闪电网络并不完美，比特币老大哥地位不保？显然不会！
白话区块链
从入门到精通，看我就够了！
导读：闪电网络（Lightning Network）是解决比特币主链转账速度慢、成本高等问题的链下交易网络，是主链扩容、跨链交换最有前景的技术方案。由于设计复杂，闪电网络的原理较难理解，同时也存在一些实用方面的问题，本文通过生活化的案例从设计层面上解释了闪电网络的原理，同时对闪电网络现存的问题进行了分析并提出了解决建议。
一、两块pizza的故事
2010年5月22日是值得纪念的一天，程序员小哥Laszlo在这天用10000枚比特币买了两块pizza，并在bitcointalk论坛上炫耀。对就是下面这俩：
PIZZA/BTC=10000
后来的事大家都知道了，比特币价值一路狂飙，这两块pizza的「身价」也不断上升，国外有好事者专门开了个Twitter来记录它们每天的价值。目前这对pizza大概值6亿人民币，每块3亿，咬一大口差不多一千万吧。
大家先替小哥默哀3秒——好了，我们都知道比特币所有转账记录都能查到，所谓可追溯，对比时间和金额之后基本可以锁定这笔伟(tong)大(xin)交易就是下面这条：
除了喜闻乐见的交易金额之外，还有一个数据抓住了我的眼球：手续费是0.99BTC。这也太——便宜了！
啥？6万多的手续费还便宜？看来知县大人没少捞啊！
这这…本官可是清…清官，多说无益，咱们上数据：
彼时彼刻，10000个比特币价值40美金左右，手续费0.99BTC值约0.4美分；
此时此刻，全网推荐手续费是0.0001125BTC（下图），约为1.125美金，也就是112.5美分。
推荐的比特币转账手续费（20180425上午10点）
1125 : 4，现在是以前的几百倍，当年是不是很便宜？17年底比特币转账太贵逼走很多人后，手续费已经大幅回落了。回落之前呢？有段时间平均手续费超过了30美金，比买pizza时涨了将近万倍。
你说当年便宜不便宜？你说知县大人是不是清官？
好好好你是清官，不过就算按照现在来算，一笔交易手续费要7块多钱，我买个煎饼才5块，抢劫啊？
对，用比特币进行小额支付就是贵，而且服务还不好。根据设定，每秒钟比特币全网只能处理大约7笔交易，这速度基本是恒定的。矿工肯定先为手续费高的「土豪交易」进行确认，没那么土豪的交易很可能要等几十分钟甚至几小时才能到账。
那比特币是不是没救了呢？
当然不是。之所以这么贵、这么慢，根本原因是每笔交易需要全球所有比特币节点进行验证和记录，这样才能保证交易的一致性、可追溯和不可篡改，这对大额交易是非常重要的，转几百万的大佬也不在乎多几十块手续费和等上个把小时。
买个煎饼而已，能不能降低点要求，比如不求追溯，也不用大家都知道，然后便宜点？
可以啊，那就不要麻烦矿工大佬了，来笔「链下(off-chain)交易」就成，既快又便宜，还能保证跟链上差不多的安全性。
还有这种操作？？
二、闪电网络
闪电网络就是这种链下交易「骚操作」，也是目前主链扩容最有前景的方案。
闪电网络是基于BOLT（Basic of Lightning）协议实现的链下交易网络，主要由RSMC（Revocable Sequence Maturity Contract）和HTLC（Hashed TimeLock Contract）两个智能合约组成，翻译过来分别是「序列到期可撤销合约」和「哈希时间锁定合约」…
这些概念，聪慧如知县也记不住这些全称，但是我能记住缩写，因为更加聪慧的知县夫人给它们起了昵称——「肉丝冒菜（RSMC）」和「火腿腊肠（HTLC）」。这吃…哦不智商，我反正是跪了。
这两个合约设计得非常精巧：资金通道用坚实的密码学技术进行限定，资金流向又用精巧的博弈论策略进行引导，跟比特币一样都是跨学科设计的典范。BOLT协议细节很多，实现复杂，秉着说人话的原则，咱们简单描述一下它们的工作原理就好。
