要了解閃電網路的工作原理，就要先明白比特幣交易的工作原理，以及UTXO和比特幣指令碼的定義。閃電網路是在UTXO和比特幣指令碼之上設計的一種激勵機制。
簡單概括——兩個系統與三種交易
閃電網路的誕生原因非常簡單。如果你打算烹飪兩個雞蛋作為早餐，就不會每天都去Costco超市購買兩枚雞蛋。相反，你會一次性買上幾十個雞蛋囤起來，免去每天都去超時購買雞蛋的麻煩。相對而言，比特幣作為一種轉賬服務，交易速度本身較慢。每秒只能處理大約7筆交易，與Visa或萬事達等其他支付網路相比相差甚遠。為了解決交易速度慢的問題，就像儲存食物一樣，我們可以在比特幣網路的線下儲存一些代幣，再建立一個支付系統，於是閃電網路出現了。
有兩個系統需要區分下，一個是原始的比特幣網路，另一個是閃電網路。兩個網路系統用不同的交易方式來流通比特幣，根據資金流向的不同，可以分為以下幾類：
· 比特幣網路，也就是當前大多數轉移比特幣的方式，我們稱之為第一層交易。
· 閃電網路，一種更快轉移比特幣的方式，我們稱之為第二層交易。
· 在閃電網路和比特幣網路之間轉移，我們稱之為跨層交易。稍後，我們將看到，跨層交易本質上是一個第一層交易，而閃電網路是比特幣區塊鏈上一個獨立實體。
在本系列中，我們將詳細討論這三種型別的交易。
第一層交易
比特幣被形容為分散式賬本，也就是說它是一本記錄每個人賬戶資訊的賬本，人人手中都有一份副本。但是賬本里麵包含了什麼內容？如何記錄？使用什麼格式？在繼續之前，先把重點劃出，這樣便知把注意力放哪裡了。我們無需關心比特幣的生成過程，也就是說這裡不討論挖礦。我們關心的不是密碼學的用途，而是它經受住了時間的考驗。即便比特幣應用的加密函式符合法律要求，也沒有科學家或數學家能證明比特幣萬無一失。事實曾有高手試圖破解比特幣，但都失敗了，這給了些許信心。
UTXO是什麼——樹和連結串列
你曾思考過計算機如何儲存資料嗎？計算機不能隨隨便便儲存一條資訊，就像圖書館裡不能隨意排放書籍一樣。因此計算機需要以某種方式排列資料，便於管理才行。於是資料結構發揮作用了。計算機需要根據具體情況使用一組不同的預定義格式，以有序的方式存放資料。兩種格式，也就是亟待我們理解的資料結構鏈式列表和樹格式。
當我們觀察母親和她們的孩子時，樹狀結構就像她們的家譜。
上圖中最上方的Grandmother（祖母），用計算機術語來表示為樹的“根”，最下方的一列稱為樹的“葉”（堂兄弟姐妹以及你）。連結串列是一種特殊的樹，從樹中的葉子瀏覽到根獲取一段資訊。譬如，你想列出所有為你捐過錢的人，它會是這樣的，
也可以表示為帶有連結項的列表，
現在讓我們看看比特幣如何在設計中應用樹和連結串列的。
通常，當你透過銀行轉賬時，比如你要給愛麗絲匯100美元。發生的情況是，錢將從你的銀行賬戶中扣除，愛麗絲的賬戶餘額將相應增加100美元。錢是從一個賬戶流向另一個賬戶，而比特幣則不是這樣。在比特幣中，你沒有賬戶，只有交易記錄。例如，鮑勃是一個礦工，有一筆屬於他的25個比特幣的記錄，這個記錄會被真實地寫成，
當鮑勃決定花費這25個比特幣時，他必須把25個比特幣當作根，並形成樹狀結構。如果他想以1ETC的價格從埃隆·馬斯克手中購買一輛特斯拉，他會產生3筆新記錄，
· 支付給埃隆·馬斯克1 BTC；
· 付給礦工的交易費，假設是0.00001 BTC；
· 剩下的錢以零錢的形式轉回給自己，也就是23.99999。
這些記錄將被放入樹中，
