jakiro
8月23日，CKB官方發布了基於CKB的閃電網絡方案——Fiber Network（光纖網絡）， 這則新聞一經傳播，很快便在社區裡引發了熱議，讓CKB價格在一天內快速上漲了近30%。新聞之所以會引起強烈反響，主要在於閃電網絡具有強大的敘事魅力，而 CKB的Fiber對傳統閃電網絡進行了方案升級，針對後者做出了諸多改進。
比如，Fiber可以原生支持多類型資產，如CKB、BTC、穩定幣等，而且CKB的手續費遠比BTC低、響應速度快，Fiber可以藉此在UX方面取得突破。而在隱私和安全層面，Fiber也做出了不少優化。
此外，Fiber和BTC閃電網絡可以互聯互通，形成更大的P2P網絡，此前的線下活動中， CKB官方甚至表示，將在Fiber和閃電網絡中設置10萬個物理節點，以促進P2P支付網絡的完善與進步。 毫無疑問這是一個空前宏大的故事。
如果CKB官方的願景得以在未來實現，無論對閃電網絡還是對CKB乃至比特幣生態而言，都將是巨大的利好。 根據mempool的數據，當前BTC閃電網絡中安置了3億多美元的資金，節點數量約為1.2萬個，彼此之間構建了近5萬條支付通道。
而在spendmybtc.com上，我們還可以看到越來越多的商家在支持閃電網絡收付款，只要BTC的被認可度越來越強，閃電網絡和Fiber等鏈下支付方案的崛起勢能必將與日俱增。
本著對Fiber的技術方案進行系統性解讀的目的， 《極客Web3》寫作了這篇關於Fiber整體方案的研報。 作為基於CKB的閃電網絡實現方案，Fiber的原理與比特幣閃電網絡大面上一致，但在很多細節上進行了優化。
Fiber的總體架構包括以下四個核心部分：支付通道、WatchTower、多跳路由、跨域支付。 下面我們先展開解釋下最重要的「支付通道」。
閃電網絡和Fiber的基石：支付通道
支付通道本質是將轉帳/交易都挪到鏈下處理，過段時間再將最終狀態提交到鏈上進行「結算」。 由於交易是在鏈下即時完成的，往往可以擺脫BTC等主鏈的性能限制。
假設Alice和Bob共同開啟了一個通道，他們先在鏈上構建多籤帳戶，向裡面存一些錢，比如Alice和Bob各存入100塊，作為在鏈下通道中各自的餘額。 接下來雙方可以在通道裡進行多筆轉帳，等退出通道時，再把最終的餘額同步到鏈上，由多籤帳戶給雙方打款，即「結算」。
比如說，雙方開始時各有100塊，之後Alice向Bob轉帳50，之後Alice又向Bob轉了10塊錢，而後Bob又給Alice轉了30塊，最終雙方餘額變為：Alice—70，Bob—130。大家不難發現，二人的餘額總和不變，上圖中算盤珠子來回推拉的案例可以很好解釋這點。
如果有一方退出通道，就把當前的餘額Alice：70/Bob：130同步到鏈上，把多籤帳戶中的200塊錢按各自餘額轉給二人，完成結算。上述流程看起來簡單，但在實操中要考慮很多複雜情況。
首先，你其實並不知道對方想在何時退出通道， 拿上面的例子來說，Bob可以在第二筆轉帳完成後就退出，亦或是第一筆轉帳後就退出，而支付通道不會對此強制要求，是允許參與方自由退出的。要實現這一點，要假設隨時會有人退出，任意一方都可能向鏈上提交最終餘額，進行結算。
所以有一個「承諾交易」的設定， 「承諾交易」用於聲明通道內雙方的最新餘額，每筆轉帳發生時都會生成對應的「承諾交易」。 你如果要退出通道，可以向鏈上提交最新的一筆「承諾交易」，把自己應得的錢從多籤帳戶中抽出來。
我們可以記下這個結論： 承諾交易用於對通道中雙方的餘額進行鏈上結算，任何一方隨時可以把最新的承諾交易上鏈，然後退出通道。
但這裡有一個重要的作惡場景：Bob可以把過期的餘額和承諾交易提交到鏈上， 比如上圖中的Commit Tx3生成後，Bob的餘額為130，但Bob為了給自己牟利，把過期的Commit Tx2提交到鏈上，聲明自己的餘額是160，而這個餘額狀態不是實時的，這就是典型的「雙重支付」。
