一文詳解比特幣 Layer2 協議 Ark：閃電網絡的替代方案？_VTX

在比特幣閃電網絡的發展歷程中，盡管 PTLC、CoinJoin 在很大程度上對中心化與隱私問題做了改進，但流動性卻是阻礙閃電網絡大規模采用的硬傷之一。通常對新用戶而言，下載閃電錢包后必須要尋找到入站流動性（Inbound Liquidity）才能從閃電通道中接收比特幣，入站與出站流動性（Outbound Liquidity）的多少也決定了用戶能接收與發送多少比特幣。同時，在閃電通道中，流動性總量是固定的，無法改變，除非關閉通道重新設定。因此，總體來說，閃電網絡流動性帶來的實際用戶體驗可能并不佳。

在前不久的邁阿密海灘上，Bitcoin 2023 如火如荼，比特幣開發者 Burak Keceli 就這一問題為現場觀眾帶來了比特幣 Layer2 協議 Ark，這是一種閃電網絡的替代方案，允許用戶在不引入流動性限制的情況下發送和接收資金。今天，Foresight News 將為大家介紹 Ark 的工作方式及其技術特點。

在比特幣網絡中，一筆交易由輸入與輸出組成，地址所持有的比特幣總額被稱為未被花費的交易輸出（Unspent Transaction Output，UTXO），一筆交易經由收款方的私鑰簽署解鎖腳本后進入新地址的 BTC 將再次成為 UTXO。Ark 協議則采用一種共享 UTXO 集進行匿名的鏈下支付，協議中已提交但未公開的交易輸出被稱為虛擬 UTXO（vTXO）。獲取 vTXO 有兩種方式，一是從已擁有 vTXO 的用戶那里獲取；二則是通過原子雙向掛鉤機制 lifting 將其鏈上 UTXO 按 1:1 兌換為 vTXO。當然，用戶可以單方面將 vTXO 兌換為鏈上 UTXO，而無需尋求 ASP 合作。

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Ark 協議涉及用戶與 Ark Service Provider（ASP）兩方。用戶是指那些持有、發送和接收 vTXO 的非交互式實體，而 ASP 類似于閃電網絡服務提供商，它擔任一種無需信任的中介，為網絡提供 vTXO 流動性并收取流動性費用。同時，ASP 也充當盲 CoinJoin 協調員的角色，通過提供簡單的調整與盲混合（blinded mixing）為交易提供隱私保護。

當用戶在協議上進行付款時，需在 ASP 創建的共享 vTXO 資金池中支付 vTXO。ASP 每天 24 小時在線，其主要工作是每 5 秒創建一個盲交易池，對交易進行盲混合，避免支付跟蹤。同時，ASP 可將發款方的 vTXO 贖回成鏈上資產， 并利用自己的鏈上資金為 CoinJoin 創建新的 vTXO。因此，上鏈的交易池即便公開可查，但也只顯示 1 個或幾個由 ASP 提供的輸入，鏈上數據觀察者無法發現真正的付款方。隨后，從 ASP 的盲交易池中產生包含新創建 vTXO 的 vTXO 輸出。vTXO 被捆綁并嵌套在這個共享輸出下，并可以在鏈上公開。在 Ark 協議中，vTXO 輸出生命周期只有 4 周，收款方需要在前兩周內通過共同簽署 n-of-n 多重簽名領取嵌套 vTXO（nested vTXO）。如果 vTXO 在前兩周無人認領，vTXO 將重回發送者的控制之下，這類似于閃電網絡上的 HTLC 超時。另一方面，如果 ASP 在這段時間碰巧不合作或不回應，不共同簽署 ATLC，那么 vTXO 所有者可以公開其嵌套 vTXO，然后等到合約中編碼的某個相對時間窗口（24 小時）之后再領取資金。當然，如果被公開的 vTXO 超過 4 周無人認領，ASP 將可以單獨清算它們。

NFT借貸協議Arcade促成2塊勞力士實物手表貸款:6月16日消息，NFT借貸協議Arcade已促成2塊勞力士實物手表貸款，貸款金額為14,500USDC。勞力士手表所有者將手表發送給托管公司4K Protocol，該公司將手表代幣化并為手表所有者鑄造了相應的NFT，隨后所有者使用NFT申請貸款。[2023/6/16 21:41:37]

與閃電網絡的相比，Ark 協議沒有引入所謂的閃電通道、出站流動性與入站流動性。

Ark 的非交互式支付通過一種類似于比特幣靜默支付的方式來實現，即收款方提供一個發送方與收款方之間的「共享秘密」，并為發送方提供一個類似于靜默支付的專用公鑰。每個新創建的 vTXO 都使用一個包含支付承諾的臨時共享秘密進行調整，該秘密會在 vTXO 被花費時，也即 2-of-2 連接器關閉時，錨定 ATLC 會顯示付款證明。

不過，當前 Ark 協議的接收則是對非交互式的一種妥協，它采用一種交互式的方式即 n-of-n 多重簽名限制交易輸出，它的異步離線接收尚未完善，收款人必須在線運行 Ark 客戶端才能簽名以限制共享 UTXO 的輸出。換言之，用戶必須每隔一兩周上線一次以接收其代幣，否則無人認領的代幣將會被 ASP 清理。因此，對于 Ark 而言，要想真正實現完全非交互式，使用戶接收離線支付，必須有一種類似于 BIP-118 與 BIP-119 的「限制條款」（covenant）原語來限制交易輸出。事實上，即便是為閃電網絡附加這種原語，也依然無法實現非交互性。

