系统解读Fiber：把闪电网络嫁接到CKB上的宏大实验
文摘
2024-09-01 14:59
广东
作者：Faust & Nickqiao，极客web38月23日，CKB官方发布了基于CKB的闪电网络方案——Fiber Network（光纤网络），这则新闻一经传播，很快便在社区里引发了热议，让CKB价格在一天内快速上涨了近30%。新闻之所以会引起强烈反响，主要在于闪电网络具有强大的叙事魅力，而CKB的Fiber对传统闪电网络进行了方案升级，针对后者做出了诸多改进。比如，Fiber可以原生支持多类型资产，如CKB、BTC、稳定币等，而且CKB的手续费远比BTC低、响应速度快，Fiber可以借此在UX方面取得突破。而在隐私和安全层面，Fiber也做出了不少优化。此外，Fiber和BTC闪电网络可以互联互通，形成更大的P2P网络，此前的线下活动中，CKB官方甚至表示，将在Fiber和闪电网络中设置10万个物理节点，以促进P2P支付网络的完善与进步。毫无疑问这是一个空前宏大的故事。如果CKB官方的愿景得以在未来实现，无论对闪电网络还是对CKB乃至比特币生态而言，都将是巨大的利好。根据mempool的数据，当前BTC闪电网络中安置了3亿多美元的资金，节点数量约为1.2万个，彼此之间构建了近5万条支付通道。![]()
而在spendmybtc.com上，我们还可以看到越来越多的商家在支持闪电网络收付款，只要BTC的被认可度越来越强，闪电网络和Fiber等链下支付方案的崛起势能必将与日俱增。本着对Fiber的技术方案进行系统性解读的目的，《极客Web3》写作了这篇关于Fiber整体方案的研报。作为基于CKB的闪电网络实现方案，Fiber的原理与比特币闪电网络大面上一致，但在很多细节上进行了优化。Fiber的总体架构包括以下四个核心部分：支付通道、WatchTower、多跳路由、跨域支付。下面我们先展开解释下最重要的“支付通道”。支付通道本质是将转账/交易都挪到链下处理，过段时间再将最终状态提交到链上进行“结算”。由于交易是在链下即时完成的，往往可以摆脱BTC等主链的性能限制。假设Alice和Bob共同开启了一个通道，他们先在链上构建多签账户，向里面存一些钱，比如Alice和Bob各存入100块，作为在链下通道中各自的余额。接下来双方可以在通道里进行多笔转账，等退出通道时，再把最终的余额同步到链上，由多签账户给双方打款，即“结算”。比如说，双方开始时各有100块，之后Alice向Bob转账50，之后Alice又向Bob转了10块钱，而后Bob又给Alice转了30块，最终双方余额变为：Alice—70，Bob—130。大家不难发现，二人的余额总和不变，上图中算盘珠子来回推拉的案例可以很好解释这点。如果有一方退出通道，就把当前的余额Alice：70/Bob：130同步到链上，把多签账户中的200块钱按各自余额转给二人，完成结算。上述流程看起来简单，但在实操中要考虑很多复杂情况。首先，你其实并不知道对方想在何时退出通道，拿上面的例子来说，Bob可以在第二笔转账完成后就退出，亦或是第一笔转账后就退出，而支付通道不会对此强制要求，是允许参与方自由退出的。要实现这一点，要假设随时会有人退出，任意一方都可能向链上提交最终余额，进行结算。所以有一个“承诺交易”的设定，“承诺交易”用于声明通道内双方的最新余额，每笔转账发生时都会生成对应的“承诺交易”。你如果要退出通道，可以向链上提交最新的一笔“承诺交易”，把自己应得的钱从多签账户中抽出来。我们可以记下这个结论：承诺交易用于对通道中双方的余额进行链上结算，任何一方随时可以把最新的承诺交易上链，然后退出通道。