闪电般的速度——揭露比特币交易原理

要了解闪电网络的工作原理，就要先明白比特币交易的工作原理，以及UTXO和比特币脚本的定义。闪电网络是在UTXO和比特币脚本之上设计的一种激励机制。

简单概括——两个系统与三种交易

闪电网络的诞生原因非常简单。如果你打算烹饪两个鸡蛋作为早餐，就不会每天都去Costco超市购买两枚鸡蛋。相反，你会一次性买上几十个鸡蛋囤起来，免去每天都去超时购买鸡蛋的麻烦。相对而言，比特币作为一种转账服务，交易速度本身较慢。每秒只能处理大约7笔交易，与Visa或万事达等其他支付网络相比相差甚远。为了解决交易速度慢的问题，就像存储食物一样，我们可以在比特币网络的线下储存一些代币，再建立一个支付系统，于是闪电网络出现了。

有两个系统需要区分下，一个是原始的比特币网络，另一个是闪电网络。两个网络系统用不同的交易方式来流通比特币，根据资金流向的不同，可以分为以下几类：

· 比特币网络，也就是当前大多数转移比特币的方式，我们称之为第一层交易。

· 闪电网络，一种更快转移比特币的方式，我们称之为第二层交易。

· 在闪电网络和比特币网络之间转移，我们称之为跨层交易。稍后，我们将看到，跨层交易本质上是一个第一层交易，而闪电网络是比特币区块链上一个独立实体。

在本系列中，我们将详细讨论这三种类型的交易。

第一层交易

比特币被形容为分布式账本，也就是说它是一本记录每个人账户信息的账本，人人手中都有一份副本。但是账本里面包含了什么内容？如何记录？使用什么格式？在继续之前，先把重点划出，这样便知把注意力放哪里了。我们无需关心比特币的生成过程，也就是说这里不讨论挖矿。我们关心的不是密码学的用途，而是它经受住了时间的考验。即便比特币应用的加密函数符合法律要求，也没有科学家或数学家能证明比特币万无一失。事实曾有高手试图破解比特币，但都失败了，这给了些许信心。

UTXO是什么——树和链表

你曾思考过计算机如何存储数据吗？计算机不能随随便便存储一条信息，就像图书馆里不能随意排放书籍一样。因此计算机需要以某种方式排列数据，便于管理才行。于是数据结构发挥作用了。计算机需要根据具体情况使用一组不同的预定义格式，以有序的方式存放数据。两种格式，也就是亟待我们理解的数据结构链式列表和树格式。

当我们观察母亲和她们的孩子时，树状结构就像她们的家谱。

上图中最上方的Grandmother（祖母），用计算机术语来表示为树的“根”，最下方的一列称为树的“叶”（堂兄弟姐妹以及你）。链表是一种特殊的树，从树中的叶子浏览到根获取一段信息。譬如，你想列出所有为你捐过钱的人，它会是这样的，

也可以表示为带有链接项的列表，

现在让我们看看比特币如何在设计中应用树和链表的。

通常，当你通过银行转账时，比如你要给爱丽丝汇100美元。发生的情况是，钱将从你的银行账户中扣除，爱丽丝的账户余额将相应增加100美元。钱是从一个账户流向另一个账户，而比特币则不是这样。在比特币中，你没有账户，只有交易记录。例如，鲍勃是一个矿工，有一笔属于他的25个比特币的记录，这个记录会被真实地写成，

当鲍勃决定花费这25个比特币时，他必须把25个比特币当作根，并形成树状结构。如果他想以1ETC的价格从埃隆·马斯克手中购买一辆特斯拉，他会产生3笔新记录，

· 支付给埃隆·马斯克1 BTC；

· 付给矿工的交易费，假设是0.00001 BTC；

· 剩下的钱以零钱的形式转回给自己，也就是23.99999。

这些记录将被放入树中，

一旦这棵新树建立起来，鲍勃就会进行传播，告诉其他比特币账户所有者（比特币节点）更新他们的账簿，这样每个人都知道鲍勃已经发送了1 BTC给埃隆·马斯克。但如何确保别人不会作弊呢？似乎没有任何保护措施阻止他人改写这些记录，其他人能简单地把这些记录的所有者变成他们自己，从而窃取这些钱吗？这个问题，我们稍后再讨论。

