/3967

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