1、肉丝冒菜（RSMC）
肉丝冒菜（ RSMC）有点像两个人记私账，而且谁也不敢作恶，否则血本无归。
举个例子。张三和李四相约去澳门的一家游乐设施里打牌，设施规定：
「现金不能进场，要在柜台托管，转账提现每次手续费100块，而且必须跑回柜台按手印确认」。
俩人傻眼了，每人也就带了5000块，多打几局还不够交手续费的？每局都跑回来，这一下午也打不了几局啊…柜台妹子看这俩人玩的小，给了另一个方案：
「两人花100块开一个共同账户，按照张三:5000/李四:5000放钱进去，并得到一沓票据。每张票据记录一次资金划分，比如张三:6000/李四:4000，两人都按手印，票据就生效了。任意一人拿生效的票据去柜台交100块，就能按票据比例自动打钱到各自的账户。另外，每张票据都有递增的编号，用完了可以免费加。」
这么一来，就算一下午打了100局，额外费用也就200块，还省了每局跑去柜台划账的时间，有这好事儿？张三马上就要掏钱，却被李四拦住了：
「等下，假设我先输了3000，记了张三:8000/李四:2000的票据，后来我追平还赢了3000，又记了张三:2000/李四:8000的票据，但这小子趁我上厕所拿前一张票据提现，我不亏惨了？」
柜台妹子白了一眼：
「你当我们傻啊，你俩一起来提现，钱当然马上就打给你们；但是如果只有张三来，我会先把你的钱打了，他的钱扣一个小时。你收到短信发现到账只有2000，就拿最新的那张有效票据给我，如果这张比张三的编号大，我就认定张三作恶，剩下的8000都打给你，张三净身出场」
这下没问题了，于是俩人愉快地交钱。
以上就是肉丝冒菜（RSMC）的基本原理，实现了任意两人链下交易（票据记录金额划分），链上确认（领票据&提现），通过数字签名（按手印）和时间戳（票据编号），以及「先提现后到账」和「作恶罚没」等规则设计，让链下交易做到了安全、快速、低成本。
其中，两人「开设共同账户」对应闪电网络里的「开通道」，「提现」则对应「关通道」，这两个操作实际上是在比特币主网提交了两笔特殊的交易，因此会产生手续费和等待时间，也就是去柜台交100块。承载所有规则的「柜台妹子」其实就是代码写就的智能合约，公开、透明、可执行。
2、火腿腊肠（HTLC）
火腿腊肠（HTLC）又是做什么的？上面提到开/关通道是要花钱的，10个人两两交易需要开C(10,2) = 45条通道，100人是4450条，1000人就是44万多条…呈平方级增长，这是非常恐怖的。
实际上，张三也不可能认全其他999人，比如小区门口新开张的煎饼摊摊主王五，跟张三不认识，但跟李四是小学同学。话说这天早上张三来买煎饼：
张三：俩果子俩鸡蛋不放香菜，能比特币付吗？
王五：好嘞一共7块，能啊，主链不值当，闪电呗？扫这个码就行。
张三：咱俩没通道啊，不还得去主链开？是不是想着我通道钱都花了，就会多买几次煎饼摊低成本？你这小算盘打得不错啊，啧啧…
王五：哈哈哈，机智如您，其实还有个办法，你不是跟李四有通道吗？我跟他也有。你付7块付给他，让他转给我，这不就省了咱们开通道了嘛？
张三：对啊，这么好的点子我咋没…等下，李四最近出国了，操作不了啊！
王五：好吧，要不你问问其他跟你开了通道的「闪电好友」，要是恰好有人也是我好友，或者是我好友的好友，不就能帮忙转钱了？
张三：行是行…但是麻烦啊，要层层传话，还要经过很多人，中间要是谁卷款跑路了咋办？
王五：7块还「款」…，那…那要不这样吧，我给你发个链接，点开后有个密码框，输入密码后会提示对错，现在密码只有我知道。你把链接转发给所有好友，承诺「谁能找到正确的密码，我就给谁7块钱」，他们都没密码啊，就也转发链接给他们的好友并承诺。这样层层转发下去，直到比如赵六转给了我，我给他密码，他验证后垫付给我7块钱，再拿密码找他上家要钱，层层要账，最后就找到你头上啦。
