本文是一篇计算机论文，本文的研究工作主要是针对在支付通道网络中因为支付通道的打开和关闭而发布的交易过多的问题。
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
在过去的十年中，基于区块链技术的新型去中心化数字加密货币，如比特币（Bitcoin）、瑞波币（Ripple）和以太币（Ethereum）等，都得到了蓬勃的发展。这些去中心化的加密货币，因为区块链的分布式、去中心化、无信任假设等特点，已经变得越来越受欢迎，并得到了广泛的应用。
区块链的核心理念出现在20世纪80年代末和90年代初。1989年，莱斯利·兰波特开发了Paxos协议[1]，这篇论文描述了一个在计算机网络或网络本身可能不可靠的情况下，对结果达成一致的共识模型。在1991年，签名的信息链技术[2]被用于需要数字签名的电子文档，这种签名方式可以很容易地判断已签名的文档是否被更改过。而这些概念在2008年被中本聪（Satoshi Nakamoto）综合应用，并在论文《比特币:一个点对点电子现金系统》[3]中进行了概述。中本聪的论文包含了大多数现代加密货币方案遵循的蓝图。比特币是众多区块链应用中的第一个[4][5]。
区块链是一个在计算机网络的节点之间共享的分布式数据库。区块链的创新之处在于，它保证了数据记录的真实性和安全性，并且可以在不需要可信第三方的情况下产生信任。区块链的目标是允许数字信息被复制和转发，但不允许修改。通过这种方式，区块链成为不可变账本或不能更改、删除或销毁的交易记录的基础。因此，区块链技术也被称为分布式账本技术（DLT）。分布式账本是由全局节点共同维护的，区块链使用共识协议，使得这些全局节点最终可以达成统一的共识，从而保证数据的一致性。但是，区块链的弊端也非常明显。每个节点都存储全局的数据信息将会产生巨大的存储成本；全局节点达成共识也会产生巨大的通信开销和延迟。正是因为共识协议导致的延迟，使得比特币的一个区块被全网确认大约需要10分钟，比特币的最大交易速率仅为7笔/秒[6][7]。
1.2国内外研究现状
1.2.1 区块链扩展性研究现状
区块链出现伊始，区块链中的攻防问题受到了极大的关注，如女巫攻击[19][20][21]、双花攻击等[22][23][24]。随着区块链中交易速率较低的问题逐渐被重视，关于区块链的扩展性研究也逐渐受到了关注，目前主要有三种主流的解决方案用于解决区块链的扩展性问题。
第一种简单直接的扩展方式是改变区块链中的系统参数，如增加区块的大小[25]，使得每个区块可以记录更多的交易，以此提高区块链的交易速度。然而，当区块的大小增加时，将会增加区块链网络中的各个节点的存储负担。而且，增加区块大小对交易速度的提升也十分有限，在比特币中，当区块大小增加至8MB时，交易的速度依然小于100笔/秒。因此改变区块链中的系统参数并不能解决区块链的扩展性问题。
第二种扩展方案是分片机制。分片机制最早由[26]提出，广泛应用于分布式数据库和云基础设施。Elastico和Zilliqa[27][28]创新性的将分片技术应用于区块链中。其主要方法是将区块链网络划分为几个子网，每个子网络包含整个网络中的部分节点，然后将计算和存储工作负载分散到不同的子网中，这样每个节点就不必负责处理整个网络的事务负载，每个节点只维护与其分区或分片相关的信息，包含在分片中的信息仍然可以在其他节点之间共享。存储在网络中的数据和事务将被随机分配到每个分片。通过这种方式，各个节点可以并行处理在不同分片中的事务，从而提高网络的交易速度。使用分片技术可以使得计算、存储和处理可以并行进行，因此分片是其中一个切实可行的解决方案来扩展区块链系统。
第三种扩展方案是支付通道网络。Spliman首先提出了微支付通道的概念[29]，微支付通道允许一方向另一方进行重复支付，而且这些重复执行的交易并不会被发布到区块链上。然而该微支付通道只支持单向交易，并且不支持跨通道交易，这极大的限制了使用场景。随后，基于微支付通道，Poon等人提出了支持双向支付功能和跨通道交易的闪电网络[11]，进一步扩展了支付通道的功能和使用场景。
第二章 相关背景知识介绍
2.1区块链技术
2.1.1 区块链结构
区块链实际上是一种按照时间顺序，将数据区块以顺序相连的方式组合而成的一种链式数据结构。每个区块分为两个部分：区块头和区块体。在区块头中，主要包含了四组数据信息。第一组数据信息用于连接前一个区块，其值为前一个区块头的哈希值。第二组信息是默克尔树（Merkle Tree）根节点的哈希值[19]，该值是由区块体中所有交易的哈希值生成，计算方式如图2.1所示，从叶子节点开始逐层向上计算哈希值[51-55]，其中叶子节点即为该区块所记录的交易。因此如果有人篡改了该区块上的任何一笔交易，那么该区块的默克尔树根节点的哈希值就会发生变化。在区块头中存储默克尔树根节点的哈希值意味着，只要区块头是安全的，那么整个区块就是安全的。第三组信息为Nonce值，决定了挖矿的难度[56]，也间接决定了区块的产生速度，该值可以动态的改变，使得全网区块的产生速度为平均每十分钟产生一个新的区块。当出块速度较快时，挖矿难度会增大，增加矿工解决数学难题的时间以降低出块速度；当出块速度较小时，挖矿难度会降低，以提高出块速度。最后一组数据信息是时间戳，表明区块数据的写入时间。因此，区块链主链上各个区块是按照时间顺序依次排列的。在区块体中，主要记录该区块所保存的交易信息[51-55]。区块链的详细结构如图2.2所示
