如何在 CKB 上实现闪电网络（一）

本文作者： yaning-u2

闪电网络主要解决了比特币的可扩展性问题，闪电网络可以分为两部分：双向支付通道和通道间支付，本文主要介绍如何在 CKB 上实现双向支付通道。

双向通道的主要分为以下几个流程：通道建立、余额更新、通道关闭。

其中交易包括以下几种：

Funding Transaction，用于通道建立。
Commit Transaction，用于更新余额。
Exercise Settlement Transaction，用于关闭交易通道。

通道建立

通道建立是通过在链上广播 Funding Transaction 完成，Funding Transaction 是一个 2-2 的签名交易，为了方便我们将参与双方命名为 Alice 和 Bob。通道建立的步骤如下：

新建 Funding Transaction
新建 Commit Transaction
各自对 Commit Transaction 签名
交换 Commit Transaction 签名
各自对 Funding Transaction 签名
交换 Funding Transaction 签名
到链上广播 Funding Transaction

这里为什么要首先构造出 Commit Transaction 呢？因为如果 Alice 和 Bob 都对 Funding Transaction 签名后，任何一方都可以将交易广播到链上，但是花费 Funding Transaction 的 Output 需要双方的签名，如果任何一方不合作则会导致资金永远锁在 Funding Transaction 中，所以这里首先先构造出可以消费 Funding Transaction 的 First commitment Transaction 再对 Funding Transaction 签名，这样任何一方都可以从Funding Transaction中取出自己的资金，而不需要对手方去进行配合。

举例，Alice 提供一个 300 ckb 的 Input，Bob 提供一个 300 ckb 的 Input，然后 Output 为600 ckb，锁定脚本为 2-2 的多签脚本，需要 Alice 和 Bob 的签名才能花费 Output。

（闪电网络白皮书中的一张图，将就看）

由于 Funding Transaction 的 Output 是一个 2-2 的多签脚本锁定，所以我们可以先部署一个 2-2 的多签合约。

合约代码如下：

https://github.com/u2/lightni...

我们可以看到 CKB 是可以用 C 语言写合约的。在部署 Funding Transaction 之前，我们可以先部署 2-2 的锁定脚本，这样 Funding Transaction 直接引用 2-2 多签合约即可。这样如果在 CKB 中有很多双向支付通道，可以共享一个多签脚本，而不必每个支付通道单独在合约中包含多签合约，减少合约的交易手续费，降低 CKB 的存储空间的占用。

闪电网络实现的一个前提是，必须要解决交易延展性问题，否则交易的Hash是不确定的，可能导致 Funding Transaction 的资金无法解锁。比如 Alice 和 Bob 构造完成 First commitment Transaction（1a, 1b）并广播 Signed Funding Transaction，但是这个时候矿工修改了 Signed Funding Transaction 中 Input 的签名脚本，Funding Transaction 最终上链，但是交易 Hash和原来不一致。由于 First commitment Transaction 通过交易 Hash 来引用 Funding Transaction，此时找不到合法的 Funding Transaction，First commitment Transaction 将无法被消费，如果 Alice 或者 Bob 其中的任何一方采取不合作的方式，另一方将无法取出自己的资金。

比特币通过实现隔离见证解决了交易延展性问题，CKB 也实现了自己的隔离见证。在 CKB 中，用户只需要选择将签名等解锁参数放入交易中的witnesses中即可：

https://github.com/nervosnetw...

由于交易hash不包括用户解锁参数，

https://github.com/nervosnetw...

这样就可以是交易hash只包含Inputs和Outputs等交易处理的相关信息而不包含解锁脚本，解决交易延展性问题。

更新余额

Funding Transaction 被广播到链上之后，双向支付通道就成功建立了，后续 Alice 和 Bob 就可以构造离线的 Commitment Transaction 来更新双方的金额了。闪电网络的每一笔 Commitment Transaction 交易都是建立在 Funding Transaction 之上的。

在构造 Commitment Transaction 时，需要解决以下两个问题：

追责问题。因为每笔 Commitment Transaction 都是合法的，而且都是建立在 Funding Transaction 之上。Alice 和 Bob 都各有一份不同 commitment transaction，如果其中任何一方将历史 commitment transaction 发送到链上，可以对其进行罚没。
罚没机制。如果任何一方不遵循双向通道的机制，将历史交易发送到链上，则需要能将其资金进行罚没。

追责问题。解决追责问题，需要Alice和Bob构造两个不同的交易，我们可以将这两个交易分别命名为 2a，2b。假设最新的余额为 Alice 400，Bob 200，commitment transaction 具体的流程如下：

