简介
最近，闪电网络的火炬传递活动，让闪电网络一下子从理论阶段，跃升成实践。作者年前在同事的分享中，学习了闪电网络的原理，感觉设计确实很巧妙，一旦大规模应用，能让btc实现秒级支付，真正让btc的世界货币梦想come true。本文，会介绍闪电网络的设计原理，主要涉及多重签名地址、 RSMC、HTLC几大概念。
基本原理
假如Bob和Alice经常有业务来往，结算方式是btc。但是，btc的区块打包时间要10min，一般需要确认6块后，认为交易不可回滚。也就是他们每次交易需要等至少1h，才能确认交易是否成功。对于实时性要求很高、交易频率很高的场景，显然1h太长了。这时，就有人提出，能不能单独为Bob和Alice建立一个通道，他们之间的频繁交易先记账不上链，等想结束业务时再结算上链？闪电网络就是在这个大背景下横空出世的。
闪电网络的架构图，大致如下：
就拿Bob和Alice之间的交易步骤来说：
1. 首先，需要构建Bob和Alice之间的双向交易通道
2. 其次，需要解决Bob和Alice在通道中交易面临的信任问题
3. 若再来个第三方，比如Jack，如何实现三人之间的交易
接下来，我会根据构建步骤，来详细述说闪电网络的架构和原理。
构建双向交易通道
构建双向通道，通俗点讲，就是Bob和Alice各出一些btc，比如5btc，将其存入他们两人控制的2-2多重签名地址。但是，Alice和Bob是不相互信任的。Bob怕自己转btc之后，Alice不转btc也不提供私钥帮助Bob解锁币，使得资金陷入死循环。那么，我们需要在不相互信任的前提下，构建双向交易通道。其构建方法如下：
1. Alice使用公钥A1，Bob使用公钥B1，生成两个2-2多重签名地址：A1B1、B1A1
2. Alice构造一笔交易，转账给B1A1地址5btc，这笔交易没签名也没广播
3. Alice再构造一笔交易1，发起地址是B1A1，目的地址是比特币地址A1。这笔交易如果被广播，需要经过1000个块才能被打包
4. Alice将交易1单独发给Bob，请Bob对交易签名。Bob发现这笔交易只是Alice将自己的币转回给自己，对Bob没影响，Bob会签名并将交易1发回给Alice
5. Alice收到Bob签名后的交易1，对用B1公钥签名的交易使用A1签名测试，测试成功
6. Alice此时，可以放心将第2步的交易广播，即便Bob不合作，Alice也能拿回自己的币。这一步完成后，B1A1地址收到Alice充值的5btc
7. Bob也用相同的操作，往B1A1地址充值5btc，且保留有A1签名的交易2，随时可以赎回自己的币
8. 虽然B1A1地址收到了各自的钱，但是Bob和Alice手上还有交易1和交易2，随时会有毁约的风险。因此，最后一步需要Bob和Ailce共同发起一笔交易，将B1A1地址里的10btc，转移至A1B1地址里，至此完成了闪电网络双向通道的构建
点对点交易
接上一步，Bob和Alice建立了双向交易通道，接下来就可以交易了。但是，Bob和Ailce依旧要面临信任的问题。接下来介绍的RSMC技术，就是为了解决点对点交易时的信任问题。
RSMC
RSMC（Recoverable Sequence Maturity Contract），定义了闪电网络交易时的基本工作方式。它提供了一种无须信任的方法，能够准确的记录通道内Bob和Alice的资产分配情况。例如，初始时Bob和Alice各有5btc；经过一次交易，通道内资产分配变更为Alice: 3btc、Bob: 7btc；再经过一次交易，通道内资产分配变更为Alice: 4btc、Bob: 6btc。RSMC技术能够做到以下两点：
1. Alice和Bob之间交易时，能在双方互相不信任、交易不广播的情况下准确记录资产分配
2. Alice和Bob每进行一次新交易，旧交易能被废除，以最新交易为准来进行资产分配
下面，我会详细介绍RSMC实现的技术细节。
沿用上面的结果，多签地址A1B1拥有10个btc，Bob和Alice各占一半资产，作为交易的启动资金池。在后面的交易过程中，会使用很多btc地址，其中，Alice拥有A1、A2、A3...，Bob拥有B1、B2、B3...同时，也会使用很多多重签名地址，比如B2A1、A1B2...
