Fiber Network：基於 CKB 的公共閃電網絡

概述

Fiber Network 是一個基於 Nervos CKB 和鏈外通道構建的下一代公共閃電網絡，可以為 RGB++ 資產提供快速、低成本和去中⼼化的多幣種⽀付和點對點交易。

背景

區塊鏈技術的發展與挑戰

區塊鏈技術自比特幣問世以來，經歷了迅猛的發展.從最初的簡單支付功能，逐步擴展到智能合約、去中心化金融（DeFi）、非同質化代幣（NFT）等廣泛的應用領域。儘管區塊鏈技術在安全性、透明度和去中心化方面具備顯著優勢，但其在擴展性和交易速度方面面臨諸多挑戰。

1. 擴展性問題：傳統區塊鏈如比特幣和以太坊在交易吞吐量上存在顯著瓶頸。由於比特幣的區塊大小限制和 10 分鐘的區塊生成時間，其網絡每秒只能處理約7筆交易；以太坊儘管有所改進，但每秒處理交易的能力也遠低於傳統支付網絡。
2. 高昂的交易費用：隨著網絡擁堵的加劇，交易費用顯著上升。例如，以太坊網絡上高峰期的 Gas 費用可能高於交易金額本身，這嚴重影響了用戶體驗並降低了小額支付的可行性。
3. 交易確認時間長：在傳統區塊鏈網絡中，交易需要等待多個區塊確認才能被視為最終確認。這一過程可能耗時數分鐘到數小時，不適用於即時支付的應用場景。

Nervos CKB 雖然在性能以及確認時間上有所改進，但仍然需要進一步提高交易速度和降低交易成本，以滿足小額支付和即時支付的需求。

閃電網絡的啟示

閃電網絡（Lightning Network）作為比特幣網絡的二層擴展解決方案，通過鏈下交易和支付通道技術，成功實現了快速、低成本的微支付。其核心理念包括：

1. 支付通道：用戶在鏈上創建支付通道，通道開啟後，雙方可以無限次地進行鏈下交易，只有在通道關閉時才進行鏈上結算。這顯著減少了鏈上交易數量，提升了交易速度，降低了交易費用。
2. 哈希時間鎖合約（HTLC）：通過 HTLC 技術閃電網絡可以確保資金的安全轉移，避免交易對手風險。即使在鏈下交易失敗的情況下，用戶也能通過鏈上合約獲得資金保障。
3. 路由機制：閃電網絡使用多跳路由，使得用戶不需要與收款方開設直接通道即可完成支付，因此提高了網絡的靈活性和可用性。

Nervos CKB 的優勢

Nervos CKB 是一個專注於通用性和安全性的區塊鏈平臺。其獨特的設計使其在解決區塊鏈擴展性和互操作性問題上具備獨特優勢：

1. 共識機制：基於 NC-Max[1] 共識協議，同時在結合了工作量證明（PoW）和狀態租賃機制，確保網絡安全性和資源利用的有效性。
2. 強大的智能合約模型：CKB 獨有的 Cell 模型和 RISC-V 指令集虛擬機大大增強了 UTXO 模型的能力，不僅支持圖靈完備的智能合約，還能輕鬆實現抽象賬戶以及 covenant 等特性，為去中心化應用提供了更靈活的可編程性，以及更好的互操作性和擴展性。
3. 經濟模型：CKB 的經濟模型鼓勵長期持有和合理使用網絡資源，為去中心化應用，開發者和用戶提供了安全可持續的去中心化生態環境。

Fiber Network 項目的意義

通過在 Nervos CKB 上構建鏈外通道，我們希望結合閃電網絡的成功經驗和 CKB 的技術優勢，構建一個快速、低成本和去中心化的多資產實時支付交換網絡。具體而言：

1. 解決擴展性問題：通過鏈下支付通道和多跳路由技術，Fiber network 可以實現高吞吐量的交易處理，從而滿足大規模用戶的需求。
2. 降低交易成本：減少鏈上交易頻次，降低用戶的交易費用，使得小額支付變得可行和高效。
3. 提高交易速度：通過即時確認的鏈下交易，實現秒級支付確認體驗，適用於各種即時支付場景。
4. 多資產支持：支持多種數字資產的支付，為用戶提供更廣泛的支付選擇。
5. 支持網絡互操作: 支持與比特幣閃電網絡的互操作，為跨鏈支付和資產轉移提供支持。

架構設計

總體架構

Fiber Network 總體架構包括以下核心模塊：

• 鏈下支付通道（Fiber Channels）
• 鏈上合約（HTLC）
• 多跳路由（Multi-Hop Routing）
• 監控服務（Watchtower Service）