张三：emmm…也就是说，有密码就等于有收款权，有承诺所以敢层层代付，最后传到我这里，我把钱付了就结了！要是中间有人违反承诺，拿了密码不付钱咋办？
王五：哈哈，别说中间了，如果没有保障机制，你都可能不付钱啊。智能合约在这里就提供了必要的保障。这条款公开，而且能确保按条款执行。做出承诺也就是签订智能合约，这时候你要把你的7块等值比特币锁进去的，要不别人怎么敢帮你代付？所有传递承诺的人也都会签合约、锁7块，大家才敢玩。最后，这么多人帮你省了通道钱，你不表示表示？所以放7块1进去吧，多的1毛就给他们当辛苦费了，也都没太费劲。
于是，张三花了1毛手续费，吃上了热腾腾的煎饼。王五看到自己的想法变成了现实，幸甚至哉，免费给张三的煎饼里夹了火腿和腊肠以咏志，后世遂将王五设计的流程命名为「火腿腊肠（HTLC）」。
先把口水擦一擦，总结一下。火腿腊肠（HTLC）实现了没有直接通道的两个节点，通过与网络中其他节点间已有的通道完成链下交易的流程，也就是让一串用肉丝冒菜（RSMC）连接起来的节点作为交易传递的通路。全过程由智能合约保障，节点间无需信任就能代付，速度快、成本低、安全性高。
我去，闪电网络太厉害了，秒天秒地秒空气，以后我就是闪电教教徒！
哎，独秀同学你先坐下，闪电网络的理想确实很丰满，但真要用起来就…
三、现实很骨感
就像老梗「真空中的球形鸡」一样，理论都有前提条件，闪电网络也一样。我们来列一下闪电网络在实用中几处最「骨感」的地方，大家体会一下：
骨感之一：跑不起。目前在手机上跑闪电网络节点是不可能的，因为还得捎带一个公链的「全节点」。这是什么概念？比特币全节点100G左右，每10分钟更新1M~2M；以太坊即便fast模式的全节点也要100G，每15秒更新2M左右。一部手机不仅要拿几百G来存全节点，还得保证全天候联网实时更新，一旦断更就得把漏掉的数据都同步回来，同步不完不给用…
骨感之二：传不到。「路由」在闪电网络里指「确定张三到王五交易传递路径」的过程。目前的路由用的是dijkstra算法（知县一直叫它乱码算法），时间复杂度可以简单看做O(n2)。说人话，100万个节点的网络路由一次需要1万亿（英文表示是1 Trillion，也就是常说的1T）次计算，而且由单点完成。2.0GHz的CPU跑1T的计算量需要500秒…这还不算，跑完时数据已经过期快10分钟了，天知道路径还通不通？路径上的节点掉线了/关通道了/通道干涸了（后面会讲啥叫干涸）…咋办？现在的设计是——凉办，用最新的数据重新跑500秒…
骨感之三：中心化。摊主王五非常适合做一个「大节点」——因为大家经常跟他交易，所以他的「闪电好友」最多，新人跟他开通道是最优的，因为通过他很容易就能跟另一个人转账，这样比较省钱。极端情况下，当所有人都只跟王五建立通道的时候，就会形成一个大节点带一圈小节点的结构，这就是「中心化」结构。这时候效率非常高，因为任意两人转账至多需要一次中转，但又最危险：如果王五手机丢了/没流量了/昏迷了…那么大家都无法转账；王五还可能作恶…单点故障导致全网瘫痪、单点权力过大容许作恶，这些都是「中心化风险」。
骨感之四：被掏空。张三经常找王五买煎饼，干脆开了通道，放了100块钱。半个月后张三通道里就剩2块了，咋办？再往里充100？错！闪电网络通道一旦建立就无法追加金额，只能花钱关通道再花钱开新的。王五也一样，想把通道里的钱提出来进货，必须挨个关掉再开；通道里有98，能不能只提70呢？对不起，不支持，必须全提。通道：感觉总是被掏空…