下面，将详细介绍Bob与Alice的交易步骤，第一次交易资产分配变更为Alice: 3btc、Bob: 7btc：
1. Alice构造交易1，发起地址是A1B1，目的地址有两个：A1B2地址得到7btc，A1地址得到3btc
2. Alice构造交易2，发起地址是A1B2，目的地址是B1得到7btc。但是，这笔交易广播出去，需要1000个块之后才能被打包
3. Alice使用A1私钥对交易1和交易2签名，并不广播，私下发给Bob
4. Bob收到交易1和交易2，用自己的私钥B1、B2校验交易的有效性
5. Bob同样像Alice一样，构造交易3，发起地址是A1B1，目的地址有两个：B1A2地址得到3btc，B1地址得到7btc
6. Bob构造交易4，发起地址是B1A2，目的地址是A1得到3btc。但是，这笔交易广播出去，需要1000个块之后才能被打包
7. Bob使用B1私钥对交易3和交易4签名，并不广播，私下发给Alice
8. Alice收到交易3和交易4，用自己的私钥A1、A2校验交易的有效性
下面，来解释下，为什么Alice和Bob构造这四笔交易之后，就能使得在相互不信任的情况下，依旧能顺利的进行交易。
首选，Alice构建了交易1、2，交易1使得Alice立马就能获得3btc；交易2即便签名，Bob也需要等待1000个块打包后，才能拿到属于自己的7btc。在这期间，Bob如果有任何违约行为，Alice也有足够时间采取措施。因此，Alice构造的两笔交易明显偏向自己，但是需要Bob的签名，交易生效的权力在Bob。Bob同时也构造两笔这样偏向自己的交易，控制权同样在Ailce手上。第一次交易，就在这种互相制约的情况下，完成了资产的重新分配。
假如Alice和Bob继续进行交易往来，资产分配情况又变成了Alice: 4btc、Bob: 6btc。同样，他们会依照上面的步骤，再构造四笔交易。关键一点，为了废除旧交易，Alice和Bob需要交换A2、B2地址的私钥。接下来，我们来看看这么做的好处。
假如，Bob觉得之前能得到7btc，现在只剩下6btc了，他想违约广播旧的交易。那么，这种机制下违约会有什么后果呢？Bob将损失全部的btc！！！首先，Bob只能广播交易1，Alice瞬间得到3btc；接下来，Bob广播交易2，等待1000块后才能得到7btc。但由于Alice拥有A1和B2的私钥，她马上可以动用A1B2地址里的7btc，在交易2生效之前，立即转账给自己。这种骚操作使得Alice将获得全部的10个btc，Bob将分文不剩。因此，在这种巧妙的设计下，闪电网络能做到在不相互信任、交易不上链的情况下，依然可以顺利的完成快速交易。
Alice和Bob如果想结束闪电通道怎么办？和平的情况下，各自为对方签名最新交易，广播出去立即得到币。当一方想强制结束通道时，只需要签名有利于对方的两笔交易，对方立即得到币，而强制结束的一方需要等待1000个块后，才能获得自己的币，这也就是强制结束的惩罚。
闪电网络交易
上面说的都是Alice和Bob之间的点对点交易细节，倘若Jack也想加入他们的交易，那Jack和他们也需要建立通道吗？如果人人都建立点对点通道，成本是非常高昂的。闪电网络会通过整个点对点网络，寻找最短路径，通过路由节点完成交易。比如Jack只和Bob建立了点对点通道，而希望和Ailce进行交易，那么就需要Bob充当路由节点辅助交易的进行，而实现这个功能的技术就是HTLC。
HTLC
HTLC（Hashed Timelock Contract）允许Alice和Bob之间达成协议，协议将锁定Alice1btc，在时刻T到来之前，如果Bob能向Alice提供一个答案A，使得A的哈希等于实现约定的值H(A)，Bob就能获得这1btc；如果超时后，Bob未能提供答案，则这笔钱自动归还给Alice。
我们举个例子来看HTLC如何用于闪电网络的交易的。首先，Jack希望转账1btc给Alice，然而和Alice并没有建立通道，需要通过Bob路由。可行的操作：Jack转账1btc给Bob，Bob再转1btc给Alice。但是，如何防止Bob收到钱作恶呢？除去点对点转账交易时候，依赖RSMC技术的约束，我们还需要通过HTLC技术对三方的行为进行约束，具体步骤如下：
1. Alice生成答案A，将Hash(A)发给Jack
2. Bob和Jack约定交易1，在T1时间之前，提供给Jack答案A，Jack会转账1btc给Bob
3. Bob和Alice约定交易2，在T2时间之前，提供给Bob答案A，Bob会转账1btc给Alice
4. 执行交易2，Bob支付Alice1btc，得到答案A
5. 执行交易1，Bob提供答案A给Jack，得到1btc
至此，Bob作为中间人，帮助Jack和Ailce完成转账。注意，T1时间要大于T2时间，这样Bob在拿到答案A后，才有充裕时间从Jack那里拿回币。
后记
本文介绍了闪电网络的基本原理，及其相关的核心技术，读完本文，应该能对闪电网络的架构有大体的了解。由于，闪电网络是基于比特币隔离验证技术的实现，后面将会为大家介绍隔离验证的原理，以及隔离验证解决的实际问题，尽请期待。
参考文献
白皮书：https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
解释多重签名：https://blog.csdn.net/lianquan_cn/article/details/81634897
详细解释rsmc：https://blog.csdn.net/lianquan_cn/article/details/81736392
大体解释闪电网络框架：https://www.jinse.com/bitcoin/317833.html
大体解释htlc和rsmc：https://www.8btc.com/article/92887