但这里有一个重要的作恶场景：Bob可以把过期的余额和承诺交易提交到链上，比如上图中的Commit Tx3生成后，Bob的余额为130，但Bob为了给自己牟利，把过期的Commit Tx2提交到链上，声明自己的余额是160，而这个余额状态不是实时的，这就是典型的“双重支付”。为了防止此类双花场景，要有相应的惩罚措施，关于惩罚措施的设计恰好是整个1对1支付通道的核心，理解了这部分才能真正理解支付通道。在通道的设计里，如果任何一方把过期的状态和Commit Tx提交到链上，不但不会如愿以偿，反而会被另一方把全部资金都抽走。这里用到了“不对称的承诺交易”和“撤销密钥”，这两个概念非常重要。我们先对“不对称的承诺交易”进行解释。以前面的Commit Tx3为例，下图是承诺交易的示意图：这笔承诺交易由Bob构造，然后发给Alice让对方自行处理。如图所示，这就是一笔比特币转账，声明把多签账户中70块钱给Alice，130块钱给Bob，但钱的解锁条件“不对称”，Alice面对的限制更苛刻，对Bob更有利。Alice收到Bob构造的承诺交易后，可以附上自己的签名满足2/2多签，之后Alice可以主动把“承诺交易”提交上链，这样就可以退出通道，如果她不这么做就可以继续在通道中转账。这里我们要注意：这笔承诺交易是Bob主动构造的，其中条件对Alice不利，Alice只能接受/拒绝，我们要想办法留给Alice一些自主权。在支付通道的设计中，只有Alice自己能把“对自己不利”的承诺交易放到链上触发，这是因为承诺交易要凑足2/2多签，Bob在本地构造交易后只有自己的签名，没有Alice签名。而Alice可以“只接收Bob的签名，但不把自己的签名发给他”，这就好比一份对你不利的合同，需要你和别人双签，对方先签名后把文件给你，你可以不让对方拿到签名。你想让合同生效就签名然后公示，不想生效就不签名或不公示。显然在上面的案例中，Alice有办法限制Bob。然后到了重点：通道中每次有转账发生后，会有一对承诺交易出现，有两个类似镜像的版本，就像下面这样。Alice和Bob可以分别构造对自己有利的承诺交易，在其中声明余额/退出时应得的金额，然后把交易内容发给对方处理。有趣的是，这两笔承诺交易声明的“退出时所得金额”相同，但取款条件不同，这正是前文“不对称的承诺交易”的来历。前面我们解释过，每笔承诺交易都要2/2多签才能生效，Bob本地构造的、对自己有利的承诺交易不满足2/2多签，而满足2/2多签的承诺交易扣在Alice手上，Bob没法提交，只能由Alice提交，这就形成了制衡。反过来也是类似的道理。如此一来，Alice和Bob只能主动提交对自己不利的承诺交易，只要双方中有一人把Commit Tx提交上链且生效，通道就被关闭。而回到最开始说的“双重支付”场景，如果有人把过期的承诺交易提交上链，会发生什么呢？这里要提到一个叫“撤销密钥”的东西。假如Bob把过期的承诺交易提交上链，Alice可以通过撤销密钥把Bob应得的钱提走。
我们看下面这张图，假设最新的承诺交易是Commit Tx3，Commit Tx2过期，如果Bob把过期的Tx2提交到链上，Alice可以通过Tx2的撤销密钥把Bob的钱抽走（Alice要赶在时间锁范围内行动）。而对于最新的Tx3，Alice没有其撤销密钥，只有在未来Tx4出现后，Alice才能获取Tx3的撤销密钥。这是由公私钥密码学和UTXO的特性决定的，碍于篇幅本文不会深入解释撤销密钥的实现原理。我们可以记住结论：Bob只要敢把过期的承诺交易提交上链，Alice就可以用撤销密钥把Bob的钱拿走，作为惩罚。反过来如果Alice作恶了，Bob也可以如此惩罚她。这样一来，1对1的支付通道可以有效避免双重支付，只要参与方都是理性人，就都不敢作恶。