一旦埃隆·马斯克听到广播，并对交易获得的确认数感到满意，他就可以把特斯拉交给鲍勃了。好了，现在埃隆·马斯克觉得无聊了，他决定从两个经销商50 Cent和Snoop Lion手里购买一些大麻，每人支付0.001 BTC, 埃隆·马斯克会像鲍勃那样更新记录，将交易记录做成一棵树，用1 BTC作为根，看起来就是这样，

现在整个账本看起来是，

如果鲍勃此时决定再次花费记录的25个BTC来作弊，他能做到吗？当然，他可以随心所欲地画这棵树。然而，由于每个人都有一份原始记录的副本，表明鲍勃已经花费了25个BTC，如果鲍勃试图广播伪造的记录，整个网络将拒绝它，因为它与“真实的”历史不同。要成功地完成第一层交易，通常需要三个步骤。

1.创建交易，在原来的树上添上交易，更新原来的树。

2.在交易上签字，证明你花的钱属于你本人。目前，我们使用Owner字段来表示所有权。稍后，我们会看到，我们在记录上签名来花费这笔钱。

3.广播，将交易记录发送到比特币网络，其他人验证、确认和更新自己的记录。

整个过程就像用支票转账一样。任何人都可以在支票上写上金额，但支票只有在你签字后才有效，而且收件人需要将支票存入自动柜员机才算支付完成。你可以但没必要签署大量的支票，只要支票成功存入便可以了。在比特币中，你可以创建大量相同记录的交易，却不广播。因为一经广播，只会接受（确认）一笔交易。这个特性使闪电网络成为可能，在大多数情况下，闪电网络所做的就是创建交易而不广播这些交易。

一个小小修改

在真实的比特币交易中，不会明确记录支付的交易费用。相反，交易费用是隐式给出的。

创建新交易时，遵循新记录的比特币总额不能大于旧记录总额的规则。便是用旧费用减去新费用的总额来计算所支付的交易费用。在鲍勃的例子中，交易费用为25-23.99999-1=0.00001BTC。更新后的分类帐数据如下所示，

从技术上讲，你可以不支付交易费用，但没有人这样做，因为这样你交易会一直悬在空中。

输入和输出

到目前为止，我们只提到了单个记录和单个记录形成的树。但交易到底是什么呢？

在我们的例子中，如果鲍勃决定再次花费比特币，他将遵循以下步骤，

1.在整个树中查找a）属于他的记录（所有者：鲍勃）和b）他还没有花费的记录，在我们的示例中，余额是23.9999 BTC。

2.将把23.9999 BTC记录作为根，并在其上绘制一个新的子树，子树上的叶子是发送给接收者的记录。

3.将新创建的子树广播到网络中，一旦它被验证，子树就将包括在整个树中，也就是每个人手中共享的账本当中。

根据我们的示例，子树是最接近代表交易的术语。如果我们将交易过程看成一个管道，将未花费的记录作为输入，新创建的记录作为输出，交易就是转化输入和输出的一段信息，回答钱来自哪里转向何处的问题。这也表明我们可以同时有多个输入。如果鲍勃在树中有多个未花费的记录，一次只能使用一条记录，那么使用这些钱将是一段乏味的体验。因此，尽管分类账的结构保持一致，但交易数据却有所不同，如下图所示，