对于 Alice，其创建新的 Commitment Transaction 结构为，Output-0 为 400，花费条件为 Alice 需要在 10 个高度可以花费或者拥有 Alice2（Alice2 的新私钥）+ Bob 的签名可以立即花费。Output-1为 200，需要 Bob 的签名可以立刻花费。
双方交换签名。

通过这种机制，可以构造一种交易，Alice 如果广播其交易 a1 交易，则 Alice 可以在 10 个高度之后花费 Output-0，Bob 可以立刻花费其 Output-1。

在介绍罚没机制之前，我们先介绍下比特币中的时间锁机制。在比特币中使用 nLocktime 来对交易进行时间限制，使交易必须在某个绝对高度或者时间之后才可以被记录到链上，CHECKLOCKTIMEVERIFY 指令可以配合 nLockTime 一起使用。交易 Inputs 中的 nSequence 可以用来对相对时间进行限制，是某个 Input 必须在 Output 上链一定时间后，其所在交易才可以被打包，CHECKSEQUENCEVERIFY 可以配合 nSequence 来使用。

在 CKB 中使用 Transaction Valid Since 机制，即可以表示相对时间或者区块，也可以表示绝对值，所以可以起到 Bitcoin 中的 nSequence 和 nLocktime 作用，设计上更简洁。由于 CKB VM 可以通过 syscall 获取到交易 Input 中的 since 值：

https://github.com/nervosnetw...

所以可以在不增加任何指令的情况下实现相对时间锁的作用。

例如代码

https://github.com/u2/lightni...

表示取出 Input 中的 since，并判断其是否是使用相对块高度，且必须在相对块高度大于 10 是才验证通过。这里保证了交易 Input 在当前条件下，只有在 10 个高度以后，才能被消费。

我们现在回到罚没机制上来，在上面的基础上，又加入了 Breach Remedy Transaction 机制，用来防止 Alice 或者 Bob 发送历史交易到链上。这样从建立通道到更新余额的完整流程为：

Alice & Bob 构造完成各自的First commitment Transaction（1a，1b），结构如上所示
广播 Funding Transaction 到链上。
Alice & Bob 更新余额，构造各自新的 commitment transaction （2a, 2b)，并交换签名
Alice & Bob 分别向对方揭示 Alice2，Bob2 私钥（上一个 commitment transaction 中所用解锁output的私钥）。

在这种情况下，因为 Alice 拥有 Bob 的 Bob2 私钥，而 Bob 拥有 Alice 的 Alice2 私钥。如果 Alice 广播历史交易 a1，其交易 Output-0 可以被 Alice2 + Bob 的签名理解花费，或者可以被 Alice 在 10 个高度后消费。在这种情况下，因为 Bob 已经拥有 Alice2 的私钥，所以 Alice 没有动机去广播历史交易 a1。同理对于 Bob 也适用。我们称这种 commitment transaction 为可以撤销的 commitment transaction（Revocable commitment transaction）。其 commitment transaction 的锁定脚本可以称为 revocable maturity script，代码：https://github.com/u2/lightni...

Alice 和 Bob 每次更新余额，都会构造一个新的可以撤销的 commitment transaction，并向对方揭示自己上一个 commitment transaction 的 output-0 的私钥，这样自己的历史 commitment transaction 不需要保存，只需要保存对方揭示的私钥即可。双方都有检测链上对方是否有广播历史交易，如果对方有广播历史交易，可以使用自己的私钥和对方揭示的私钥构造 Breach Remedy Transaction 立即花费对方的 Output，这样可以将罚没对方的资金。

（闪电网络白皮书中的图，可以将就看）

关闭通道

Alice 和 Bob 可以选择合作构造 Exercise Settlement Transaction（ES transaction）来选择关闭通道。ES transaction 是没有任何时间锁的交易，这样 Alice 和 Bob 可以选择直接广播交易来花费 Funding transaciton。

总结

在作者第一次实现的时候，和以上方案略有不同，并没有 revocable maturity 脚本，而是在构造每个 commitment transaction 时，双方各自事先构造好其上一个交易的 Breach Remedy Transaction 并互相交换签名。这种情况下，Alice 和 Bob 不需要生成很多私钥，但是缺点是 Alice 和 Bob 需要保留历史的 Breach Remedy Transaction，因为交易比私钥更占空间，相对而言这种方案并不够合理。

在 CKB 中，实现了隔离见证以及灵活的时间锁机制，且用户可以通过提前部署闪电网络的相关合约，用更低成本来建立双向支付通道。对实现细节感兴趣的读者可以阅读下面项目中的代码。另外 CKB 中可以通过定义 Type Script 而实现 User defined Token 的闪电网络，这里不再赘述。

项目地址：https://github.com/u2/lightning

如何在 CKB 上实现闪电网络（一）

通道建立

更新余额

关闭通道

总结

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