精通閃電網路

像比特幣和閃電網路這樣的密碼學系統是允許您與不信任的人（和電腦）進行交易的系統。這通常被稱為「無需信任」的操作，儘管它實際上並非完全無需信任。您必須信任您運行的軟體，並且您必須信任該軟體實作的協議將產生公平的結果。

這種密碼學系統與傳統金融系統的最大區別在於，在傳統金融中，您有一個「受信任的第三方」，例如銀行，來確保結果公平。這種系統的一個重大問題是它們將太多權力交給了第三方，而且它們也容易受到「單點故障」的影響。如果受信任的第三方本身違背信任或試圖欺騙，信任的基礎就會崩潰。

當您研究密碼學系統時，您會注意到一個特定的模式：這些系統不是依賴受信任的第三方，而是試圖透過使用激勵和懲罰系統來防止不公平的結果。在密碼學系統中，您將信任放在「協議」中，協議實際上是一個具有一組規則的系統，如果設計得當，將正確應用所需的激勵和懲罰。這種方法的優勢是雙重的：您不僅避免了信任第三方，還減少了執行公平結果的需要。只要參與者遵循約定的協議並留在系統內，該協議中的激勵機制就能在不需要強制執行的情況下實現公平結果。

使用激勵和懲罰來實現公平結果是數學一個分支——「賽局理論」的一個方面，它研究「理性決策者之間戰略互動的模型」。^[1]像比特幣和閃電網路這樣控制參與者之間金融互動的密碼學系統，嚴重依賴賽局理論來防止參與者欺騙，並讓不信任彼此的參與者實現公平結果。

雖然賽局理論及其在密碼學系統中的使用起初可能看起來令人困惑和陌生，但您很可能在日常生活中已經熟悉這些系統；只是您還沒有認出它們。在下一節中，我們將使用一個童年的簡單例子來幫助我們識別基本模式。一旦您理解了基本模式，您將在區塊鏈領域到處看到它，並會快速直觀地認出它。

在本書中，我們稱這種模式為「公平協議」，定義為使用激勵和/或懲罰系統來確保不信任彼此的參與者獲得公平結果的過程。公平協議的強制執行僅在確保參與者無法逃避激勵或懲罰時才是必要的。

讓我們看一個您可能已經熟悉的公平協議例子。

想像一個家庭午餐，有一位家長和兩個孩子。孩子們是挑食者，他們唯一同意吃的東西是炸薯條。家長準備了一碗炸薯條（根據您使用的英語方言，稱為「french fries」或「chips」）。兩個兄弟姐妹必須分享這盤薯條。家長必須確保薯條公平分配給每個孩子；否則，家長將不得不聽不斷的抱怨（可能整天），而且總是有可能不公平的情況升級為暴力。家長該怎麼辦？

在兩個不信任彼此且有競爭性利益的兄弟姐妹之間的這種戰略互動中，有幾種不同的方法可以實現公平。天真但常用的方法是讓家長使用他們作為受信任第三方的權威：他們將薯條分成兩份。這類似於傳統金融，銀行、會計師或律師作為受信任的第三方來防止雙方之間的欺騙。

這種情況的問題是它將大量權力和責任交給了受信任的第三方。在這個例子中，家長完全負責薯條的平等分配，而各方只是等待、觀看和抱怨。孩子們指責家長偏心，沒有公平分配薯條。兄弟姐妹為薯條爭吵，大喊「那塊薯條更大！」並把家長拖入他們的爭吵。聽起來很糟糕，不是嗎？家長應該更大聲地喊？把所有薯條都拿走？威脅再也不做薯條，讓那些不知感恩的孩子挨餓？

存在一個更好的解決方案：教兄弟姐妹玩一個叫做「分割與選擇」的遊戲。每頓午餐，一個兄弟姐妹把薯條分成兩份，另一個兄弟姐妹選擇他們想要哪一份。幾乎立即，兄弟姐妹們就弄清楚了這個遊戲的動態。如果分割的那個人犯了錯誤或試圖欺騙，另一個兄弟姐妹可以通過選擇較大的那碗來「懲罰」他們。讓兩個兄弟姐妹，尤其是分割薯條的那個人，公平地進行遊戲符合他們的最佳利益。在這種情況下，只有欺騙者會輸。家長甚至不必使用他們的權威或強制執行公平。家長所要做的就是「執行協議」；只要兄弟姐妹無法逃脫他們被分配的「分割者」和「選擇者」角色，協議本身就能確保公平結果，而無需任何干預。家長不能偏心或扭曲結果。

為了讓像這樣的公平協議運作，需要有某些保證，或稱為「安全原語」，可以組合起來確保強制執行。第一個安全原語是「嚴格的時間排序/順序」：「分割」動作必須在「選擇」動作之前發生。這不是立即顯而易見的，但除非您能保證動作 A 在動作 B 之前發生，否則協議就會崩潰。第二個安全原語是「承諾與不可否認性」。每個兄弟姐妹必須承諾他們選擇的角色：分割者或選擇者。此外，一旦分割完成，分割者就承諾了他們創建的分割——他們不能否認該選擇並重新嘗試。

密碼學系統提供了許多安全原語，可以以不同方式組合來構建公平協議。除了順序和承諾之外，我們還可以使用許多其他工具：

這只是正在使用的整個安全和密碼學原語「動物園」的一小部分列表。更多基本原語和組合一直在被發明。

在我們的現實生活例子中，我們看到了一種稱為「分割與選擇」的公平協議形式。這只是透過以不同方式組合安全原語構建模組可以構建的無數不同公平協議之一。但基本模式始終相同：兩個或更多參與者在不信任彼此的情況下，透過參與一系列屬於約定協議一部分的步驟來進行互動。協議的步驟安排激勵和懲罰，以確保如果參與者是理性的，欺騙是適得其反的，公平是自動的結果。強制執行不是獲得公平結果所必需的——它只是保持參與者不脫離約定協議所必需的。