為了防止此類雙花場景，要有相應的懲罰措施，關於懲罰措施的設計恰好是整個1對1支付通道的核心，理解了這部分才能真正理解支付通道。 在通道的設計裡，如果任何一方把過期的狀態和Commit Tx提交到鏈上，不但不會如願以償，反而會被另一方把全部資金都抽走。
這裡用到了 「不對稱的承諾交易」和「撤銷密鑰」，這兩個概念非常重要。 我們先對「不對稱的承諾交易」進行解釋。 以前面的Commit Tx3為例，下圖是承諾交易的示意圖：
這筆承諾交易由Bob構造，然後發給Alice讓對方自行處理。 如圖所示，這就是一筆比特幣轉帳，聲明把多籤帳戶中70塊錢給Alice，130塊錢給Bob，但錢的解鎖條件「不對稱」，Alice面對的限制更苛刻，對Bob更有利。
Alice收到Bob構造的承諾交易後，可以附上自己的籤名滿足2/2多籤，之後Alice可以主動把「承諾交易」提交上鏈，這樣就可以退出通道， 如果她不這麼做就可以繼續在通道中轉帳。
這裡我們要注意： 這筆承諾交易是Bob主動構造的，其中條件對Alice不利，Alice只能接受/拒絕，我們要想辦法留給Alice一些自主權。 在支付通道的設計中，只有Alice自己能把「對自己不利」的承諾交易放到鏈上觸發，這是因為承諾交易要湊足2/2多籤，Bob在本地構造交易後只有自己的籤名，沒有Alice籤名。
而Alice可以「只接收Bob的籤名，但不把自己的籤名發給他」， 這就好比一份對你不利的合同，需要你和別人雙籤，對方先籤名後把文件給你，你可以不讓對方拿到籤名。 你想讓合同生效就籤名然後公示，不想生效就不籤名或不公示。顯然在上面的案例中，Alice有辦法限制Bob。
然後到了重點： 通道中每次有轉帳發生後，會有一對承諾交易出現，有兩個類似鏡像的版本， 就像下面這樣。Alice和Bob可以分別構造對自己有利的承諾交易，在其中聲明餘額/退出時應得的金額，然後把交易內容發給對方處理。
有趣的是， 這兩筆承諾交易聲明的「退出時所得金額」相同，但取款條件不同，這正是前文「不對稱的承諾交易」的來歷。
前面我們解釋過， 每筆承諾交易都要2/2多籤才能生效， Bob本地構造的、對自己有利的承諾交易不滿足2/2多籤，而滿足2/2多籤的承諾交易扣在Alice手上，Bob沒法提交，只能由Alice提交，這就形成了制衡。反過來也是類似的道理。
如此一來， Alice和Bob只能主動提交對自己不利的承諾交易，只要雙方中有一人把Commit Tx提交上鏈且生效，通道就被關閉。 而回到最開始說的「雙重支付」場景，如果有人把過期的承諾交易提交上鏈，會發生什麼呢？
這裡要提到一個叫「撤銷密鑰」的東西。 假如Bob把過期的承諾交易提交上鏈，Alice可以通過撤銷密鑰把Bob應得的錢提走。
我們看下面這張圖，假設最新的承諾交易是Commit Tx3，Commit Tx2過期，如果Bob把過期的Tx2提交到鏈上，Alice可以通過Tx2的撤銷密鑰把Bob的錢抽走（Alice要趕在時間鎖範圍內行動）。
而對於最新的Tx3，Alice沒有其撤銷密鑰， 只有在未來Tx4出現後，Alice才能獲取Tx3的撤銷密鑰。這是由公私鑰密碼學和UTXO的特性決定的，礙於篇幅本文不會深入解釋撤銷密鑰的實現原理。
我們可以記住結論：Bob只要敢把過期的承諾交易提交上鏈，Alice就可以用撤銷密鑰把Bob的錢拿走，作為懲罰。反過來如果Alice作惡了，Bob也可以如此懲罰她。這樣一來， 1對1的支付通道可以有效避免雙重支付，只要參與方都是理性人，就都不敢作惡。
