NET:硬核：一份關于支付網絡中路由問題的全面研究_ENT

區塊鏈因Layer1的交易吞吐量上限而常被詬病，離線支付網絡提供了一種「線下支付線上結算」的解決方案，為區塊鏈世界的支付賦予了幾乎無限的交易吞吐量。因而，支付網絡成為了當前最為熱門的區塊鏈研究與工程實踐方向之一。

經過多年國際學者與工程的發展，支付網絡的若干子研究方向已有了大量的論文研究和工程實踐，已經不易遍歷閱讀和詳盡了解。然而，當前階段對于這一重要的研究方向，雖然多數區塊鏈領域的人士對其基本思想有所了解，但對其最新進展具有較全面追蹤的國內極客與學者還不多。

本綜述系列面向對這一領域具有興趣的極客和學者，剖析若干子方向，歸納最新研究進展、提出筆者的思考。作者是熱愛研究的Nervos小伙伴?Shor，現為上海交通大學博士。

本文中，我們默認讀者具備了對于支付網絡的基本了解。在部分描述中，我們會將支付網絡看作一張圖論意義上的圖，每個參與者看作一個節點，每個支付通道看作一條圖上的邊。所以下文中筆者會不自覺地用「圖」來指代一個支付網絡，用「節點」來指代一個參與者，「邊」字來指代一個支付通道。

路由，即一個需要在支付網絡上發送交易的人和交易接收者與圖上其他節點共同互動而決定支付路徑的過程。當然，嚴格而言，這不一定是一條路徑，而可能是一系列路徑組成的一個有向無環圖，由于其他學者似乎尚未對此范疇采用新名詞，因而筆者將此系列路徑的總和命名為?transactionpattern。

1、基于網絡流的路由協議

一地址自8月20日以來以均價0.94美元共借入50萬枚ARB:金色財經報道，據The Data Nerd監測，20小時前，地址0x2d8以170枚wstETH從RDNT Capital借入30萬枚ARB。自8月20日以來，他以平均價格0.94美元總共借了50萬枚ARB，目前損失了13500美元。[2023/9/4 13:16:05]

用一個網絡流模型刻畫支付網路的整體狀態具有以下優勢：首先，網絡流準確刻畫了各支付通道的總額度、余量，使用現有的最大流算法可以找到兩點之間可以達到的最大支付總額，并且高效地找出一組可行路徑。接下來，筆者簡要介紹一下網絡流問題。

Hint：「基于網絡流的路由協議」是筆者所擬的名稱，其在大多數文獻中對應的詞組是?SourceRouting。其原因是這一類路由的過程得由源節點本地完成，其過程中默認源節點掌握了整張支付網絡的拓撲結構，并且可以動態探測任意支付通道中的余量。然而，所有已有的SourceRouting方案都是基于最大流算法的，所以筆者大膽地改換了稱呼，以便讀者理解。

網絡流問題簡介

我們用網絡流模型中的一個殘量網絡表述一個支付網路的整體狀態，其本質是一個四元祖

這個基于線性規劃的嚴謹定義并不方便觀眾們理解。筆者畫了以下的圖片來幫助讀者理解最大流問題的定義。下圖中是s1到t1的最大流為10單位。

倘若把s1到t1的10單位的額度全部用盡，并不只一種方案，其中一種「增廣」方案使用后如下圖。

ETH 2.0總質押數已超1801.60萬:金色財經報道，數據顯示，ETH 2.0總質押數已超1801.60萬，為18016007個，按當前市場價格，價值約338.73億美元。此外，目前ETH 2.0質押總地址數已超57.95萬，為579515個。[2023/4/8 13:51:31]

此時，s2到t2的最大流依舊為10單位，不過方案唯一。如果恰好把?單位流量用完，則全圖殘量網絡如下。

常用的最大流算法包括預留推進算法和一類基于增廣路定理的最大流算法，其中包括了?Edmonds-Karp?算法以及他的衍生算法如?ISAP?算法和?Dinic?算法。