現在您已經理解了這個基本模式，您將開始在比特幣、閃電網路和許多其他系統中到處看到它。接下來讓我們看一些具體的例子。

最突出的公平協議例子是比特幣的共識演算法：工作量證明（Proof of Work，PoW）。在比特幣中，礦工競爭驗證交易並將它們聚合到區塊中。為了確保礦工不會欺騙，而不將權威託付給他們，比特幣使用激勵和懲罰系統。礦工必須使用電力並專門用硬體進行「工作」，這些工作作為「證明」嵌入到每個區塊中。這是因為雜湊函數的一個特性，即輸出值在整個可能輸出的範圍內隨機分布。如果礦工成功快速產生一個有效區塊，他們會透過獲得該區塊的區塊獎勵來獲得獎勵。強制礦工在網路考慮他們的區塊之前使用大量電力意味著他們有動力正確驗證區塊中的交易。如果他們欺騙或犯任何錯誤，他們的區塊會被拒絕，他們用於「證明」的電力就會浪費。沒有人需要強迫礦工產生有效區塊；獎勵和懲罰激勵他們這樣做。協議需要做的就是確保只有帶有工作量證明的有效區塊被接受。

公平協議模式也可以在閃電網路的許多不同方面找到：

我們一次又一次地看到這種模式。公平結果不是由任何權威強制執行的。它們作為獎勵公平和懲罰欺騙的協議的自然結果而出現，這是一種透過將自利引導向公平結果來利用自利的公平協議。

比特幣和閃電網路都是公平協議的實作。那麼為什麼我們需要閃電網路？比特幣還不夠嗎？

增加區塊大小或減少出塊時間對網路中心化的副作用是嚴重的，從數字計算可以看出。

讓我們假設比特幣的使用增長到網路必須處理每秒 40,000 筆交易，這大約是 Visa 網路在高峰使用期間的交易處理水平。

假設每筆交易平均 250 位元組，這將導致每秒 10 兆位元組（MBps）或每秒 80 兆位元（Mbps）的資料流，僅僅是為了能夠接收所有交易。 這還不包括將交易資訊轉發給其他節點的流量開銷。 雖然在高速光纖和 5G 行動速度的背景下 10 MBps 似乎不算極端，但它實際上會排除任何無法滿足此要求的人運行節點，特別是在高效能網際網路不可負擔或不普及的國家。

使用者還對其頻寬有許多其他需求，不能指望僅為接收交易就花費這麼多。

此外，在本地儲存這些資訊將導致每天 864 GB。這大約是 1 TB 的資料，或一個硬碟的大小。

每秒驗證 40,000 個橢圓曲線數位簽章演算法（ECDSA）簽名也幾乎不可行（參見 StackExchange 上的這篇文章），使比特幣區塊鏈的「初始區塊下載（IBD）」（從創世區塊開始同步和驗證所有內容）在沒有非常昂貴的硬體的情況下幾乎不可能。

雖然每秒 40,000 筆交易看起來很多，但它只是在高峰時段達到傳統金融支付網路的同等水平。機器對機器支付、微交易和其他應用的創新可能會將需求推高到比這高出許多個數量級。

簡單地說：您無法以去中心化的方式擴展區塊鏈來驗證全世界的交易。

但是，如果每個節點不需要知道和驗證每一筆交易呢？如果有一種方法可以實現可擴展的鏈下交易，而不會失去比特幣網路的安全性呢？

2015 年 2 月，Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 發表了《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》^[2]，提出了比特幣可擴展性問題的可能解決方案。

在（現已過時的）白皮書中，Poon 和 Dryja 估計，為了讓比特幣達到 Visa 在高峰期處理的每秒 47,000 筆交易，需要 8 GB 的區塊。 這將使運行節點對於除了大型企業和工業級運營之外的任何人都完全不可行。 結果將是一個只有少數使用者可以實際驗證帳本狀態的網路。 比特幣依賴使用者自己驗證帳本，而不是明確信任第三方，以保持去中心化。 使使用者無法負擔運行節點的費用將迫使普通使用者信任第三方來發現帳本狀態，最終破壞比特幣的信任模型。

閃電網路提出了一個新網路，一個第二層，使用者可以在這裡進行點對點支付，而不需要為每筆支付在比特幣區塊鏈上發布交易。 使用者可以在閃電網路上相互支付任意多次，而不會產生額外的比特幣交易或鏈上費用。 他們只使用比特幣區塊鏈最初將比特幣載入閃電網路，以及「結算」，即從閃電網路中移除比特幣。 結果是更多的比特幣支付可以在鏈下進行，只有初始載入和最終結算交易需要由比特幣節點驗證和儲存。 除了減輕節點負擔之外，閃電網路上的支付對使用者來說更便宜，因為他們不需要支付區塊鏈費用，對使用者來說更私密，因為它們不會發布給網路的所有參與者，而且不會永久儲存。

雖然閃電網路最初是為比特幣設計的，但它可以在任何滿足一些基本技術要求的區塊鏈上實現。其他區塊鏈，如萊特幣（Litecoin），已經支援閃電網路。此外，還有其他幾個區塊鏈正在開發類似的第二層或「Layer 2」解決方案來幫助它們擴展。