关于支付通道这块，基于CKB的Fiber相比于比特币闪电网络有大幅优化，能够原生支持多类型资产的转账/交易，比如CKB、BTC和RGB++稳定币，而闪电网络只能原生支持比特币，Taproot Asset上线后比特币闪电网络还是无法原生支持非BTC资产，只能间接支持稳定币。此外，由于Fiber依赖的Layer1主链是CKB，打开和关闭通道的操作消耗的手续费低得多，不会像BTC闪电网络那样磨掉用户很多手续费，这是其在UX上的明显优势。上文中讲到的撤销密钥有个问题：通道参与方要时刻监视对方，防止对方偷摸把过期的承诺交易提交上链。但没人能保证24小时在线，如果你离线的时候对方作恶，该怎么办？对此，Fiber和比特币闪电网络都有WatchTower瞭望塔的设计，会帮用户全天候监视链上活动。一旦通道中有人提交了过期的承诺交易，WatchTower会及时处理，从而确保通道和资金的安全。具体的解释如下：对于每笔过期的承诺交易，Alice或Bob可以事先把对应的惩罚交易构造好（用撤销密钥处理过期的承诺交易，受益人声明为自己），然后把惩罚交易的明文发给WatchTower。一旦WatchTower监测到有人把过期的承诺交易提交上链，它就会把惩罚交易也提交上链，进行针对性的惩罚。Fiber为了保护通道参与者的隐私，只让用户把“过期承诺交易的hash+惩罚交易明文”发给WatchTower，这样WatchTower一开始并不知道承诺交易的明文，只知道其hash。除非有人真的把过期承诺交易提交到链上，WatchTower才会看到明文，然后紧随其后把惩罚交易提交上链。这样一来，除非真的有人作恶，否则WatchTower不会看到通道参与者的交易记录（即便看到了也只能看到其中一笔）。这里我们要提一下Fiber相比于比特币闪电网络的优化。上述与撤销密钥相关的惩罚机制被称为“LN-Penalty”，而比特币闪电网络的LN-Penalty有明显缺点：WatchTower要保存所有的过期承诺交易Hash和对应的撤销密钥，这会造成不小的存储压力。早在2018年，比特币社区就提出了一种叫 “eltoo” 的方案来解决上述问题，但需要比特币分叉支持SIGHASH_ANYPREVOUT操作码。思路是当过期的承诺交易上链后，最新的承诺交易能对其进行惩罚，这样用户只保存最新的承诺交易即可。但是SIGHASH_ANYPREVOUT操作码至今还未激活，该方案迟迟不能落地。而Fiber实现了Daric协议，修改了撤销密钥的设计，让同一个撤销密钥适用于多笔过期的承诺交易。这样可以大幅减少WatchTower以及用户客户端的存储压力。前面讲的支付通道仅适用于1对1交易的场景，而闪电网络支持多跳支付，即通过中间节点来路由，让未直接建立通道的两方间能够转账，比如说Alice和Ken没有通道，但Ken和Bob间有通道，Bob和Alice间有通道，Bob就可以作为Alice和Ken之间的中间节点，让Alice和Ken之间可以发生转账互动。而“多跳路由”就是指通过多个中间人搭建转账路径。“多跳路由”能够增强网络的灵活性和覆盖范围。不过，发送方需要了解所有的公共节点和通道的状态。在Fiber中，所有公开通道即网络结构是完全公开的，任何一个节点都可以获知其它节点掌握的网络信息。由于闪电网络中整个网络的状态是不断变化的，Fiber会使用Dijkstra最短路径算法找到最短路由路径，让中间人数量尽可能的少，然后在两方之间架设转账路径。不过这里面要解决中间节点的信用问题：你怎么保证他是诚实的，比如前面提到Alice和Ken之间有中间人Bob，Alice现在要给Ken转账100块，Bob随时可能扣住这笔钱。