不難發現，對于大額支付，我們可以通過最大流算法得到兩節點之間的最大可能支付額度。如果支付金額小于這個額度，我們也就通過最大流算法確立了一個支付方案。

2、基于燈塔節點的路由協議

基于燈塔節點的路由協議的總體思路如下。首先，每個節點都有資格成為燈塔節點，每個節點都有權利選擇讓哪些燈塔節點來協助路由。這個大前提基本保證了路由方案的去中心化特性不被打破。

然后，為了提供一定的額度隱私性并增加支付成功的概率，每一筆支付的額度被分為|L|份，每一份由不同的燈塔節點協助完成傳輸。對于不分片的情況，我們認為|L|=1。而燈塔協助傳輸的方式則是根據自己的視野為這筆金額安排一條通道，并通過與這些通道上的節點通訊獲取這個通道上可以通過的最大額度。

Iron Bank：不接受Alpha Homora的提案，并繼續暫停其賬戶:3月7日消息，Iron Bank表示，已經收到了Alpha Homora的私人提案，但認為這是不可接受的。Alpha Homora的帳戶繼續被暫停。這是他們一再未能履行承諾的直接結果。他們最終的失敗是他們無法按要求補充抵押品。沒有資金動用；沒有發生扣押或挪用的情況。 Iron Bank將繼續保護所有Iron Bank用戶。

此前3月5日消息，Alpha Homora向Iron Bank提出壞賬解決方案，包括退回非以太坊鏈上的客戶資金。[2023/3/7 12:47:44]

早期方法

基于Landmark的路由協議思路來自于計算機網絡領域的研究。其中的常見組件如下。

雙向BFS尋找最短路徑

圖嵌入

通過這樣的編碼方式，可以高效地確定兩個節點之間的一條路徑——即從付款節點到兩節點的最近公共祖先的唯一路徑拼接上從LCA到收款節點的唯一路徑。

SilentWhispers?與?SpeedyMurmurs

SpeedyMurmurs直接采用了分片支付的方案。除此以外，與SilentWhispers的一大不同是，SpeedyMurmurs中燈塔節點利用樹基圖嵌入的方式提供支付路徑，其出發點針對SilentWhispers雙向BFS樹在動態網絡環境下維護的困難性，即使是拓撲距離非常靠近的兩個節點間路由也要經過Landmark節點，以及極差可并發性的問題。?

FTX Digital清算人計劃出售240萬美元車輛等實物資產:金色財經報道，根據FTX巴哈馬子公司FTX Digital Markets聯合臨時清算人發布的報告，截至2022年11月10日，FTX Digital在銀行的現金總額為2.195億美元，包括富達銀行、Silvergate Bank、Deltec和Moonstone銀行等。約有4480萬美元存放在清算人拒絕透露名稱的銀行。

清算人還要求轉移以FTX Digital名義持有的4670萬美元USDT賬戶，并等待Tether將資金轉入其托管賬戶。即將進入清算市場的是FTX在巴哈馬價值50萬美元的辦公家具/設備以及13個裝滿FTX“實物商品”的租賃倉庫。資產清單中還包括240萬美元的車輛，債權人希望盡快出售它們，以避免貶值。[2023/2/11 12:00:29]

3、基于數據網絡方法的路由協議

由于以上的路由方案都沒有充分考慮實際支付網路的動態性。所以部分來自計算機網絡背景的學者提出了將數據網絡中的路由辦法直接用到支付網絡中的若干方案。由于數據網絡的路由理論已經在計算機網路領域非常成熟，這一類方案具有較高的可靠性。動態性也給這類方案提供了非常可觀的效率。其中最為經典的是?Spider?協議。

Spider?將支付網絡類比為數據傳輸層，使用數據網絡的方法進行動態路由。為了和數據網絡的模型匹配，在此方案中，我們依舊假設所有的通道都是雙向的。類似于數據網絡中的數據包，每一筆交易被拆分為若干金額包通過不同路徑尋路。每個金額包被直接通過支付網路通道傳輸并最終抵達收款者，其轉發過程中的節點都鎖定了相應額度。在完成了尋路后，根據各個金額包的轉發路徑完成最終支付。

數據：公鏈Canto總鎖倉量突破7700萬美元:8月24日消息，據 DeFiLlama 數據顯示，公鏈 Canto 總鎖倉量（TVL）突破 7700 萬美元。[2022/8/24 12:44:50]