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所謂原子性，就是指一筆交易不可切分，要么完全成功，要么完全失敗。Ark 使用一種稱為 Txlock 的新鎖定類型原語確保鏈下轉賬的絕對原子性。Txlock 是一種條件，在這個條件下，只有存在一個相互同意的交易標識符才能解鎖。

在 Ark 協議中，Txlock 條件使用連接器（connector）來滿足。連接器是協議上的一種特殊輸出類型，其原語是如果我們希望比特幣腳本檢查特定的交易 ID 是否存在，只需將該交易的輸出附加到支出交易（spending transaction）中，并對照支出交易的 Prevouts 檢查一個預簽名（pre-signed）的簽名。在簽名哈希（sighash）原像（preimage）中的連接器輸出點（outpoint）會提交給我們想要滿足 Txlock 條件的交易 ID。在 Ark 上下文（context）中，這是包含預期收款人的 vTXO 的資金池交易。Txlocks 在錨定時間鎖合約（ATLC）中使用，以提供原子單樞紐（single-hub）支付計劃。當首次創建 vTXO 時，ATLC 會附加到它上面。當一個 vTXO 被花費時，vTXO 所有者與 ASP 合作簽署 atlc:connect，通過 ATLC 的 2-of-2 密鑰路徑，預先附加的 ATLC 會連接到連接器上以形成 Txlock。

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這種 Txlock 結構確保，如果附加的 ATLC 要被 ASP 認領，那么連接器輸出點的上下文必須保持不變。換句話說，ASP 不能雙花其創建的交易池。這為發送者提供了原子支付結構，因為收款人的 vTXO 與連接器嵌套在相同的交易池中。

與閃電網絡相比，Ark 沒有打開和關閉通道的概念，與鏈上交互次數少，因此占用的鏈上空間更少。

ASP 提供的 CoinJoin「混幣」隱私服務；收款人無需獲取入站流動性、實時運行服務器以收款并將隱私泄漏給外部觀察者。

就像 ATLC 和連接器一樣，Ark 可以通過將哈希時間鎖合約（HTLC）和點時間鎖合約（PTLC）附加到交易池來與閃電網絡兼容。附加的 HTLC 存在于另一個稱為 HTLC 輸出的共享 UTXO 下，該輸出在四周后也會過期。ASP 將 HTLC 轉發到其交易池后的那一刻，就將其轉發到更廣泛的閃電網絡。這意味著 ASP 也是 Lightning 服務提供商。Ark 用戶也可以使用嵌套了 HTLC 的 vTXO 從閃電網絡收款。

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由于任何人都可以運行 ASP，用戶可以通過不同的 ASP 發送閃電發票，在將 HTLC（或 PTLC）附加到由不同 ASP 創建的交易池上后，HTLC 可以通過多方支付（MPP）轉發到最終的收款人。

Ark 協議支持零確認 vTXO，支付隨交易池的創建而每 5 秒計入一次，但結算則每十分鐘一次。因此，支付是立即入賬的，收款方無需等待鏈上確認就可以花費其零確認 vTXO，用于轉賬或支付閃電發票（類似于收款碼）。所以，理論上，當一個交易池的交易還在內存池中時，ASP 可以雙花這筆交易。但 Burak 表示，由于轉賬的絕對原子性，如果 ASP 在雙方約定的 CoinJoin 交易 ID 下雙花收款方的 vTXO，那么 ASP 將無法贖回發送方的 vTXO。

Burak 認為，未來，Ark 可以利用假設的數據操作操作碼「opcode」(OP_XOR 或 OP_CAT) 來限制 ASP 的簽名中的 nonce，以避免雙重支付。到那時，如果雙花發生在 CoinJoin 交易中，用戶則可以偽造 ASP 簽名來認領其之前兌換的 vTXO。

Ark 協議的創始人最初是閃電網絡的強烈批評者，他對閃電網絡入站流動性、異步接收、鏈上足跡、接收者隱私、交互性等批評是 Ark 誕生的種子。Burak 自己也承認，他此前的一些反對意見從長遠來看是可以解決的，但是他找不到解決入站流動性問題的「良方」。在這個想法的推動下，Ark 應運而生，其創新性將會大大降低用戶使用 Layer2 支付的門檻，并且模仿了 CoinJoin、盲化、靜默支付等諸多比特幣原語構建 Ark 協議，實現比特幣的可擴展性與隱私支付。與閃電網絡相比，Ark 協議不僅提出其固有的流動性問題的解決方案，還兼容閃電網絡，至少已經是一種可以與其相輔相成的協議了。

不過，Ark 還有很多需要改進的地方。譬如，收款方必須每隔一兩周就要上線簽名以領取代幣，這產生了一種新的用戶體驗問題。事實上，比特幣開發者社區對于 Ark 采用零確認（0-conf） 帶來雙花問題也產生了一些爭論。如果其在非交互式、雙花問題上能夠進一步完善，那么 Ark 的用戶體驗與協議的安全性也會大大改善。此外，Ark 在鏈下完成，雖然鏈上無法觀察到發送者與收款方，但 ASP 是否掌握隱私數據仍然需要打個問號。

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