这个问题出在资金流向上。理论上是资金有来有往的，通道很长时间都不用关，就像张三李四打牌各有输赢，打100局通道两边都还有钱；但实际应用里，高频场景是消费支付，资金总是从消费者流向商户的，付钱的一端就容易被「掏空」——虽然通道大小还是100，但是张三已经无法支付超过2块的金额了。那这个通道还能用吗？理论上能，王五可以向张三付钱啊，但这种情况非常少，所以事实上失去了使用价值，这就是「通道干涸」。这使得闪电网络通道经常是一次性的，很不经济。
还有…
大人，别说了，我刚刚建立起的闪电网络信仰已经闪电般崩塌了…你在这里不要动，我去买几个橘子压压惊…
呔，当本官不上B站？不过陈同学你不要灰心，闪电网络才刚刚起步，有问题是正常的，需要大家一起想办法来解决不是？通道不能追加金额，我们想办法让它能啊；通道没法部分提现，我们想办法让它有啊；什么轻节点、轻钱包、分布式快速路由、中心化抑制策略…有啥问题就解决啥问题才能不断进步不是？
你说的这些真的都能实现！？
你还是先坐下…当然能，而且马上就能踏出第一个脚印了！
四、协议层崛起
让我们重新审视一下闪电网络在区块链领域所处的位置。
首先，闪电网络没有区块链结构；
其次，闪电网络不依赖某个公链，不是Dapp。只要能实现BOLT协议，无论比特币、以太坊还是莱特币（LTC），都可以用上闪电网络；
第三，闪电网络支持代币原子互换（Atomic Swap），也就是「跨链（cross-chain）」操作，比如BTC和LTC就成功进行了原子互换。
不是链，也不是Dapp，纯粹依靠规则组成的协议（Protocol）完成链下（off-chain）交易、跨链（cross-chain）互换等操作，促进价值传递（Exchange of Value），欢迎来到协议层。
在主流公链齐(xiang)头(ai)并(xiang)进(sha)，各路「神」链雨后春笋的时候，人们开始关注链外的世界。懂的人心知肚明，区块链这种重量级、专用型技术架构，适用场景非常有限，怎么可能像「互联网+」一样，随便一个行业都能「区块链+」？这个行业的数据能可信地记录到链上？绝大多数目前做不到。
公链技术需要完善的地方还很多，比如拥堵问题，很多人寄希望于优化主链效率，但在区块链这种全部节点×全量存储的架构下，安全、效率、可用、一致这些指标不可能同时满足。比特币变成10M区块、10秒出块不就不堵了？确实，但这也导致对网络、存储的要求提高，能hold住的节点大幅减少，「去中心化」名存实亡，攻击也变得更加容易，影响了安全性——这是比特币最重要的特性。大红大紫的「次世代」公链EOS采用的DPOS共识机制，本质上也是牺牲了去中心化程度来提升处理速度，只能说各取所需。
协议层则是换个角度处理问题：把主链不适合做的事情放到链下，用技术+博弈设计来满足特定场景的需求。
还拿拥堵问题来说，金额大、手续费高的「土豪交易」是感受不到拥堵的，增量迅速的小微支付才是拥堵的制造者和受害者。买个煎饼7块，手续费10块，肯定不行；手续费1毛，第二天到账，那也不行啊！这种「既要矿工跑，又要矿工不吃草」的需求肯定无法满足，把它们挪到链下才是治本之道，这也是协议层解决问题的方向。
区块链能给人类生产关系带来巨大的变革，比特币作为完全自组织的系统成功运行了9年，承载了几千亿美金的价值，足以给我们坚持下去的信心。这个过程中，协议层必将会发挥重要的作用，希望更多人能够关注、加入协议层的建设，一起打造更加高效稳定的区块链世界。
作者介绍：知县，北大计算机本硕，LITEX Lab 核心成员。LITEX Lab 将于近期发布对BOLT协议的重要改进，并将持续输出多个协议层贡献，包括分布式快速路由、轻节点、生态型网络结构，以及DST轻量框架等。相关信息可以关注官网 litex.io 以及微信公众号LITEX_OFFICIAL。
拓展阅读：闪电网络会毁了比特币，骚年你信不？
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