鏈下支付通道

鏈下支付通道是 Fiber Network 的核心，通過它可以實現多次鏈下交易，僅在通道關閉時進行鏈上結算。這種機制顯著減少了鏈上交易的數量，提高了交易速度和降低了交易費用。

大致的工作流程如下：

1. 通道創建：雙方用戶在鏈上創建支付通道，鎖定一定數量的 CKB 或者 RGB++ 資產。
2. 鏈下交易：在通道開啟期間，雙方可以任意次進行鏈下交易，每次交易都更新通道狀態，但不需要立即廣播到鏈上。
3. 通道關閉：當任一方決定關閉通道時，將最後的通道狀態廣播到鏈上進行結算，確保雙方的最終餘額得到確認。

具體的消息交互格式可以參考 Fiber Network P2P Message Protocol[2]

鏈上合約

目前我們採用哈希時間鎖合約（HTLC） 來確保鏈下交易的安全性併兼容閃電網絡。通過它可以避免交易對手風險，確保即使在鏈下交易失敗的情況下，用戶也能通過鏈上合約獲得資金保障。

大致的工作流程如下：

1. 交易發起：支付發起方創建一個帶有哈希鎖定和時間鎖定條件的交易，鎖定一定數量的 CKB。
2. 哈希驗證：支付接收方必須在規定時間內提供正確的哈希原象，才能解鎖交易，完成資金轉移。
3. 超時退款：如果接收方在規定時間內未能提供正確的哈希原象，交易將自動解鎖並退款給支付發起方。

得益於 CKB 的圖靈完備性，我們可以實現更靈活以及更安全的鏈上合約。之後會進一步擴展合約的功能，比如引入基於版本號的撤銷機制和更安全的 Point Time-Locked Contracts。

多跳路由

多跳路由技術允許用戶在沒有和對方直接建立支付通道的情況下，通過多箇中間節點完成支付。這種機制增強了網絡的靈活性和覆蓋範圍。

工作流程：

1. 路徑發現：支付發起方通過路由模塊發現從自身到支付接收方的最優路徑。
2. 路徑鎖定：在路徑上的每個節點都創建相應的 HTLC 合約，確保資金安全轉移。
3. 支付完成：支付接收方解鎖 HTLC，資金依次轉移到路徑上的各個節點。

同時我們也會在這裡用HTLC合約實現跨鏈的支付，通過 cross-chain hub service 的方式來支持與閃電網絡的互操作，具體可以參考 Payment Channel Cross-Chain Protocol with HTLC[3]

監控服務

監控服務是 Fiber Network 的重要組成部分，它負責監控鏈下支付通道的狀態，確保通道的安全性和資金的安全。功能和作用如下：

1. 通道監控：實時監控所有參與用戶的支付通道狀態，包括通道創建、更新和關閉的過程。
2. 異常檢測：檢測通道中的異常活動，如惡意用戶試圖以舊狀態關閉通道或企圖雙花攻擊。
3. 主動響應：在檢測到異常時，及時向區塊鏈網絡廣播最新的通道狀態，防止惡意行為導致的資金損失。

當前進展和計劃

目前我們已經完成一個 Fiber Network 的原型，實現了兩個節點之間的通道的創建、更新和關閉的基本功能，同時也驗證了和比特幣閃電網絡做跨鏈的功能。項目代碼可在這 2 個 GitHub 倉庫中找到：

接下來的工作計劃準備完成多跳路由和監控服務，以及完善 RPC 接口和 SDK，使得更多的開發者可以方便的接入 Fiber Network。

多跳路由協議基於 Dijkstra 算法來搜索支付路徑，以此降低路由費用，並提高多跳路徑支付成功率。在 Fiber Network 上線運行之後， 我們會根據網絡流量和運行情況優化路由算法， 預計將會提供 2～3 種路徑搜索策略，以適應用戶不同的路由偏好和需求。Fiber Network 還將引入多路徑支付策略，將較大的支付額分成多份，每一份由不同的路徑傳送，進一步增加支付成功概率。

監控服務將由 Fiber Network 中的一些節點提供， 他們保持在線，關注網絡中的異常情況，幫助保護通道中的資產。監控服務還將追蹤 cross-chain hub service。即使用戶在一段時間內離線， 監控服務也能確保與閃電網絡的交換能成功進行。

此外，我們還將考慮在 Fiber Network 中加入更多功能，比如，利用 CKB 的可編程性實現隱私保護算法， 並基於此優化路由算法和監控服務，保護用戶支付信息的安全和隱私。