鲍勃的交易

埃隆·马斯克的交易

好奇鲍勃是怎样得到自己这笔钱的？这里有一笔coinbase交易，向系统生成比特币，

Coinbase交易

对于使用比特币的人来说，需要一直在交易的输出部分找到未花费的记录。在比特币中，不存在账户的概念。相反，一个可花费的单元是一个未花费的交易输出，因此我们将它命名为未花费的交易输出，简称UTXO。在此阶段，记录ID的概念可能会被抛弃。如果你从Transaction 00检查到Transaction 02，三个交易输出都在一笔交易当中，三个交易输入都来自旧交易的输出，因此没必要再给每个输出一个单独ID。可以参考交易输出中的序列号，即Transaction 00中的第二个输出或Transaction 02中的第三个输出。最终的交易数据如下：

鲍勃的交易

埃隆·马斯克的交易

于是你有了一个基于交易的系统，即比特币。现在我们深入探讨如何确保交易的安全性。

比特币脚本——基础

在上述的例子当中，要发送交易时，只需在所有者字段中写下接受者姓名，并祈祷其他记账者不会动用这笔资金。但世界不是这样运作的。在传统世界，没有第三方的干涉、监督与管理，就无法建立信任。比特币用解决难题的方法建立信任，发送者创建一个难题，能解决这个难题的人就能花费这笔钱。例如，如果爱丽丝要给鲍勃发送1个BTC，她会使用自己其中的一个UTXO，并创建一个如下所示的交易，

爱丽丝发送一个BTC给鲍勃

一旦爱丽丝广播了这笔交易，网络就会意识到爱丽丝的UTXO已经用完了，谁能解开这个难题，谁就拥有这笔钱。当鲍勃从网络上看到爱丽丝完成付款时，就可以交付之前承诺的商品或服务了。

如果鲍勃想花费他的钱，将钱发送给查理，他需要，

1.解出UTXO中指定的原本难题，就像解锁属于自己的钱一样。

2.提供一个只有查理答案的新难题，就像用查理的锁把钱锁起来一样。

简化的交易如下所示，

鲍勃发送一个BTC给查理

当查理想要使用自己的UTXO时，也是同样的流程。爱丽丝的UTXO也是来自其他人（或属于她自己），当她使用它时，她也需要为指定的难题提供一个答案。整个交易全貌如下，

链接在一起的UTXO列表

现在你了解了。UTXO由三部分组成，

· 前业主的解决方案；

· 比特币数量；

· 当前所有者的新难题。

很快，我们将把这三个部分映射到交易的全貌中。

验证交易

交易难题相当于一把锁，确保只有特定的所有者才能打开这把锁。但作为接收者，如何确定自己已经拿到钱了？

让我们看看之前的例子，一个简化的树结构，

如果想要检查从埃隆·马斯克那里收到的钱是否合法，就要重点检查这颗树上的链表。

要检查就需要验证这个链表当中的所有难题解。按降序排列，会是这样，

· 检查埃隆·马斯克提供的解（蓝色框）可以解出埃隆·马斯克的难题（棕色框）；

· 鲍勃提供的解（棕色框）可以解出为鲍勃的难题（灰色框）；

· 检查矿工提供的解（即灰色框中的鲍勃）可以解出矿工的难题。

一旦验证完毕，就能确保交易是合法的。针对所有的记账者，即比特币节点，每当他们收到新交易，这个验证流程是他们在更新自己副本数据前需要做的。针对50美分的最后一步是检查难题确保钱是给到他。如果是，就等待一段时间，直到该交易获得足够的确认数。一旦钱到账，就能确定这笔钱是属于他的。

什么是难题？

难题可以是任何内容，只要它是可计算的。例如，A加B等于4（求A,B），也算是一个简单的难题。再例如，像宇宙的目的是什么就不算一个难题，因为这个问题没有答案，至少这个问题还无法定论。

那么，从结构和语义上来说，难题到底是什么呢？

第一步是理解难题使用的语言。当你想让电脑为你做某事时，你需要说一种它能理解的语言。比特币存在于电脑中。当你想用比特币做一个难题时，你必须说它能理解的语言。在这种情况下，难题使用的是一种名为比特币脚本的语言。