一旦這棵新樹建立起來，鮑勃就會進行傳播，告訴其他比特幣賬戶所有者（比特幣節點）更新他們的賬簿，這樣每個人都知道鮑勃已經傳送了1 BTC給埃隆·馬斯克。但如何確保別人不會作弊呢？似乎沒有任何保護措施阻止他人改寫這些記錄，其他人能簡單地把這些記錄的所有者變成他們自己，從而竊取這些錢嗎？這個問題，我們稍後再討論。
一旦埃隆·馬斯克聽到廣播，並對交易獲得的確認數感到滿意，他就可以把特斯拉交給鮑勃了。好了，現在埃隆·馬斯克覺得無聊了，他決定從兩個經銷商50 Cent和Snoop Lion手裡購買一些大麻，每人支付0.001 BTC, 埃隆·馬斯克會像鮑勃那樣更新記錄，將交易記錄做成一棵樹，用1 BTC作為根，看起來就是這樣，
現在整個賬本看起來是，
如果鮑勃此時決定再次花費記錄的25個BTC來作弊，他能做到嗎？當然，他可以隨心所欲地畫這棵樹。然而，由於每個人都有一份原始記錄的副本，表明鮑勃已經花費了25個BTC，如果鮑勃試圖廣播偽造的記錄，整個網路將拒絕它，因為它與“真實的”歷史不同。要成功地完成第一層交易，通常需要三個步驟。
1.建立交易，在原來的樹上添上交易，更新原來的樹。
2.在交易上簽字，證明你花的錢屬於你本人。目前，我們使用Owner欄位來表示所有權。稍後，我們會看到，我們在記錄上簽名來花費這筆錢。
3.廣播，將交易記錄傳送到比特幣網路，其他人驗證、確認和更新自己的記錄。
整個過程就像用支票轉賬一樣。任何人都可以在支票上寫上金額，但支票只有在你簽字後才有效，而且收件人需要將支票存入自動櫃員機才算支付完成。你可以但沒必要簽署大量的支票，只要支票成功存入便可以了。在比特幣中，你可以建立大量相同記錄的交易，卻不廣播。因為一經廣播，只會接受（確認）一筆交易。這個特性使閃電網路成為可能，在大多數情況下，閃電網路所做的就是建立交易而不廣播這些交易。
一個小小修改
在真實的比特幣交易中，不會明確記錄支付的交易費用。相反，交易費用是隱式給出的。
建立新交易時，遵循新記錄的比特幣總額不能大於舊記錄總額的規則。便是用舊費用減去新費用的總額來計算所支付的交易費用。在鮑勃的例子中，交易費用為25-23.99999-1=0.00001BTC。更新後的分類帳資料如下所示，
從技術上講，你可以不支付交易費用，但沒有人這樣做，因為這樣你交易會一直懸在空中。
輸入和輸出
到目前為止，我們只提到了單個記錄和單個記錄形成的樹。但交易到底是什麼呢？
在我們的例子中，如果鮑勃決定再次花費比特幣，他將遵循以下步驟，
1.在整個樹中查詢a）屬於他的記錄（所有者：鮑勃）和b）他還沒有花費的記錄，在我們的示例中，餘額是23.9999 BTC。
2.將把23.9999 BTC記錄作為根，並在其上繪製一個新的子樹，子樹上的葉子是傳送給接收者的記錄。
3.將新建立的子樹廣播到網路中，一旦它被驗證，子樹就將包括在整個樹中，也就是每個人手中共享的賬本當中。
根據我們的示例，子樹是最接近代表交易的術語。如果我們將交易過程看成一個管道，將未花費的記錄作為輸入，新建立的記錄作為輸出，交易就是轉化輸入和輸出的一段資訊，回答錢來自哪裡轉向何處的問題。這也表明我們可以同時有多個輸入。如果鮑勃在樹中有多個未花費的記錄，一次只能使用一條記錄，那麼使用這些錢將是一段乏味的體驗。因此，儘管分類賬的結構保持一致，但交易資料卻有所不同，如下圖所示，
鮑勃的交易
埃隆·馬斯克的交易
好奇鮑勃是怎樣得到自己這筆錢的？這裡有一筆coinbase交易，向系統生成比特幣，
Coinbase交易