然而，支付網路和數據網絡的一大區別在于通量限制的存在。因此，每個通道都會對應一個隊列保存所有還沒能以當前通量完成傳輸的金額包。只有當有足夠的通量從通道的另一側傳來，這個隊列中的金額包才能繼續傳輸。值得注意的是，雖然我們用一個金額包的傳輸過程來描述動態路由過程，其實質是一個尋路與鎖定的過程，倘若不加注意會把這個路由過程誤以為是支付過程。

4、混合路由協議

通過對?Ripple?和?Bitcoin?支付網絡的實際分析，最新的調研發現：

支付網路有必要支持大額交易；

大額交易需要更加側重支付成功率，小額交易應該更加注重效率。

基于這一發現，Flash?協議用基于最大流的路由方案來完成大額金額的支付，用基于數據網絡的路由方法進行小額金額的支付。由此，大額交易的支付成功率和小額交易的效率得以兩全。

各類路由方案的對比與分析

筆者在以上表格?Tab.1?中，列舉了各類非混合路由協議的優勢與劣勢。由于難以量化，具有一定的主觀色彩。

5、未來研究展望

接下來，筆者提出若干研究展望，并在文末提出這方面科研中可能遇到的問題。

?熟悉「基于增廣路的最大流算法」的朋友們應該了解，這類算法都需要為每條邊配備上一條「反向邊」用來描述一種算法中需要用到的回流。而我們可以驚訝地發現，這種回流正好對應地刻畫了雙向支付通道中從另一個方向的額度沖抵。因而增廣路定理保證了哪怕在支付網絡上無規則地「增廣」，最后也一定會完成任一筆不超過最大流額度的支付。這樣，我們就得到了一種完全「動態」的基于最大流的路由算法。這一點似乎并未被現有文獻提及。當然，對于絕大多數小額交易，用這個算法太過于殺雞用牛刀了。但筆者相信對于早期支付網絡中遇到的巨額交易，這個思路會派的上用處。

?可以用「最小費用最大流」來取代底層最大流，使得有多種選項時算法可以挑出一組長度最短、總過路費最少的路徑方案。學過一種「最小費用最大流」算法的朋友此時應該能明白筆者的寓意，在此不再展開。

?通過支付網絡相關智能合約代碼的重構，或者通過另類?landmark?節點的設立，「指導」參與節點建邊，以系統性地改進網絡的拓撲結構。筆者曾對可能由各個?landmark?引向的結構做過不少暢想，其中包括基于?hypercube、以?landmark?為根的平衡樹、以?landmark?為根的?link-cut-tree?等等。

如想在這一方向深入科研，尤其如果在以縮短平均跳數為目的，可能存在兩大問題：

第一個問題

實事求是地，當前的支付方案在當前的支付網絡規模中已經做得夠好了。根據?SpeedyMurmurs?論文中的實驗數據，其已經可以在鼎盛時期的?Ripple?網絡中達到平均?2?到?4?跳數的水準。在此之上再做優化又能如何呢？更優美且能在未來百千萬、上億規模支付網絡中取得更好結果的算法，在當前支付網絡下興許反而因為較大的「常數」而并不能取得一個更好的結果。當然，基礎研究是要面向未來大規模支付網絡的未來的，但面向未來的研究得要在大規模的網絡上進行模擬實驗才能具有公信力。接下來筆者來闡述一下大規模支付網絡的拓撲結構的模擬是如何不可為的。

第二個問題

難以進行合理的模擬實驗。首先，實事求是地說，當前階段的現實網絡中的多數參與者尚且是少數極客精英和資本，其拓撲結構肯定和未來的真實網絡大相徑庭。其次，筆者認為社交網絡中的若干模型并不能真實反應支付網絡未來之拓撲結構，例如，筆者并不覺得社交網路中常用的「Watts?圖」可以刻畫好未來的這個網絡，因為大多數節點不會去建很多條邊使得圖的?density?達到出現?small-worldphenomenon?的?threshold，Watts?圖的大前提不會成立。總而言之，筆者認為，一個對未來支付網絡拓撲結構的研究，于今至關重要，是若干支付網絡更多研究發展的大前提。

References

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