關於支付通道這塊，基於CKB的Fiber相比於比特幣閃電網絡有大幅優化，能夠原生支持多類型資產的轉帳/交易，比如CKB、BTC和RGB++穩定幣，而閃電網絡只能原生支持比特幣， Taproot Asset上線後比特幣閃電網絡還是無法原生支持非BTC資產，只能間接支持穩定幣。
（圖片來源：Dapangdun）
此外， 由於Fiber依賴的Layer1主鏈是CKB，打開和關閉通道的操作消耗的手續費低得多，不會像BTC閃電網絡那樣磨掉用戶很多手續費， 這是其在UX上的明顯優勢。
全天候的保安：WatchTower瞭望塔
上文中講到的撤銷密鑰有個問題： 通道參與方要時刻監視對方，防止對方偷摸把過期的承諾交易提交上鏈。但沒人能保證24小時在線， 如果你離線的時候對方作惡，該怎麼辦？
對此， Fiber和比特幣閃電網絡都有WatchTower瞭望塔的設計，會幫用戶全天候監視鏈上活動。 一旦通道中有人提交了過期的承諾交易，WatchTower會及時處理，從而確保通道和資金的安全。
具體的解釋如下：對於每筆過期的承諾交易，Alice或Bob可以事先把對應的懲罰交易構造好（用撤銷密鑰處理過期的承諾交易，受益人聲明為自己），然後把懲罰交易的明文發給WatchTower。一旦WatchTower監測到有人把過期的承諾交易提交上鏈，它就會把懲罰交易也提交上鏈，進行針對性的懲罰。
Fiber為了保護通道參與者的隱私，只讓用戶把「過期承諾交易的hash+懲罰交易明文」發給WatchTower，這樣WatchTower一開始並不知道承諾交易的明文，只知道其hash。除非有人真的把過期承諾交易提交到鏈上，WatchTower才會看到明文，然後緊隨其後把懲罰交易提交上鏈。這樣一來， 除非真的有人作惡，否則WatchTower不會看到通道參與者的交易記錄 （即便看到了也只能看到其中一筆）。
這裡我們要提一下Fiber相比於比特幣閃電網絡的優化。上述與撤銷密鑰相關的懲罰機制被稱為「LN-Penalty」，而 比特幣閃電網絡的LN-Penalty有明顯缺點：WatchTower要保存所有的過期承諾交易Hash和對應的撤銷密鑰，這會造成不小的存儲壓力。
早在2018年，比特幣社區就提出了一種叫 「eltoo」 的方案來解決上述問題，但需要比特幣分叉支持SIGHASH_ANYPREVOUT操作碼。思路是當過期的承諾交易上鏈後，最新的承諾交易能對其進行懲罰，這樣用戶只保存最新的承諾交易即可。但是SIGHASH_ANYPREVOUT操作碼至今還未激活，該方案遲遲不能落地。
而 Fiber實現了Daric協議，修改了撤銷密鑰的設計，讓同一個撤銷密鑰適用於多筆過期的承諾交易。這樣可以大幅減少WatchTower以及用戶客戶端的存儲壓力。
網絡中的交通系統：多跳路由和 HTLC/PTLC
前面講的支付通道僅適用於1對1交易的場景，而閃電網絡支持多跳支付，即通過中間節點來路由，讓未直接建立通道的兩方間能夠轉帳，比如說Alice和Ken沒有通道，但Ken和Bob間有通道，Bob和Alice間有通道，Bob就可以作為Alice和Ken之間的中間節點，讓Alice和Ken之間可以發生轉帳互動。而 「多跳路由」就是指通過多個中間人搭建轉帳路徑。
「多跳路由」能夠增強網絡的靈活性和覆蓋範圍。不過，發送方需要了解所有的公共節點和通道的狀態。 在Fiber中，所有公開通道即網絡結構是完全公開的， 任何一個節點都可以獲知其它節點掌握的網絡信息。由於閃電網絡中整個網絡的狀態是不斷變化的， Fiber會使用Dijkstra最短路徑算法找到最短路由路徑，讓中間人數量儘可能的少，然後在兩方之間架設轉帳路徑。
不過這裡面要解決中間節點的信用問題： 你怎麼保證他是誠實的，比如前面提到Alice和Ken之間有中間人Bob，Alice現在要給Ken轉帳100塊，Bob隨時可能扣住這筆錢。對此要有辦法防止中間人作惡， HTLC和PTLC便用於解決此類問題。