2.2密码学技术
2.2.1 非对称加密
非对称加密是一种加密类型，它使用两个独立但在数学上相关的密钥来加密和解密数据[66]。公钥加密数据，而其相应的私钥解密数据。公钥对所有人开放，任何人都可以访问公钥并使用公钥加密数据。但是，一旦加密，该数据只能通过使用相应的私钥来解密。因此，私钥必须保密以防止其被泄露。尽管私钥和公钥在数学上存在着某种关系，但是在知道公钥的情况下，也无法破解出私钥。
非对称加密的模型如图2.3所示，在信息发送前，发送者首先要获取接收者的公钥，并使用公钥对发送内容进行加密。接收者收到加密信息之后，要使用自己的私钥对密文进行处理，还原密文。
第三章 基于支付结的链下交易 ............................. 15
3.1支付结设计 ..................................... 15
3.1.1 网络模型 ........................................... 15
3.1.2 创建、交易和解散 ........................ 16
第四章 基于声誉系统的链下交易路由算法设计.................................. 29
4.1问题背景 ...................................... 29
4.2声誉系统模型 ....................................... 29
第五章 总结与展望 .................................... 46
5.1论文总结 ........................................... 46
5.2研究展望 ....................................... 47
第四章 基于声誉系统的链下交易路由算法设计
4.1问题背景
第三章对如何使用支付结改善链下交易进行了深入的研究，通过巧妙的设计支付结的结构和押金使用规则，使得支付结在支付通道网络中有了较好的性能。此外，第三章还针对支付结中可能出现的问题提出了改善的建议。在本章节中，考虑支付通道网络中的另一种情景。随着交易不断执行，支付通道中的押金将会不断出现偏斜，当通道一端的押金较少时，就无法满足大多数的交易请求。此时，大多数的交易将会在资金充足的支付通道中完成，而网络中较为边缘的支付通道或者因为押金不足，或者因为距离较远，能够执行交易的机会非常少。那么，这些无法满足交易请求的用户和长时间没有执行交易的用户往往会选择关闭支付通道。押金偏移的情况在REVIVE协议[36]中也有考虑，作者使用了通道平衡的方法，将用户在其他支付通道中的押金转移到押金较少的支付通道中来，使得当前通道有足够的押金完成交易，但是通道平衡操作显然需要额外的开销才能完成，并且该方法也无法使得网络中的边缘用户得到执行交易的机会。
同时，这种押金偏移的情况在支付结中也会发生。根据3.1.3节中对支付结中的路由分析，每次交易经过支付结时，支付结中只有两个用户的押金会发生变化。当经过多次交易后，如果交易大多是单向的，那么经常产生交易的用户的押金会迅速减少，直至该用户的押金无法满足交易的容量约束，从而导致这些用户在接下来的交易中的转账能力变弱。因此，支付结中没有押金或者押金很少的用户就会退出支付结。本章将考虑如何降低用户在支付通道和支付结中的退出动机，使得用户在押金较少或者较为边缘的情况下仍然有较高的可能性去执行交易，从而获得收益。
第五章 总结与展望
5.1论文总结
随着近年来对区块链关注的增加，在区块链上进行的交易也越来越多。支付通道网络作为解决区块链的拓展性问题的方案也备受关注。本文的研究工作主要是针对在支付通道网络中因为支付通道的打开和关闭而发布的交易过多的问题。本文定义了支付结的结构，将多个用户组织到一个支付结中，为该问题提供了一种解决方案。此外，本文还关注了在支付通道网络中的边缘用户，设计了一种路由算法，使得这些边缘用户也可以有较大的几率执行交易。
在本文中，首先提出了支付结的概念，在支付结中，用户可以使用其所有的内部押金和在同一个支付结中与其他用户进行交易，而不需要从其他通道提取押金（不需要平衡支付通道）。由于支付结中的交易可以共享内部押金，用户在支付结中可以显著降低自己的押金。而且，支付结可以显著增加用户的交易量。此外，支付结还可以减少发布到区块链的事务数量。这大大降低了区块链的交易压力。支付结自身虽然具有优势，但是自身也同样存在弱点。因此本文还提出了三种机制来提高效率、稳定性和抗攻击能力。本文设置了支付结的加入规则用以提高支付结的加入门槛，保证加入的用户对支付结的贡献；在用户创建支付结时，对这些用户进行了筛选，根据定义的支付结稳定性函数，我们可以筛选出使得支付结稳定性最大的用户的集合；最后，还提出了(t,n)门限签名方案，使支付结不会因为一个用户想要退出就会被解散。最终通过仿真实验证明，在支付通道网络中使用支付结，可以使交易的成功率最高提升7.45%。
参考文献（略）