这个时候你可能会犹豫要不要学习一门外语，其实只要会一些基础知识你就能明白比特币的强大。比特币脚本是一门相当简单的语言，我会进行演示，而不用语言来解释为什么这样为什么那样，足以让所有人理解闪电网络的工作原理。如果你感兴趣，可以观看这个讲座，以及阅读这本书。

比特币脚本魔法

在纸上做加法时，比如二加三，你只需要写，

在比特币脚本中，你可以这样写，

如果你与大多数人一样，从左读到右，再从上读到下，可能会对比特币脚本的顺序感到迷惑。之所以这样写，是因为计算机对事物的理解与常人不同。

要理解比特币脚本如何工作，一个方法是想象经典学校游戏“河内塔”（towers of Hanoi）的画面。

比特币使用的是一个变化版本。左边的一堆盒子，类似比特币脚本中的指令。

当比特币处理它的脚本时，它用的是一个死板且相当严格的方法。它会从左边的棍子里拿出一个盒子，然后放到右边。根据指令的内容，它可以使用预定义的规则执行额外的任务。例如，上面提到的加法脚本可以表示为：

程序如下，

1.电脑作用于最上面的盒子。在本例中，提取整数2并放到右边。

2. 再次提取左边最上面的盒子，即整数3，并将其放到右边。

3.它一直作用于最上面的盒子，直到提取完所有盒子。最后一个盒子OP_ADD表示加法运算，提取出来并放到右边。OP_ADD是一个预定义的指令，它所做的就是将下方的两个盒子相加，并创建一个新盒子来返回总和。所以在右边的棍子上留下了一个数值为5的盒子。

OP_ADD是许多预定义指令之一，我们将这些指令统称为指令集或操作码。完整的指令集可以查看这里的链接。本文，我们只重点关注闪电网络的工作的指令集。

比特币使用的语言被称为比特币脚本。然而，当一组指令放在一起形成一段代码时，我们称之为脚本。如果把比特币中的操作码放在一起，我们也把它命名为一个脚本，或者更具体地说，一个比特币脚本。

脚本

现在该揭开前面提到的用比特币脚本编写的难题和解对的面纱了。技术术语是锁定脚本（puzzle）和解锁脚本（solution）。验证完后，我们会将解锁脚本放在锁定脚本之上，并通过一个比特币客户端运行它。

如果结果错误（用数字0表示），通常意味着所提供的解锁脚本（解决答案）不正确，因此交易无效。否则，如果结果为正确，且是除0之外的任何整数，则可以确保交易有效。

在我们前面的例子中，脚本2 3 OP_ADD是一个糟糕的锁定脚本，因为它返回了数字5，这意味着验证结果总是为正确，因此任何人都可以使用5作为答案。如果鲍勃从爱丽丝接收到一个交易，他希望的是只有爱丽丝提供的锁定脚本才能解锁。

使用一个名为数字签名的加密应用程序解决了这一问题，数字签名是当今互联网上广泛使用的一种工具。在讨论数字签名时，需要关注四点，

· 签署的消息可以是任何内容，从句子到文档。签署的消息是鲍勃想要取得所有权的东西。在本例中，是爱丽丝发送UTXO交易中包装的内容。

· 私钥，由鲍勃作为秘密保存。他使用私钥对消息进行签名，这涉及一个复杂的数学过程并输出签名。

· 签名，使用私钥签署消息的结果。

· 公钥，一把公钥匹配一把私钥。每个公钥只能映射一个私钥。正如“公钥”一词意味着公开，因此所有人都能看到鲍勃的公钥。

除了鲍勃的私钥是隐秘之外，所有交易内容都是公开的。原始消息、签名和公钥之间存在一种奇妙的关系。在私钥不暴露的情况下，任何人只要知道鲍勃公钥和原始信息，就能验证该签名是否由鲍勃的私钥签署的。由于身处互联网时代，人们都倾向隐藏一些隐私，所以鲍勃的名字不会公开。鲍勃只需公开自己的签名和公钥。在比特币中，公钥就代表鲍勃的身份，同时公钥还有另外一层含义，一旦变化编码，便是比特币地址。