对此要有办法防止中间人作恶，HTLC和PTLC便用于解决此类问题。假设Alice要向Daniel付款100块，但他们之间没有建立通道。而Alice发现，可以通过Bob和Carol这两个中间人向Daniel付款。这里面要引入HTLC作为支付渠道，首先Alice向Daniel发起请求，然后Daniel发给Alice一个哈希r，但Alice不知道r对应的明文R。之后，Alice在与Bob的通道中，通过HTLC构造支付条款：Alice愿意付给Bob 102块，但Bob要在30分钟内说出密钥R，否则Alice会把钱撤回。同理Bob再跟Carol创建HTLC：Bob会向Carol支付101块，但Carol要在25分钟内说出密钥R，否则Bob会把钱撤回。Carol如法炮制，在和Daniel的通道中创建HTLC：Carol愿意支付100块，但Daniel要在20分钟内告诉她R的明文，否则钱会被Carol收回。Daniel明白，Carol索要的密钥R其实是Alice想要的，因为除了Alice没人会在意R的内容是啥。所以Daniel会配合Carol，告诉她R的内容，并从Carol那拿到100块，这样子Alice就实现了目标：给Daniel 100块钱。之后的事情不难想象：Carol把密钥R告诉Bob，拿到101块钱；Bob再把密钥R告诉Alice，拿到102块钱。我们观测所有人的得失，可以看出Alice失去102块钱，Bob和Carol净赚1块钱，Daniel得到100块。这里面Bob和Carol赚的1块钱就是它们从Alice那抽的手续费。![]()
即使上面的支付路径中某个人卡住，比如Carol没有把密钥R告知下游的Bob，也不会让Bob有损失：过时间后Bob可以把构建的HTLC撤回。对于Alice也是同理。但闪电网络也有问题：路径不宜过长，如果路径太长中间人太多，会降低付款的可靠性：某些中间人可能离线，亦或是余额不足以构建特定HTLC(比如前面案例中每个中间人至少要有100多块钱)。所以在路径中每增加一个中间节点，都会提高出错的可能性。此外，HTLC可能泄露隐私。虽然洋葱路由可以适当保护隐私，比如把每一跳的路由信息都加密，除了最初发起者Alice外，每个人只知道相邻的上下家，不知道完整的路径，但实际上HTLC还是容易被推断出关联性。我们以上帝视角看下面这个路径假设Bob和Daniel是同一实体控制的两个节点，每天都会收到很多人发来的HTLC。它们发现，Alice和Carol每次发来HTLC后，要获知的密钥总是一致的，而与Daniel相连的下家Eve总是知道密钥R的内容。因此Daniel和Bob能猜到，Alice和Eve之间存在支付路径，因为它们总是和相同的密钥扯上关系，借此推断出Alice和Eve之间的关系并施加监视。对此，Fiber采用了PTLC，在HTLC基础上进行了隐私改良，支付路径中每道PTLC都用不同的密钥来解锁，单纯观测PTLC索要的密钥无法判断出彼此的关联性。通过将PTLC与洋葱路由结合，可以让Fiber成为隐私支付的理想方案。此外，传统的闪电网络存在“替代交易循环攻击”（replacement cycling attack）场景，可以让支付路径中间人的资产被盗。这一发现甚至让开发者Antoine Riard退出了闪电网络的开发工作。到目前为止比特币闪电网络尚未有根本措施解决这个问题，已然成为一个痛点。目前，CKB官方通过在交易池层面进行改良，可以让Fiber解决上述攻击场景。由于替代交易循环攻击及解决方案比较烧脑，本文不打算继续占用篇幅做出解释，感兴趣的可以阅读BTCStudy的下述文章以及阅读CKB官方的相关资料。总体而言，无论是在隐私还是在安全层面，Fiber都比传统的闪电网络进行了大幅改良。