假設Alice要向Daniel付款100塊，但他們之間沒有建立通道。而Alice發現，可以通過Bob和Carol這兩個中間人向Daniel付款。這裡面要引入HTLC作為支付渠道， 首先Alice向Daniel發起請求，然後Daniel發給Alice一個哈希r，但Alice不知道r對應的明文R。
之後，Alice在與Bob的通道中，通過HTLC構造支付條款：Alice願意付給Bob 102塊，但Bob要在30分鐘內說出密鑰R，否則Alice會把錢撤回。同理Bob再跟Carol創建HTLC：Bob會向Carol支付101塊，但Carol要在25分鐘內說出密鑰R，否則Bob會把錢撤回。
Carol如法炮製，在和Daniel的通道中創建HTLC：Carol願意支付100塊，但Daniel要在20分鐘內告訴她R的明文，否則錢會被Carol收回。
Daniel明白，Carol索要的密鑰R其實是Alice想要的，因為除了Alice沒人會在意R的內容是啥。 所以Daniel會配合Carol，告訴她R的內容，並從Carol那拿到100塊，這樣子Alice就實現了目標：給Carol 100塊錢。
之後的事情不難想像：Carol把密鑰R告訴Bob，拿到101塊錢；Bob再把密鑰R告訴Alice，拿到102塊錢。 我們觀測所有人的得失，可以看出Alice失去102塊錢，Bob和Carol淨賺1塊錢，Daniel得到100塊。這裡面Bob和Carol賺的1塊錢就是它們從Alice那抽的手續費。
即使上面的支付路徑中某個人卡住，比如Carol沒有把密鑰R告知下遊的Bob，也不會讓Bob有損失：過時間後Bob可以把構建的HTLC撤回。對於Alice也是同理。
但閃電網絡也有問題：路徑不宜過長，如果路徑太長中間人太多，會降低付款的可靠性： 某些中間人可能離線，亦或是餘額不足以構建特定HTLC(比如前面案例中每個中間人至少要有100多塊錢)。所以在路徑中每增加一個中間節點，都會提高出錯的可能性。
此外， HTLC可能洩露隱私。雖然洋蔥路由可以適當保護隱私， 比如把每一跳的路由信息都加密，除了最初發起者Alice外，每個人只知道相鄰的上下家，不知道完整的路徑， 但實際上HTLC還是容易被推斷出關聯性。 我們以上帝視角看下面這個路徑
假設Bob和Daniel是同一實體控制的兩個節點，每天都會收到很多人發來的HTLC。它們發現，Alice和Carol每次發來HTLC後，要獲知的密鑰總是一致的，而與Daniel相連的下家Eve總是知道密鑰R的內容。 因此Daniel和Bob能猜到，Alice和Eve之間存在支付路徑，因為它們總是和相同的密鑰扯上關係， 藉此推斷出Alice和Eve之間的關係並施加監視。
對此， Fiber採用了PTLC，在HTLC基礎上進行了隱私改良，支付路徑中每道PTLC都用不同的密鑰來解鎖，單純觀測PTLC索要的密鑰無法判斷出彼此的關聯性。 通過將PTLC與洋蔥路由結合，可以讓Fiber成為隱私支付的理想方案。
此外， 傳統的閃電網絡存在「替代交易循環攻擊」（replacement cycling attack）場景，可以讓支付路徑中間人的資產被盜。 這一發現甚至讓開發者Antoine Riard退出了閃電網絡的開發工作。到目前為止比特幣閃電網絡尚未有根本措施解決這個問題，已然成為一個痛點。
目前，CKB官方通過在交易池層面進行改良，可以讓Fiber解決上述攻擊場景。 由於替代交易循環攻擊及解決方案比較燒腦，本文不打算繼續佔用篇幅做出解釋，感興趣的可以閱讀BTCStudy的下述文章以及閱讀CKB官方的相關資料。
總體而言， 無論是在隱私還是在安全層面，Fiber都比傳統的閃電網絡進行了大幅改良。
Fiber與比特幣閃電網絡間的跨域原子支付