對於使用比特幣的人來說，需要一直在交易的輸出部分找到未花費的記錄。在比特幣中，不存在賬戶的概念。相反，一個可花費的單元是一個未花費的交易輸出，因此我們將它命名為未花費的交易輸出，簡稱UTXO。在此階段，記錄ID的概念可能會被拋棄。如果你從Transaction 00檢查到Transaction 02，三個交易輸出都在一筆交易當中，三個交易輸入都來自舊交易的輸出，因此沒必要再給每個輸出一個單獨ID。可以參考交易輸出中的序列號，即Transaction 00中的第二個輸出或Transaction 02中的第三個輸出。最終的交易資料如下：
鮑勃的交易
埃隆·馬斯克的交易
於是你有了一個基於交易的系統，即比特幣。現在我們深入探討如何確保交易的安全性。
比特幣指令碼——基礎
在上述的例子當中，要傳送交易時，只需在所有者欄位中寫下接受者姓名，並祈禱其他記賬者不會動用這筆資金。但世界不是這樣運作的。在傳統世界，沒有第三方的干涉、監督與管理，就無法建立信任。比特幣用解決難題的方法建立信任，傳送者建立一個難題，能解決這個難題的人就能花費這筆錢。例如，如果愛麗絲要給鮑勃傳送1個BTC，她會使用自己其中的一個UTXO，並建立一個如下所示的交易，
愛麗絲髮送一個BTC給鮑勃
一旦愛麗絲廣播了這筆交易，網路就會意識到愛麗絲的UTXO已經用完了，誰能解開這個難題，誰就擁有這筆錢。當鮑勃從網路上看到愛麗絲完成付款時，就可以交付之前承諾的商品或服務了。
如果鮑勃想花費他的錢，將錢傳送給查理，他需要，
1.解出UTXO中指定的原本難題，就像解鎖屬於自己的錢一樣。
2.提供一個只有查理答案的新難題，就像用查理的鎖把錢鎖起來一樣。
簡化的交易如下所示，
鮑勃傳送一個BTC給查理
當查理想要使用自己的UTXO時，也是同樣的流程。愛麗絲的UTXO也是來自其他人（或屬於她自己），當她使用它時，她也需要為指定的難題提供一個答案。整個交易全貌如下，
連結在一起的UTXO列表
現在你瞭解了。UTXO由三部分組成，
· 前業主的解決方案；
· 比特幣數量；
· 當前所有者的新難題。
很快，我們將把這三個部分對映到交易的全貌中。
驗證交易
交易難題相當於一把鎖，確保只有特定的所有者才能開啟這把鎖。但作為接收者，如何確定自己已經拿到錢了？
讓我們看看之前的例子，一個簡化的樹結構，
如果想要檢查從埃隆·馬斯克那裡收到的錢是否合法，就要重點檢查這顆樹上的連結串列。
要檢查就需要驗證這個連結串列當中的所有難題解。按降序排列，會是這樣，
· 檢查埃隆·馬斯克提供的解（藍色框）可以解出埃隆·馬斯克的難題（棕色框）；
· 鮑勃提供的解（棕色框）可以解出為鮑勃的難題（灰色框）；
· 檢查礦工提供的解（即灰色框中的鮑勃）可以解出礦工的難題。
一旦驗證完畢，就能確保交易是合法的。針對所有的記賬者，即比特幣節點，每當他們收到新交易，這個驗證流程是他們在更新自己副本資料前需要做的。針對50美分的最後一步是檢查難題確保錢是給到他。如果是，就等待一段時間，直到該交易獲得足夠的確認數。一旦錢到賬，就能確定這筆錢是屬於他的。
什麼是難題？
難題可以是任何內容，只要它是可計算的。例如，A加B等於4（求A,B），也算是一個簡單的難題。再例如，像宇宙的目的是什麼就不算一個難題，因為這個問題沒有答案，至少這個問題還無法定論。
那麼，從結構和語義上來說，難題到底是什麼呢？
第一步是理解難題使用的語言。當你想讓電腦為你做某事時，你需要說一種它能理解的語言。比特幣存在於電腦中。當你想用比特幣做一個難題時，你必須說它能理解的語言。在這種情況下，難題使用的是一種名為比特幣指令碼的語言。