利用HTLC和PTLC，Fiber可以和比特币闪电网络实现跨域支付，且能够保证“跨域行为的原子性”，即跨域相关的全部步骤要么全成功，要么全失败，不会有部分成功部分失败的情况。跨域原子性有了保障后，可以保证跨域本身不会导致财产损失，这样可以让Fiber与比特币闪电网络互联起来，比如可以在Fiber和闪电网络组成的混合网络中搭建支付路径，直接在Fiber中向BTC闪电网络中的用户转账（接收端仅限BTC），还可以在Fiber中用CKB和RGB++资产在BTC闪电网络中换取等价比特币。我们简单说下原理：假设Alice在Fiber网络内运行了节点，而Bob在比特币闪电网络中运行节点，Alice想向Bob转账一些钱，它可以通过跨域中转商Ingrid实现这笔转账。Ingrid会分别在Fiber和BTC闪电网络内运行节点，充当转账路径中的中间人。如果Bob想收到1个BTC，Alice可以与Ingrid协商兑换比率，用1个CKB换1个BTC。然后Alice在Fiber中向Ingrid发送1.1个CKB，而后Ingrid在BTC闪电网络中向Bob发1个BTC，而Ingrid会留下0.1个CKB作为手续费。这里面具体的操作方式，其实就是在Alice和Bob与Ingrid之间建立支付路径，即Alice—>Ingrid—>Bob，然后会用到HTLC。类似道理其实前面有讲过，Bob为了收到钱，必须告诉Ingrid密钥R的内容。一旦Ingrid获取了密钥R，就可以解锁Alice锁在HTLC里的钱。需要注意，这两笔分别发生于BTC闪电网络和Fiber中的跨域行为是原子性的，意味着要么两个HTLC都被解锁，跨域支付顺利执行。要么都不解锁，跨域支付失败，而不会出现Alice给了钱而Bob收不到钱的情况。（其实中间人Ingrid可以在知道密钥R后不去解锁Alice的HTLC，但这样受损的是Ingrid这个中间人，而不是用户Alice，所以Fiber的设计对于用户是安全的）这种方式不需要信任第三方，即可在不同的P2P网络间实现转账行为，几乎不需要任何修改。前面我们提到，Fiber支持CKB原生资产，以及RGB++资产（尤其是稳定币），这使得它在即时支付场景中有极大潜力，更适合日常小额支付需求。此外，比特币闪电网络有一个主要痛点，就是是流动性管理问题。大家可能记得我们最开始说的，支付通道中总体余额是固定的，若其中一方的余额耗尽，就没法向对方转账，除非对方先转钱给他，这个时候就要重新注入资金或打开新的通道。此外，如果是在复杂的多跳网络中，某些中间节点余额不足无法向外转账，可能导致整个支付路径失败。这是闪电网络的痛点之一，对此的解决方案无外乎提供高效的流动性注入方案，确保大多数节点都能随时注入资金。但是，在BTC闪电网络中，注入流动性、打开或关闭通道的步骤都在BTC链上进行，若BTC网络手续费极高，会对支付通道的UX产生不良影响。假设你想开启一个容量为100美元的通道，但建立通道的操作花掉10美元手续费，那这个通道在初始化时就磨了你 10%的资金，这是让大多数人无法接受的；对于流动性注入等工作也是同理。对此Fiber拥有非常显著的优势。首先CKB的TPS远比BTC高得多，手续费可以达到美分级别；其次，为了应对流动性不足导致无法转账的问题，Fiber计划与Mercury layer合作推出新的解决方案，使得流动性注入的工作可以摆脱链上操作，解决UX和成本问题。至此，我们系统的梳理了Fiber的总体技术架构，其和比特币闪电网络的大致对比总结如上图所示。由于Fiber和闪电网络本身涉及的知识点太多太杂，单纯一篇文章可能无法覆盖到方方面面，未来我们将针对闪电网络和Fiber的话题推出系列文章，大家敬请期待。
