Layer2的起源 - 状态通道和闪电网络

Layer2的起源 - 状态通道和闪电网络

对于比特币的支付能力，Visa和Master一向是看不起的。成熟的清算组织和支付机构TPS(transaction per second)达到10万笔的级别，而比特币需要1小时确认交易。区块链作为一种去中心化的分布式数据库技术，性能瓶颈解决的关键，是如何在高效和安全之间取得平衡。在区块链=去中心化?中谈过区块链的不可能三角，去中心化、性能和安全，三者只能取其二。

而成人的世界是既要又要，于是诞生了Layer 2（后面简称L2）技术。所谓Layer 1（后面简称L1）是指比特币、以太坊等确认共识的公链，用于最后的清算，满足去中心化+安全的需求。而L2是致力于提供高性能，在L1之外建立额外的信息传输通道，完成快速信息交互后再上传到L1做最终结算。

这么描述比较抽象，用现实类比的话，L1相当于公证处。L2就是咖啡厅。当事人在咖啡厅完成各种协商，最终把达成的条件呈交公证处确认。至于条件达成背后的诸多细节，公证人并不关心。可以这么说，L2的重心是信息的交互，L1的重心是信任的交互。

State channel状态通道

L2技术迭代不停，当前最流行和热门的是以太坊上的rollup技术。不过，我们还是从第一个成熟的L2技术-状态通道-说起。

状态通道(state channel)可以顾名思义地理解为不断更新状态的通道。比如Alice经常在1024网站看视频，用BTC支付费用。不管是她和1024运营方，都觉得每次交易要6个区块的确认太长了，于是决定建立链下的状态通道，在视频真正看完前产生的费用，彼此间做线下结算。

状态通道技术由第三方组织提供，Alice和1024一起在本地运行第三方状态通道软件。首先Alice会发送特定金额的比特币到链上作为初始保证金，比如1BTC，且这是需要Alice和1024共同签名的多签交易，以确保双方在线。之后的交易都会在1BTC的初始保证金内进行。

假设1024视频收费为0.001BTC/min，自Alice开始播放视频开始，每看1分钟视频，Alice和1024都会签名支付一笔金额0.001BTC的交易。如下图所示。如此往复，知道Alice停止播放为止。最后一笔交易称为结算交易，会广播到链上最终确认。

自始至终，只有开始的承诺交易和最后的结算交易才会需要链上确认，中间发生的任何事情都在状态通道中线下交互，效率大幅提升。

这里涉及的一个典型安全问题是，Alice可以把更早的交易作为结算交易广播到链上，比如在看了30分钟视频后，Alice把1min时的0.999 BTC to Alice,0.001 to 1024广播到链上，从而花费0.001便收看了30分钟视频。

有不同的技术处理类似的场景以解决信任问题，这在谈rollup时细讲。此时只需知道，状态通道中使用的技术，需要1024随时监控链上情况（这是一个小缺点），若Alice出现上述作弊行为，1024有办法拿回全款并惩罚Alice。

Lightning network闪电网络

状态通道是双方基于一定信任度建立的，且需要锁定一笔钱作为承诺交易，因此建立通道的成本高昂。为了利用已有的状态通道，避免频繁建立通道的低效，闪电网络成立了。

假设老王要给小红打钱，他们并未建立状态通道，但是通过闪电网络内的路由规则，发现可以用这个线路中转交易：老王 > Alice > Bob > Carol > 小红，因为他们两两间都建立有状态通道。

为了防止中间节点比如Bob截断资金盗窃，小红会用随机数生成一个密钥R，用哈希加密后发送H（H=hash(R)）给老王。接着，从老王到Carol，大家依次用一个技术给下一人支付款项，这个技术叫hash time lock contracts（HTLC，哈希时间锁合约）。

HTLC是一个简单的合约，它的伪代码如下：

If 
   # 如果持有R
   验证 Hash(R)是否等于 H
Else
   # 若一直没有R来验证
   在指定时间后回退金额给支付方

你想到老王和小红怎么使用HTLC了吗？

假设老王要给小红转1个BTC，老王收到小红发送的H以后，就开始发送1.003BTC给Alice，其中0.003BTC是给中间每个转接方的小费。Alice收到老王的1.003BTC的HTLC后，就给Bob发送1.002BTC的HTLC，最终Carol给小红发送1BTC的HTLC。

因为小红持有密钥R，那么她就会发送R给Carol，并在HTLC的第一个IF条件句中验证通过，从而直接获得1BTC，完成收款。Carol拿到小红的R以后发送给Bob，通过HTLC验证获得1.001BTC，由此往前，最终老王发出的1.003BTC被Alice获取，整个支付完成。

中间还有更多细节就不深入展开，比如如何确定路由线路，怎么保证节点和资金的隐私，闪电网络的运营方安全性如何等。这些都是需要长期优化和解决的问题。

1ML有个看板展示闪电网络的实时数据，可以看到社区还是非常活跃的。

区块链的演化

L1和L2的演化和互联网协议的发展类似。正如网络世界有TCP,IP,HTTP,WIFI等各司其职的多层协议，区块链也有L1和L2以解决不同问题，还有L0和桥等技术解决协议之间的通信问题。

从大家着眼于协议也可见，区块链还处于很早期的阶段，只有当协议和基础设施完善后，才能大规模地出现应用层创新，正如当下热闹的互联网。