這個時候你可能會猶豫要不要學習一門外語，其實只要會一些基礎知識你就能明白比特幣的強大。比特幣指令碼是一門相當簡單的語言，我會進行演示，而不用語言來解釋為什麼這樣為什麼那樣，足以讓所有人理解閃電網路的工作原理。如果你感興趣，可以觀看這個講座，以及閱讀這本書。
比特幣指令碼魔法
在紙上做加法時，比如二加三，你只需要寫，
在比特幣指令碼中，你可以這樣寫，
如果你與大多數人一樣，從左讀到右，再從上讀到下，可能會對比特幣指令碼的順序感到迷惑。之所以這樣寫，是因為計算機對事物的理解與常人不同。
要理解比特幣指令碼如何工作，一個方法是想象經典學校遊戲“河內塔”（towers of Hanoi）的畫面。
比特幣使用的是一個變化版本。左邊的一堆盒子，類似比特幣指令碼中的指令。
當比特幣處理它的指令碼時，它用的是一個死板且相當嚴格的方法。它會從左邊的棍子裡拿出一個盒子，然後放到右邊。根據指令的內容，它可以使用預定義的規則執行額外的任務。例如，上面提到的加法指令碼可以表示為：
程式如下，
1.電腦作用於最上面的盒子。在本例中，提取整數2並放到右邊。
2. 再次提取左邊最上面的盒子，即整數3，並將其放到右邊。
3.它一直作用於最上面的盒子，直到提取完所有盒子。最後一個盒子OP_ADD表示加法運算，提取出來並放到右邊。OP_ADD是一個預定義的指令，它所做的就是將下方的兩個盒子相加，並建立一個新盒子來返回總和。所以在右邊的棍子上留下了一個數值為5的盒子。
OP_ADD是許多預定義指令之一，我們將這些指令統稱為指令集或操作碼。完整的指令集可以檢視這裡的連結。本文，我們只重點關注閃電網路的工作的指令集。
比特幣使用的語言被稱為比特幣指令碼。然而，當一組指令放在一起形成一段程式碼時，我們稱之為指令碼。如果把比特幣中的操作碼放在一起，我們也把它命名為一個指令碼，或者更具體地說，一個比特幣指令碼。
指令碼
現在該揭開前面提到的用比特幣指令碼編寫的難題和解對的面紗了。技術術語是鎖定指令碼（puzzle）和解鎖指令碼（solution）。驗證完後，我們會將解鎖指令碼放在鎖定指令碼之上，並透過一個比特幣客戶端執行它。
如果結果錯誤（用數字0表示），通常意味著所提供的解鎖指令碼（解決答案）不正確，因此交易無效。否則，如果結果為正確，且是除0之外的任何整數，則可以確保交易有效。
在我們前面的例子中，指令碼2 3 OP_ADD是一個糟糕的鎖定指令碼，因為它返回了數字5，這意味著驗證結果總是為正確，因此任何人都可以使用5作為答案。如果鮑勃從愛麗絲接收到一個交易，他希望的是隻有愛麗絲提供的鎖定指令碼才能解鎖。
使用一個名為數字簽名的加密應用程式解決了這一問題，數字簽名是當今網際網路上廣泛使用的一種工具。在討論數字簽名時，需要關注四點，
· 簽署的訊息可以是任何內容，從句子到文件。簽署的訊息是鮑勃想要取得所有權的東西。在本例中，是愛麗絲髮送UTXO交易中包裝的內容。
· 私鑰，由鮑勃作為秘密儲存。他使用私鑰對訊息進行簽名，這涉及一個複雜的數學過程並輸出簽名。
· 簽名，使用私鑰簽署訊息的結果。
· 公鑰，一把公鑰匹配一把私鑰。每個公鑰只能對映一個私鑰。正如“公鑰”一詞意味著公開，因此所有人都能看到鮑勃的公鑰。
除了鮑勃的私鑰是隱秘之外，所有交易內容都是公開的。原始訊息、簽名和公鑰之間存在一種奇妙的關係。在私鑰不暴露的情況下，任何人只要知道鮑勃公鑰和原始資訊，就能驗證該簽名是否由鮑勃的私鑰簽署的。由於身處網際網路時代，人們都傾向隱藏一些隱私，所以鮑勃的名字不會公開。鮑勃只需公開自己的簽名和公鑰。在比特幣中，公鑰就代表鮑勃的身份，同時公鑰還有另外一層含義，一旦變化編碼，便是比特幣地址。