利用HTLC和PTLC，Fiber可以和比特幣閃電網絡實現跨域支付，且能夠保證「跨域行為的原子性」，即跨域相關的全部步驟要麼全成功，要麼全失敗，不會有部分成功部分失敗的情況。
跨域原子性有了保障後，可以保證跨域本身不會導致財產損失，這樣 可以讓Fiber與比特幣閃電網絡可以互聯起來， 比如可以在Fiber和閃電網絡組成的混合網絡中搭建支付路徑，直接在Fiber中向BTC閃電網絡中的用戶轉帳（接收端僅限BTC），還可以在Fiber中用CKB和RGB++資產在BTC閃電網絡中換取等價比特幣。
我們簡單說下原理：假設Alice在Fiber網絡內運行了節點，而Bob在比特幣閃電網絡中運行節點， Alice想向Bob轉帳一些錢，它可以通過跨域中轉商Ingrid實現這筆轉帳。具體而言，Ingrid會分別在Fiber和BTC閃電網絡內運行節點，充當轉帳路徑中的中間人。
如果Bob想收到1個BTC，Alice可以與Ingrid協商兌換比率，比如用1個CKB換1個BTC。Alice可以在Fiber中向Ingrid發送1.1個CKB，而後Ingrid在BTC閃電網絡中向Bob發1個BTC，而Ingrid會留下0.1個CKB作為手續費。
這裡面具體的操作方式，其實就是在Alice和Bob與Ingrid之間建立支付路徑，即Alice—>Ingrid—>Bob，然後會用到HTLC。類似道理其實前面有講過，Bob為了收到錢，必須告訴Ingrid密鑰R的內容。一旦Ingrid獲取了密鑰R，就可以解鎖Alice鎖在HTLC裡的錢。
需要注意，這兩筆分別發生於BTC閃電網絡和Fiber中的跨域行為是原子性的，意味著要麼兩個HTLC都被解鎖，跨域支付順利執行。要麼都不解鎖，跨域支付失敗，而不會出現Alice給了錢而Bob收不到錢的情況。
（其實中間人Ingrid可以在知道密鑰R後不去解鎖Alice的HTLC，但這樣受損的是Ingrid這個中間人，而不是用戶Alice，所以Fiber的設計對於用戶是安全的）
這種方式不需要信任第三方，即可在不同的P2P網絡間實現轉帳行為，幾乎不需要任何修改。
Fiber相比於BTC閃電網絡的其他優點
前面我們提到， Fiber支持CKB原生資產，以及RGB++資產（尤其是穩定幣），這使得它在即時支付場景中有極大潛力，更適合日常小額支付需求。
此外， 比特幣閃電網絡有一個主要痛點，就是是流動性管理問題。 大家可能記得我們最開始說的，支付通道中總體餘額是固定的， 若其中一方的餘額耗盡，就沒法向對方轉帳，除非對方先轉錢給他，這個時候就要重新注入資金或打開新的通道。
此外， 如果是在複雜的多跳網絡中，某些中間節點餘額不足無法向外轉帳，可能導致整個支付路徑失敗。 這是閃電網絡的痛點之一，對此的解決方案無外乎提供高效的流動性注入方案，確保大多數節點都能隨時注入資金。
但是， 在BTC閃電網絡中，注入流動性、打開或關閉通道的步驟都在BTC鏈上進行，若BTC網絡手續費極高，會對支付通道的UX產生不良影響。 假設你想開啟一個容量為100美元的通道，但建立通道的操作花掉10美元手續費，那這個通道在初始化時就磨了你 10%的資金，這是讓大多數人無法接受的；對於流動性注入等工作也是同理。
對此Fiber擁有非常顯著的優勢。 首先CKB的TPS遠比BTC高得多，手續費可以達到美分級別；其次，為了應對流動性不足導致無法轉帳的問題， Fiber計劃與Mercury layer合作推出新的解決方案，使得流動性注入的工作可以擺脫鏈上操作，解決UX和成本問題。
至此，我們系統的梳理了Fiber的總體技術架構，其和比特幣閃電網絡的大致對比總結如上圖所示。由於Fiber和閃電網絡本身涉及的知識點太多太雜，單純一篇文章可能無法覆蓋到方方面面， 未來我們將針對閃電網絡和Fiber的話題推出系列文章，大家敬請期待。