现在，比特币交易是由新UTXO组成，而新UTXO是用旧UTXO作为输出。每花费一笔UTXO，你需要提供一个解锁脚本来解开锁定脚本中的难题，并为你的接收者创建新的锁定脚本。从结构上看，我们将解锁脚本放入输入部分，新的锁定脚本放入输出部分。一个常见的做法是应用数字签名，将资金发送给特定的收件人。譬如鲍勃给爱丽丝发送1BTC，鲍勃发起的完整交易如下，

除了在脚本中应用数字签名，人们还想出了各种各样的难题。比特币脚本确实很强大，闪电网络正是利用了比特币脚本的优势，做出了一个有趣的设计，使比特币交易达到闪电般的速度。

以下是一笔真实的交易，

注意下图，输入脚本和输出脚本是花费的UTXO（旧UTXO）的解锁脚本，也是新UTXO的锁定脚本。

详细的解码交易如下图所示，

其他方法——多重签名和时间锁

在所有的比特币脚本中，有三大脚本功能值得注意，即前面提到的数字签名，加上下面要讲到的多重签名与时间锁。

多重签名是多个签名（OP_CHECK多重签名）的缩写，顾名思义，它是一个涉及到使用多个签名进行验证的函数。它检查提交的签名，如果签名相匹配则返回true（正确）。多重签名就像中国古代的虎符，本质上是一把特殊的锁，只有匹配的钥匙才能解锁。

在比特币中，多重签名函数放在锁定脚本中，指定要解锁的签名。在解锁脚本中，花费者（接收者）需要一起提供签名来解锁脚本，这样他们就可以使用UTXO。

例如，如果爱丽丝和鲍勃决定创建一个共同账户，这个共同账户需要两人一致同意才生效，两人将分别创建一个新的UTXO，如下图所示，

于是一个账户余额为2BTC的共同账户便创建了，由爱丽丝和鲍勃共同决定如何使用。

时间锁的功能就像比特币的计时器。它会根据当前时间检查预置日期，直到给定时间过去后才会继续执行任务。比如，如果设定在日期2099/01/01 00：00：00之前不进行2+3的计算，我们就会创建类似于2099/01/01 00：00：00,check time lock, 2,3, OP_ADD这样的任务，它可以表示为，

当我们运行这个脚本时，因为还没有达到指定的时间2099/01/01 00：00：00，所以无法执行其他步骤。时间锁的一个实际作用是延迟付款。如果鲍勃想要给发送爱丽丝 1个BTC，但是他不希望爱丽丝一个星期后才能花费它，他可以在锁定脚本中设置时间限制，

当爱丽丝收到鲍勃的这个UTXO时，她必须等上一个星期，才能满足步骤1的条件，然后提供自己的签名来花费这笔UTXO。比特币中，有应用几种达到时间锁的方法。特别的是，闪电网络使用的OP_CHECKLOCKTIMEVERIFY和OP_CHECKSEQUENCEVERIFY。两种方法工作几乎相似，只是前一种使用的是绝对时间（例如2019/09/23 00：00：00）提交到一个比特币块中，而后者使用一个相对的（例如，未来3天之内）。

了解比特币UTXO和比特币脚本了，了解闪电网络的工作原理就轻松了。

原文：https://blog.goodaudience.com/till-its-lightning-fast-uncover-bitcoin-transactions-9c2a5cc94144

稿源（译）：https://first.vip/shareNews id=2259&uid=1

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编译者/作者：头等仓

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