現在，比特幣交易是由新UTXO組成，而新UTXO是用舊UTXO作為輸出。每花費一筆UTXO，你需要提供一個解鎖指令碼來解開鎖定指令碼中的難題，併為你的接收者建立新的鎖定指令碼。從結構上看，我們將解鎖指令碼放入輸入部分，新的鎖定指令碼放入輸出部分。一個常見的做法是應用數字簽名，將資金髮送給特定的收件人。譬如鮑勃給愛麗絲髮送1BTC，鮑勃發起的完整交易如下，
除了在指令碼中應用數字簽名，人們還想出了各種各樣的難題。比特幣指令碼確實很強大，閃電網路正是利用了比特幣指令碼的優勢，做出了一個有趣的設計，使比特幣交易達到閃電般的速度。
以下是一筆真實的交易，
注意下圖，輸入指令碼和輸出指令碼是花費的UTXO（舊UTXO）的解鎖指令碼，也是新UTXO的鎖定指令碼。
詳細的解碼交易如下圖所示，
其他方法——多重簽名和時間鎖
在所有的比特幣指令碼中，有三大指令碼功能值得注意，即前面提到的數字簽名，加上下面要講到的多重簽名與時間鎖。
多重簽名是多個簽名（OP_CHECK多重簽名）的縮寫，顧名思義，它是一個涉及到使用多個簽名進行驗證的函式。它檢查提交的簽名，如果簽名相匹配則返回true（正確）。多重簽名就像中國古代的虎符，本質上是一把特殊的鎖，只有匹配的鑰匙才能解鎖。
在比特幣中，多重簽名函式放在鎖定指令碼中，指定要解鎖的簽名。在解鎖指令碼中，花費者（接收者）需要一起提供簽名來解鎖指令碼，這樣他們就可以使用UTXO。
例如，如果愛麗絲和鮑勃決定建立一個共同賬戶，這個共同賬戶需要兩人一致同意才生效，兩人將分別建立一個新的UTXO，如下圖所示，
於是一個賬戶餘額為2BTC的共同賬戶便建立了，由愛麗絲和鮑勃共同決定如何使用。
時間鎖的功能就像比特幣的計時器。它會根據當前時間檢查預置日期，直到給定時間過去後才會繼續執行任務。比如，如果設定在日期2099/01/01 00：00：00之前不進行2+3的計算，我們就會建立類似於2099/01/01 00：00：00,check time lock, 2,3, OP_ADD這樣的任務，它可以表示為，
當我們執行這個指令碼時，因為還沒有達到指定的時間2099/01/01 00：00：00，所以無法執行其他步驟。時間鎖的一個實際作用是延遲付款。如果鮑勃想要給傳送愛麗絲 1個BTC，但是他不希望愛麗絲一個星期後才能花費它，他可以在鎖定指令碼中設定時間限制，
當愛麗絲收到鮑勃的這個UTXO時，她必須等上一個星期，才能滿足步驟1的條件，然後提供自己的簽名來花費這筆UTXO。比特幣中，有應用幾種達到時間鎖的方法。特別的是，閃電網路使用的OP_CHECKLOCKTIMEVERIFY和OP_CHECKSEQUENCEVERIFY。兩種方法工作幾乎相似，只是前一種使用的是絕對時間（例如2019/09/23 00：00：00）提交到一個比特幣塊中，而後者使用一個相對的（例如，未來3天之內）。
瞭解比特幣UTXO和比特幣指令碼了，瞭解閃電網路的工作原理就輕鬆了。
原文：https://blog.goodaudience.com/till-its-lightning-fast-uncover-bitcoin-transactions-9c2a5cc94144稿源（譯）：https://first.vip/shareNews?id=2259&uid=1
